专利名称：电动汽车用复合励磁永磁同步发电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电动汽车用复合励磁永磁同步发电机，属于电机技术 领域。
背景技术：
随着稀土永磁材料的发展，永磁同步发电机的应用越来越广泛。与电 励磁的同步电机相比，永磁励磁无需励磁绕组，具有结构简单、运行可靠、 体积小、效率高、功率密度高等优点。但其最大的缺点是永磁励磁无法调 节，作为电动机，无法通过调节励磁达到弱磁扩速、获得宽广的恒功率调
速；作为发电机，由于转子永磁体的高矫顽力，使发电机的输出电压无法 调节，当负载或转速变化时，永磁同步发电机难以保持恒压，因此在电动 汽车中的应用受到限制。复合励磁永磁同步发电机较好地解决了永磁电机 励磁调节困难以及电励磁电机效率低的问题，具有永磁体和励磁电流两种 磁源，融合了两者的优点，利用永磁体和电励磁绕组组合励磁，对气隙磁 进行控制，调节发电机输出电压。气隙磁场的主要部分由稀土永磁体建立， 而电压调节所需的磁场变化部分由辅助的电励磁绕组来实现。
目前各种结构的复合励磁同步电机，各自存在以下缺陷如爪极电励
磁永磁同步电机、径向/轴向复合励磁同步电机和环形定子横向磁通电机
等，电励磁磁路附加气隙多，轴向磁场受电机直径的制约，电机结构复杂； 同步/永磁复合励磁电机电压谐波多，转矩波动大；同步/永磁复合励磁 电机和组合转子复合励磁电机可靠性和效率较低；组合转子复合励磁电机 铁磁损耗随速度显著增大；永磁轴向分段式电机，即永磁主发部分和电励磁辅发部分通过转轴共用一套定子铁心连接，结构有多种多样，但实际上 在轴向是两台电机，体积、重量增加；后两种电机均为表面安装式永磁，
磁场调节、弱磁扩速困难，并且没有极靴保护，存在去磁危险，调压性能 差。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种电动汽车用复合
励磁永磁同步发电机(HESG)，确保发电机负载变化时输出电压恒定，具 有良好的波形。
本发明的目的通过以下技术方案来实现
电动汽车用复合励磁永磁同步发电机，所述电机包括机壳和机壳内的 定子和转子，定子包括固定在机壳内壁的定子铁芯和定子绕组，定子铁芯
包括定子磁轭、定子槽和定子齿，转子包括转轴和转子铁芯，特点是所
述转子铁芯内圆周方向设有辅助电励磁绕组和内置式v型磁钢，永磁体作
用的磁路与电励磁作用的磁路在转子极面联成一体，两者磁路各自独立，
共用一套定子铁芯(电枢)；电枢感应电势由永磁体和辅助电励磁绕组共 同产生，达到输出端电压高效节能、高精度调节的目的，V型内置式永磁 有显著的聚磁效应，可增加输出电压8%。
所述内置式V型磁钢与极靴构成永磁极，所述辅助电励磁绕组与该绕 组间的铁心构成励磁极；相邻反极性的磁极不是自身励磁或者设置磁钢构 成，而是磁通回路在转子铁芯8形成的铁心极10，实际极数和电机特性， 取决于辅助电励磁绕组7产生的励磁极的励磁方式设发电机极数为2P， 则励磁极数为P/2，永磁极数为P/2;如果辅助电励磁绕组7通入正向励磁 电流+Ie，即电励磁绕组产生的极性与永磁极性相同，则HESG形成对称 2P极的磁场，励磁磁场在定子绕组感应的电势应与永磁磁场感应的电势相 加，输出电压与功率最大；如果励磁绕组不励磁，Ie=0，则HESG形成非 对称P极的磁场，通过定子的磁通不为零，此时，感应的电势不为零，有少量输出电压与功率；如果励磁绕组通入反向励磁电流-Ie，即电励磁绕组
产生的极性与永磁极性相反，则HESG形成对称P极的磁场。
进一步地，上述的电动汽车用复合励磁永磁同步发电机，其中，所述
内置式v型磁钢为分段式结构，与v型整体磁钢相比，每段磁钢质量仅为
整体磁钢1/3，大幅度减小发电机高速运行时对磁钢槽的应力和离心力，
