專利名稱：開關(guān)磁通永磁同步電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種開關(guān)磁通永磁同步電機(jī)，屬于電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在電動(dòng)汽車上應(yīng)用的電機(jī)主要有異步電機(jī)、無刷永磁同步電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)。 其中異步電機(jī)的矢量調(diào)控技術(shù)比較成熟，較早應(yīng)用于電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，具有明顯的優(yōu) 勢(shì)，是電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主流產(chǎn)品。但是異步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，制造成本高，與無刷 永磁同步電機(jī)相比，其效率和功率密度都偏低，正逐步被新型的無刷永磁同步電機(jī)所取代。無刷永磁同步電機(jī)采用圓柱形徑向磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)或盤式軸向磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)，具有較高的功 率密度和效率，并且調(diào)速范圍寬，是電動(dòng)汽車用電機(jī)中的強(qiáng)有力競(jìng)爭(zhēng)者。但由于其存在高成 本，弱磁控制差以及加工制造困難等缺陷，影響了它的發(fā)展。嵌入式永磁電機(jī)雖在弱磁控制 方面具有優(yōu)勢(shì)，但由于其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)復(fù)雜及成本高，依然影響其進(jìn)一步的發(fā)展。同時(shí)由于無刷 永磁同步電機(jī)將永磁體安裝在轉(zhuǎn)子上，為了防止轉(zhuǎn)子高速運(yùn)行時(shí)永磁體受到離心力的作用 而甩落出去，需要采用不銹鋼或非金屬纖維材料制成的固定裝置來對(duì)永磁體進(jìn)行固定，固 定裝置會(huì)引起轉(zhuǎn)子的散熱困難，導(dǎo)致溫升過高，這可能會(huì)導(dǎo)致永磁體發(fā)生不可逆退磁、限制 電機(jī)出力及減小功率密度等。開關(guān)磁阻電機(jī)由于結(jié)構(gòu)緊湊牢固，適合高速運(yùn)行，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，成本低，性能可 靠，轉(zhuǎn)速范圍寬且效率高并能夠方便的實(shí)現(xiàn)四象限控制，而適用于各種電動(dòng)車輛的各種工 況下運(yùn)行。但是由于這種電機(jī)設(shè)計(jì)與控制上存在的缺陷，會(huì)造成轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大，進(jìn)而出現(xiàn)較 大的噪聲和振動(dòng)，功率密度和效率偏低；同時(shí)還要配合位置傳感器來使用，造成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù) 雜，可靠性降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有電動(dòng)汽車用電機(jī)存在的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大及弱磁控制能 力差的問題，提供一種開關(guān)磁通永磁同步電機(jī)。本發(fā)明包括定子和轉(zhuǎn)子，定子的內(nèi)環(huán)表面和轉(zhuǎn)子的外環(huán)表面之間為氣隙，所述定 子由12塊定子鐵心疊片和12塊永磁體依次相間緊密拼裝成圓筒形，每塊定子鐵心疊片的 徑向截面為開口向內(nèi)的U型，定子的定子鐵心疊片的U型槽內(nèi)分布有集中繞組；所述轉(zhuǎn)子的 外圓周上均勻分布有10個(gè)凸極；
所述永磁體的充磁方向?yàn)閳A周方向，相鄰永磁體的充磁方向沿圓周方向相反。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是
本發(fā)明是一種全新設(shè)計(jì)的電機(jī)結(jié)構(gòu)，它采用定子與轉(zhuǎn)子的雙凸極結(jié)構(gòu)，將永磁體與定 子鐵心疊片相間排列，在定子上采用集中繞組的繞線形式，這種結(jié)構(gòu)形式充分利用了永磁 體的聚磁效應(yīng)，有利于縮小定子的U型開槽空間和減少永磁體的用量，使電機(jī)的總體積變 小，從而降低了電機(jī)的成本；由于本發(fā)明中電機(jī)定子結(jié)構(gòu)的特殊性，它將永磁體嵌在U型定 子鐵心的疊片之間，集中繞組集中在定子上，使得其電樞反應(yīng)磁通與永磁磁通在磁路上是并聯(lián)的，而不同于轉(zhuǎn)子永磁型和一般定子永磁型電機(jī)中的串聯(lián)關(guān)系，它使電樞反應(yīng)磁場(chǎng)對(duì) 永磁體工作點(diǎn)的擾動(dòng)很小，提高了電機(jī)的電樞電流和負(fù)載能力。電機(jī)的轉(zhuǎn)子上既無永磁體 又無繞組，提高了其機(jī)械強(qiáng)度，適合高速運(yùn)行，并能夠允許較高的工作溫度，工作效率高。電機(jī)的弱磁控制能力一般通過調(diào)節(jié)電流密度有效值和槽滿率來調(diào)節(jié)，本發(fā)明電機(jī) 所形成的電樞反應(yīng)磁通與永磁磁通的并聯(lián)結(jié)構(gòu)，能有效避免永磁體的不可逆退磁，所以集 中繞組的電流密度可以選擇較大，使電機(jī)適合高速運(yùn)行，保證電機(jī)通過弱磁控制穩(wěn)定運(yùn)行 在恒定功率區(qū)域，這使電機(jī)的弱磁控制能力得到明顯的改善。本發(fā)明中轉(zhuǎn)子有10個(gè)凸極，則其極距所跨的機(jī)械角度為36°，這樣每相永磁磁鏈 及相應(yīng)的反電動(dòng)勢(shì)在36°范圍內(nèi)接近正弦分布，由此可以采用正弦波電流供電，對(duì)本發(fā)明 所述電機(jī)采用正弦波控制，采用矢量控制方法控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，并合理選擇集中繞組的匝 數(shù)、氣隙、永磁體厚度等結(jié)構(gòu)參數(shù)后，可以使電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，使轉(zhuǎn)矩波動(dòng)控制在一定的允許 范圍內(nèi)。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一下面結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式包括定子和轉(zhuǎn)子2， 定子的內(nèi)環(huán)表面和轉(zhuǎn)子2的外環(huán)表面之間為氣隙，其特征在于所述定子由12塊定子鐵心 疊片1-1和12塊永磁體1-2依次相間緊密拼裝成圓筒形，每塊定子鐵心疊片1-1的徑向截 面為開口向內(nèi)的U型，定子的定子鐵心疊片1-1的U型槽內(nèi)分布有集中繞組1-3 ；所述轉(zhuǎn)子 2的外圓周上均勻分布有10個(gè)凸極；
所述永磁體1-2的充磁方向?yàn)閳A周方向，相鄰永磁體1-2的充磁方向沿圓周方向相反。本實(shí)施方式所述電機(jī)的制造成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，它采用無刷電機(jī)技術(shù)，將永磁體 1-2鑲嵌于相鄰的定子鐵心疊片1-1之間，這種結(jié)構(gòu)，方便于采用定子冷卻的方式來進(jìn)行永 磁體1-2的冷卻控制，以避免永磁體1-2的高溫退磁。永磁體1-2可采用最簡(jiǎn)單的長方體結(jié) 構(gòu)，易于加工和制造，并且安裝容易。轉(zhuǎn)子2的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且堅(jiān)固可靠，無永磁材料，不存在 永磁散熱及固緊問題。所述電機(jī)借鑒了開關(guān)磁阻電機(jī)以及表面封裝永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)， 它不但具有開關(guān)磁阻電機(jī)的高可靠性和低成本的特點(diǎn)，同時(shí)具有表面封裝永磁電機(jī)的高性 能，并且整體性能優(yōu)于表面安裝和內(nèi)部安裝永磁體的電機(jī)，具有很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。