有利于发电机高速运行。
更进一步地，上述的电动汽车用复合励磁永磁同步发电机，其中，所
述内置式V型磁钢间的极靴设置有孔穴，所述孔穴中填充树脂，减轻转子 重量和应力，避免转子高速变形。
更进一步地，上述的电动汽车用复合励磁永磁同步发电机，其中，所 述内置式V型磁钢间的极靴中心径向开槽，形成极靴槽，极靴槽中填充非 磁性良导体(铜条)，负载突然增加时，在铜导体上产生涡流，阻碍磁通 上升，抑制静态、动态电枢反应，避免磁钢去磁危险，改善输出电压波形， 提高气隙磁密，提高输出功率。
再进一步地，上述的电动汽车用复合励磁永磁同步发电机，所述转子 同时带有直流励磁绕组和内置式V型永磁，功率密度和可靠性高，但内置 式永磁磁场的非线性和漏磁增加，为减小漏磁，内置式V型磁钢两端设置 隔磁槽，减少漏磁，减少铁心损耗，提高气隙磁密25%、过载能力和输出 功率，使HESG能高功率密度、高速、高精度、小型轻量化平稳运行。
本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在
① 本发明辅助励磁绕组与内置式V型永磁磁极间有良好的导磁通道，
励磁磁通小e很方便通过气隙，直流励磁调压性能优良；
② 本发明转子同时带有直流励磁绕组和内置式v型永磁，辅助电励磁
部分与永磁部分共用一套定子铁心(电枢)，结构紧凑，功率密度和可靠
性高；直流励磁绕组通入正反向励磁电流时其感应电势应与永磁磁场感应 的电势相加减，实现输出端电压高效节能、高精度调节；③本发明转子内采用分段磁钢、极靴内设置树脂填充的孔穴、开极靴 槽、开隔磁槽等措施，有利于发电机高效、高速运行，既具有永磁同步发 电机的优点，又方便的解决了永磁发电机的电压调节问题，同时具备永磁 体励磁和电励磁两种励磁方式；
体积小、结构简单和运行可靠，电励磁部分损耗小，具有永磁发电 机高效节能的特点，通过调节电励磁部分来调节磁通，达到了调压的目的，
过载能力强、负载范围宽、输出功率可调；与传统的发电机相比，性能指 标显著提高。该发电机电压调整率小，并可全自动调压，具有接近水平的 外特性。
下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明
图l:电动汽车用复合励磁永磁同步发电机(HESG)原理示意图； 图2:电动汽车用复合励磁永磁同步发电机永磁转子原理示意图； 图3:电动汽车用复合励磁永磁同步发电机外特性示意图； 图4:带V型分段(6段)磁钢和极靴孔穴的电动汽车用HESG剖面
图5:带V型分段(6段)磁钢和极靴槽的电动汽车用HESG剖面图; 图6:复合励磁永磁同步发电机感应电势曲线。 图中各附图标记的含义见下表
附图 标记含义附图 标记含义附图 标记含义
1定子2定子磁轭3定子槽
4定子齿5气隙6内置式V型磁钢
6a内置式v型分段磁 钢7辅助电励磁绕组8转子铁心
9转轴10铁心极11极靴附图 标记含义附图 标记含义附图 标记含义
12导磁桥13孔穴14隔磁槽
15极靴槽小m永磁磁通小e电励磁磁通
AO电励磁电流为IN时 的外特性曲线Al电励磁电流为Imax 时的外特性曲线A2电励磁电流为Ii 时的外特性曲线
E0空载感应电势Ie电励磁电流
具体实施例方式
如图1所示，电动汽车用复合励磁永磁同步发电机(HESG)，电机包 括机壳和机壳内的定子和转子，定子包括固定在机壳内壁的定子铁芯1和 定子绕组，定子铁芯包括定子磁轭2、定子槽3和定子齿4，转子包括转 轴9和转子铁芯8，定转子间形成气隙5，其中，转子铁芯内圆周方向设 有辅助电励磁绕组7和内置式V型磁钢6。两者磁路各自独立，共用一套 定子铁芯(电枢)。电枢感应电势由永磁体和辅助电励磁绕组共同产生， 调节电励磁绕组中直流励磁电流的大小与方向，可方便调节气隙磁场，保 持其端电压恒定，达到输出端电压高效节能、高精度调节的目的。