當(dāng)電機(jī)通電旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子2將受到電磁力矩的作用，為防止轉(zhuǎn)子2在電機(jī)軸上打 滑，使轉(zhuǎn)子2與電機(jī)軸之間有一定的過盈量，壓入過盈配合。能夠防止轉(zhuǎn)子2在電機(jī)軸上軸 向竄動(dòng)。本實(shí)施方式所述電機(jī)是一種永磁交流電機(jī)，除用于混合動(dòng)力汽車方面的使用，在 HV/EV牽引電機(jī)、汽車伺服電機(jī)、工業(yè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、風(fēng)力水利發(fā)電機(jī)等領(lǐng)域具有非常廣泛的工 業(yè)應(yīng)用前景。工作過程及原理本發(fā)明所述電機(jī)在運(yùn)行時(shí)遵循“磁阻最小原理”，即磁通總是沿 著磁阻最小的路徑閉合，因磁場(chǎng)的扭曲會(huì)產(chǎn)生切向磁拉力，形成電磁轉(zhuǎn)矩。在電機(jī)運(yùn)行過程 中，假定轉(zhuǎn)子極中心線與同一定子極下左、右定子鐵心疊片1-1的中心線重合的位置分別為位置A和位置B，那么當(dāng)轉(zhuǎn)子2從位置A移動(dòng)到位置B的過程中，集中繞組1-3里匝鏈的 磁通在數(shù)量上保持不變，但其方向會(huì)隨著轉(zhuǎn)子2位置的改變而反向，就實(shí)現(xiàn)了磁通切換，由 此電機(jī)命名為開關(guān)磁通永磁同步電機(jī)，其每相的永磁磁鏈為雙極性，這是其一大特性。在電機(jī)運(yùn)行過程中，電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)保證了每相永磁磁鏈及相應(yīng)的反電勢(shì)波形在 1個(gè)轉(zhuǎn)子極距36°內(nèi)接近正弦波，這使本發(fā)明電機(jī)可以采用正弦波電流供電控制的方式運(yùn) 行，使其在交流驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景。此外，永磁體1-2置于定子鐵心疊片1-1之間， 產(chǎn)生的高磁阻磁路限制了電樞反應(yīng)磁通穿過永磁體，并且電樞反應(yīng)磁通與永磁磁通在磁路 上是并聯(lián)的，能夠有效避免永磁體1-2的高溫不可逆退磁。
具體實(shí)施方式
二 本實(shí)施方式與實(shí)施方式一的不同之處在于所述轉(zhuǎn)子2由多個(gè)冷 軋硅鋼片疊壓而成。其它組成及連接關(guān)系與實(shí)施方式一相同。轉(zhuǎn)子2是電機(jī)主磁路的導(dǎo)磁體，轉(zhuǎn)子2由多個(gè)冷軋硅鋼片疊壓而成，能夠減小轉(zhuǎn) 子2的渦流損耗。本實(shí)施方式中的轉(zhuǎn)子2可選擇牌號(hào)為DW310-35的冷軋硅鋼片疊壓而成， 它的表面具有良好的絕緣薄膜。DW310-35是一種含碳量極低的硅鐵軟磁合金，硅的含量為 0. 5-4. 5%。加入硅后提高了鐵的電阻率和最大磁導(dǎo)率，降低了矯頑力、鐵心損耗和磁時(shí)效， 它能使電機(jī)的磁場(chǎng)能量最大的轉(zhuǎn)化為力矩，降低了熱能的產(chǎn)生，提高了電機(jī)的效率。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式與實(shí)施方式一的不同之處在于所述定子由多個(gè)冷軋 硅鋼片疊壓而成。其它組成及連接關(guān)系與實(shí)施方式一相同。定子的材質(zhì)可與轉(zhuǎn)子2的材質(zhì)相同，定子的多個(gè)冷軋硅鋼片之間通過涂酚醛樹脂 粘結(jié)劑的粘結(jié)方式，晾干后疊壓，成形。酚醛樹脂是一種堿性碳纖維樹脂復(fù)合材料，具有良 好的耐酸性能、力學(xué)性能、耐熱性能，防腐蝕，它使定子的多個(gè)冷軋硅鋼片的粘結(jié)強(qiáng)度高，并 且具有良好的耐熱性能。
具體實(shí)施方式
四本實(shí)施方式與實(shí)施方式一的不同之處在于所述永磁體1-2的材 質(zhì)為釹鐵硼材料。其它組成及連接關(guān)系與實(shí)施方式一相同。采用釹鐵硼材料制作永磁體1-2，例如型號(hào)為N38H的釹鐵硼材料，它的工作溫度 最高可達(dá)120°C。釹鐵硼材料是當(dāng)前磁性最強(qiáng)的永磁材料，具有體積小、重量輕、磁性強(qiáng)和價(jià) 格低的特點(diǎn)，有極高的磁能積和矯力，是混合動(dòng)力汽車電機(jī)重要的功能材料。