V型内 置式磁钢有显著的聚磁效应，可增加输出电压8%。当原动机的转速、负 载或环境温度等条件发生变化时，HESG的端电压也随之变化。要保持其 端电压恒定，需在辅助电励磁调节器的作用下给励磁绕组7通入直流励磁 电流If来调节气隙磁场，保持其端电压恒定；当励磁电流建立的磁场极性 与永磁磁场极性相同时为正向励磁，相反时为反向励磁；即通入正向励磁 电流时其磁场在定子绕组感应的电势应与永磁磁场感应的电势相加，通入 反向励磁电流时其感应电势应与永磁磁场感应的电势相减，达到输出端电 压高效节能、高精度调节的目的。
内置式V型磁钢6与极靴构成永磁极，辅助电励磁绕组7与该绕组间 的铁心构成励磁极，相邻反极性的磁极不是自身励磁或者设置磁钢构成，而是磁通回路在转子铁芯8形成的铁心极10。通过电励磁绕组通入正反向 直流励磁电流时其感应电势与永磁磁场感应的电势相加减，来调节发电机 输出端电压。图2中(f)m和(J)e分别为永磁磁通和辅助电励磁磁通，箭头方向 为磁通路径走向。实际极数和电机特性，取决于辅助电励磁绕组7产生的 励磁极的励磁方式设发电机极数为2P，则励磁极数为P/2，永磁极数为 P/2;如果辅助电励磁绕组7通入正向励磁电流+Ie，即如图2所示，电励
磁绕组产生的极性与永磁极性相同，则HESG形成对称2P极的磁场，励 磁磁场在定子绕组感应的电势应与永磁磁场感应的电势相加，输出电压与 功率最大；如果励磁绕组不励磁，Ie=0，则HESG形成非对称P极的磁场， 通过定子的磁通不为零，此时，感应的电势不为零，有少量输出电压与功 率；如果励磁绕组通入反向励磁电流-Ie，即电励磁绕组产生的极性与永磁 极性相反，则HESG形成对称P极的磁场。
辅助电励磁绕组之间的铁心段和铁心极10径向截面积优化，在发电 机小型轻量化设计原则下，控制转子铁心磁路饱和程度，使励磁磁通和永 磁磁通形成良好的磁回路进行调控输出电压。
HESG在恒定转速下即使无励磁电流，定子绕组也有很小的感应电压。 HESG高速运行时，即使励磁电流为零，也有足够的输出电压和电流，不 需要电励磁或者可显著减小励磁电流，以提高发电机效率。输出电压的调 控，不是传统上的两步控制策略，即平均励磁电流不是通过周期性的通/ 断转换来控制，而是通过调节励磁电流Ie的大小和正反向。
图3示意了电动汽车用复合励磁永磁同步发电机外特性，外特性曲线 A0为额定点(IN， UN)，定子空载感应电势为EQ;当负载电流增加到Imax 時，HESG输出电压要下降，为了保持恒定的输出电压，需要加大电励磁 电流，使感应电势增加到E(H，外特性上移为曲线A1，过(Imax, UN)点； 当负载电流减少到L時，HESG输出电压要增加，为了保持恒定的输出电 压，使电励磁电流反向，此时定子空载感应电势减少为E。2，外特性下移0 lmax变化，通 过调节励磁电流Ie的大小和正反向，保持HESG输出电压Un恒定。
图4示意了带V型分段(6段)磁钢和极靴孔穴的电动汽车用HESG 剖面，图5示意了带V型分段(6段)磁钢和极靴槽的电动汽车用HESG 剖面。d轴为永磁极中心线，q轴为相邻永磁极中心线，极弧角为a，箭头 为分段磁钢磁场方向。内置式V型磁钢6为分段式结构，即永磁转子采用 内置式V型分段磁钢6a,内置式V型相邻分段磁钢之间的铁心构成导磁 桥12，与V型整体磁钢相比，每段磁钢质量仅为整体磁钢1/3，大幅度减 小发电机高速运行时对磁钢槽的应力和离心力。内置式V型磁钢间的极靴 11内设置由高强度树脂填充的孔穴13，进一步减轻转子重量和应力，避免 转子高速变形。永磁转子采用极靴11中心径向开槽，即极靴槽15，极靴 槽15内填充非磁性良导体，非磁性良导体一般选用铜条，负载突然增加 时，在铜导体上产生涡流，阻碍磁通上升，抑制静态、动态电枢反应，避 免磁钢去磁危险，改善输出电压波形，提高气隙磁密，提高输出功率。内 置式V型磁钢6两端设置隔磁槽14，减少漏磁，减少铁心损耗，提高气隙 磁密25%,增加输出功率，使HESG能高功率密度、高速、高精度平稳运 行。