具體實(shí)施方式
五本實(shí)施方式與實(shí)施方式一、二、三或四的不同之處在于所述集中 繞組1-3采用高強(qiáng)度聚酯漆包圓銅線繞制而成。其它組成及連接關(guān)系與實(shí)施方式一、二、三 或四相同。集中繞組1-3采用高強(qiáng)度聚酯漆包圓銅線繞制而成，例如采用QZ-2型高強(qiáng)度聚酯 漆包圓銅線，它的標(biāo)準(zhǔn)直徑為1. 12mm，絕緣等級(jí)為B，耐溫可達(dá)120°C。本發(fā)明中電機(jī)的轉(zhuǎn)子軸可采用不導(dǎo)磁不銹鋼材料lCrl8Ni9Ti制成，經(jīng)熱處理和 二三次研磨加工后，其裝配部分的表面硬度能達(dá)到HV500-HV600，精度可達(dá)微米級(jí)，表面粗 糙度Ra ( 0. 8um，能夠保證電機(jī)轉(zhuǎn)子2與電機(jī)軸的同心度安裝要求。本發(fā)明不局限于上述實(shí)施方式，還可以是上述各實(shí)施方式中所述技術(shù)特征的合理 組合。
權(quán)利要求
一種開關(guān)磁通永磁同步電機(jī)，它包括定子和轉(zhuǎn)子(2)，定子的內(nèi)環(huán)表面和轉(zhuǎn)子(2)的外環(huán)表面之間為氣隙，其特征在于所述定子由12塊定子鐵心疊片(1-1)和12塊永磁體(1-2)依次相間緊密拼裝成圓筒形，每塊定子鐵心疊片(1-1)的徑向截面為開口向內(nèi)的U型，定子的12塊定子鐵心疊片(1-1)的U型槽內(nèi)分布有集中繞組(1-3)；所述轉(zhuǎn)子(2)的外圓周上均勻分布有10個(gè)凸極；所述永磁體(1-2)的充磁方向?yàn)閳A周方向，相鄰永磁體(1-2)的充磁方向沿圓周方向相反。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)磁通永磁同步電機(jī)，其特征在于所述轉(zhuǎn)子(2)由多個(gè)冷 軋硅鋼片疊壓而成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)磁通永磁同步電機(jī)，其特征在于所述定子由多個(gè)冷軋 硅鋼片疊壓而成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)磁通永磁同步電機(jī)，其特征在于所述永磁體(1-2)的材 質(zhì)為釹鐵硼材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的開關(guān)磁通永磁同步電機(jī)，其特征在于所述集中繞 組(1-3)采用高強(qiáng)度聚酯漆包圓銅線繞制而成。
全文摘要
開關(guān)磁通永磁同步電機(jī)，屬于電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域。它解決了現(xiàn)有電動(dòng)汽車用電機(jī)存在的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大及弱磁控制能力差的問題。它包括定子和轉(zhuǎn)子，定子的內(nèi)環(huán)表面和轉(zhuǎn)子的外環(huán)表面之間為氣隙，所述定子由12塊定子鐵心疊片和12塊永磁體依次相間緊密拼裝成圓筒形，每塊定子鐵心疊片的徑向截面為開口向內(nèi)的U型，定子的定子鐵心疊片的U型槽內(nèi)分布有集中繞組；所述轉(zhuǎn)子的外圓周上均勻分布有10個(gè)凸極；所述永磁體的充磁方向?yàn)閳A周方向，相鄰永磁體的充磁方向沿圓周方向相反。本發(fā)明作為電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
文檔編號(hào)H02K1/17GK101860158SQ201010175339
公開日2010年10月13日 申請(qǐng)日期2010年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月18日
發(fā)明者劉繼平, 唐富忠, 張志強(qiáng), 張星, 燕申武, 索來春, 高立軍 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)