图6为复合励磁永磁同步发电机感应电势曲线，曲线表明通过增加
电励磁电流Ie，感应电势E线性增加，由于铁心饱和，感应电势E曲线逐
渐趋于平坦，直到不再增加。如果增加反向电励磁电流-Ie，则感应电势E 减小，直到HESG最后成为P/2极电机。图6曲线中，M区与N区分别为 永磁磁场与辅助电励磁绕组产生的磁场同向和反向。
综上所述，本发明电动汽车用复合励磁永磁同步发电机(HESG)同 时具备永磁励磁和电励磁两种励磁方式，集永磁同步发电机和电励磁同步 发电机的优点于一体，具有较宽的电压调节能力或宽范围变速恒压出能 力。其气隙磁场可以在转速、负载及环境温度等条件改变时进行调节，维
9持HESG系统输出电压恒定，达到高精度调压的目的。适用于对电压稳定
性要求较高的应用场合，可以作为电动汽车蓄电池动态充电电源、备用电 源或独立供电电源使用，在电动汽车、城市轻轨、电力机车、电动装甲车、 电动坦克、舰艇和航空航天等领域具有广泛的发展与应用前景。
以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限 制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利 保护范围之内。
权利要求
1.电动汽车用复合励磁永磁同步发电机，所述电机包括机壳和机壳内的定子和转子，定子包括固定在机壳内壁的定子铁芯(1)和定子绕组，定子铁芯包括定子磁轭(2)、定子槽(3)和定子齿(4)，转子包括转轴(9)和转子铁芯(8)，其特征在于所述转子铁芯内圆周方向设有辅助电励磁绕组(7)和内置式V型磁钢(6)，所述内置式V型磁钢(6)与极靴构成永磁极，所述辅助电励磁绕组(7)与绕组间的铁心构成励磁极。
2. 根据权利要求1所述的电动汽车用复合励磁永磁同步发电机，其 特征在于所述内置式V型磁钢(6)为分段式结构。
3. 根据权利要求1或2所述的电动汽车用复合励磁永磁同步发电机， 其特征在于所述内置式V型磁钢间的极靴设置有孔穴(13)，所述孔穴(13)中填充树脂。
4. 根据权利要求1或2所述的电动汽车用复合励磁永磁同步发电机， 其特征在于所述内置式V型磁钢间的极靴中心径向开槽，形成极靴槽(15)，极靴槽(15)中填充非磁性良导体。
5. 根据权利要求4所述的电动汽车用复合励磁永磁同步发电机，其 特征在于所述非磁性良导体为铜条。
6. 根据权利要求1或2所述的电动汽车用复合励磁永磁同步发电机， 其特征在于所述内置式V型磁钢两端设置隔磁槽(14)。
全文摘要
本发明涉及电动汽车用复合励磁永磁同步发电机，在转子铁芯内圆周方向设有辅助电励磁绕组和内置式V型磁钢，内置式V型磁钢与极靴构成永磁极，辅助电励磁绕组与绕组间的铁心构成励磁极。由永磁体和辅助电励磁绕组共同产生电枢感应电势，调节电励磁绕组中直流励磁电流的大小与方向，可方便调节气隙磁场，实现输出端电压高效节能、高精度调节；同时，永磁转子采用V型分段磁钢，并在极靴内设置孔穴，以减轻转子重量，避免转子高速变形；极靴中心径向开槽并填充非磁性良导体，V型磁钢两端设置隔磁槽，以抑制静态、动态电枢反应，改善输出电压波形，提高气隙磁密，减少漏磁，提高输出功率；该发电机能高功率密度、高速、高精度平稳运行。
文档编号H02K21/14GK101662197SQ20091003537
公开日2010年3月3日 申请日期2009年9月17日 优先权日2009年9月17日
发明者林德芳, 岗 胡, 胡溢文, 锋 陈 申请人:苏州工业园区美能新能源有限公司;苏州工业园区和鑫电器有限公司