一种Halbach阵列混合永磁定子双分区电机的制作方法

本发明涉及电机本体设计技术领域，尤其设计一种halbach阵列混合永磁定子双分区电机。

背景技术：

作为电动汽车的关键部件，电动机的性能对整个驱动系统有着重要影响。针对电动汽车应用特点，其驱动电机应具有较大的转矩输出能力、较高的效率及较宽调速范围。

目前永磁磁通切换电机由于其高转矩密度、高效率、高鲁棒转子结构而受到关注。该结构本质上是一类定子永磁式电机，转子上无绕组及永磁体，绕组和永磁体均位于定子上，由于定子上永磁体聚磁效应使得电机具有高气隙磁密，可实现较大转矩输出能力，具有良好的应用前景。同时，也由于永磁体和绕组放置在电机内同一部件即定子上，使得：1.输出转矩方面：减少了绕组放置空间，限制了电机转矩输出能力的进一步提高。2.电机安装方面：由于永磁磁通切换电机和双凸极定子永磁电机的定子铁心由离散多块组成，增加了电机加工安装的难度。3.其他性能：定子永磁式电机的定子磁场饱和程度较大，降低了电机过载能力，且该结构将增加定子上绕组和永磁体的温升，严重时会引起绕组绝缘损坏及永磁体不可逆退磁。

因此，z.q.zhu（诸自强）教授等人于2015年在ieeetransactionsonmagnetics的51卷第4期的论文《novelelectricalmachineshavingseparatepmexcitationstator》和51卷第5期中的论文《noveldoublysalientpermanentmagnetmachineswithpartitionedstatorandironpiecesrotor》提出了采用定子分区的定子永磁电机结构，其电枢绕组位于外区定子上，永磁体位于内区定子上，解决了电枢绕组和永磁体的空间冲突，并缓解了定子温升，提高了永磁体工作稳定性。

然而，由于定子分区永磁电机中，在两分区定子与转子间存在两个气隙，相比较原有单气隙定子永磁式电机，其气隙磁密和相等电负荷下的输出转矩均有所削弱，尽管可通过提高电机中的电负荷来提高转矩输出，其效率也相对下降了。因此，对于定子分区电机，如何提高定子分区永磁电机的永磁气隙磁密和效率是需要关注的问题。

技术实现要素：

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种具有高转矩密度及高效率的halbach阵列混合永磁定子双分区电机结构，提高常规定子分区永磁电机的空载气隙磁密，适用于电动汽车驱动领域。

技术方案：本发明提供了一种halbach阵列混合永磁定子双分区电机，包括同心布置的内区定子、环绕内区定子的中间转子和环绕中间转子的外区定子；

所述外区定子与中间转子之间设置有外气隙，所述内区定子与中间转子之间设置有内气隙；

内区定子包括内区定子铁心、设于内区定子铁心外壁上的永磁体以及设置于永磁体上的脉冲磁化绕组；所述中间转子包括沿圆周方向交错排列的导磁块和绝缘块；外区定子包括外区定子铁心和设于外区定子铁心上的m相电枢绕组；

所述内分区定子、外分区定子与电机外壳固定连接，所述中间转子通过转子支架与电机输出轴固定连接。

进一步地，所述外区定子铁心包括外区定子轭和ps个沿着外区定子轭内圆周均匀凸出的外区定子齿，任意相邻两个外区定子齿之间形成一个外区定子槽，所述m相电枢绕组分布于所述ps个外区定子槽内，且其绕制于外区定子齿上，满足ps=6n，其中n为正整数。

进一步地，所述中间转子由q块导磁块和q块绝缘块沿圆周方向交错排列，且满足2q=ps±2k，其中k为正整数。

进一步地，所述设于内区定子铁心外壁上的永磁体包括扇环形钕铁硼永磁体和扇环形铝镍钴永磁体且以halbach阵列布置；所述内区定子铁心的外圆周均匀放置ps块扇环形钕铁硼永磁体，所述钕铁硼永磁体内弧面与内区定子铁心外圈紧密贴合在一起，ps块钕铁硼永磁体在圆周方向不直接相连，形成扇环形间隙，在间隙内嵌入所述扇环形铝镍钴永磁体，扇环形铝镍钴永磁体两侧面分别与钕铁硼永磁体的两侧面紧密贴合在一起。

进一步地，所述扇环形铝镍钴永磁体径向内径大于所述扇环形钕铁硼永磁体径向内径，所述扇环形铝镍钴永磁体径向外径小于所述扇环形钕铁硼永磁体径向外径；在每块铝镍钴永磁体径向两侧形成2个内区定子槽，所述脉冲磁化绕组放置于内区定子槽内且绕在所述铝镍钴永磁体上。

进一步地，所述钕铁硼永磁体采用稀土钕铁硼永磁材料，ps块钕铁硼永磁体充磁方向沿径向交替变化，且其径向中心线与所述外区定子齿径向中心线重合。

进一步地，所述铝镍钴永磁体采用铝镍钴永磁材料，ps块铝镍钴永磁体充磁方向沿切向交替变化，其径向中心线与外区定子槽径向中心线重合。

进一步地，所述脉冲磁化绕组为集中绕组，所述多个脉冲磁化绕组集中绕组线圈串联形成单相脉冲绕组，且为其施加短时脉冲电流。

有益效果：

1、本发明在常规定子分区电机结构基础上，在内区定子上采用包含钕铁硼永磁体和铝镍钴永磁体的halbach阵列永磁结构，利用halbach阵列永磁结构的聚磁和弱磁效应，及铝镍钴永磁体能被短时脉冲电流充、去磁并“记忆”住其磁密的特点，可实现：在低速时运行于聚磁模式，此时铝镍钴永磁体完全正向充磁，永磁体外侧气隙主磁场得到增强，内侧气隙磁场被削弱，不仅可提高电机气隙磁密和转矩输出能力，还可减小内区定子铁心的铁耗，从而增加了低速运行时电机的效率；在高速时运行于弱磁模式，此时铝镍钴永磁体完全反向充磁，永磁体内侧气隙磁场得到增强，外侧气隙主磁场被削弱，不仅减小气隙磁密，增加了电机的调速范围，而且由于通过对永磁磁场的调节进行弱磁，从而降低了弱磁电流及相应产生的铜耗，因此提高了高速运行时电机的效率。

2、由于本发明电机采用了定子永磁型结构，钕铁硼永磁体、铝镍钴永磁体以及脉冲磁化绕组均置于内分区定子上，而电枢绕组置于外区定子上，实现了电枢绕组和永磁体的分离，更易于电机的散热、冷却。

3、本发明电机所采用的中间转子结构简单，既无永磁材料，也无绕组，仅由导磁块和绝缘块交替构成，特别适用于高速运行。

附图说明

图1为本发明halbach阵列混合永磁定子双分区电机径向截面结构示意图；

图2为本发明外区定子径向截面图；

图3为本发明中铝镍钴永磁体正向磁化时内区定子示意图；

图4为本发明中铝镍钴永磁体反向磁化时内区定子示意图；

图5(a)为铝镍钴永磁体正向磁化时永磁磁场“增磁”原理图；图5(b)是铝镍钴永磁体反向磁化时永磁磁场“弱磁”原理图；

图6(a)是有限元仿真的铝镍钴永磁体正向磁化时电机空载磁场分布；图6(b)是有限元仿真的铝镍钴永磁体反向磁化时电机空载磁场分布；

图7(a)及(b)分别是有限元仿真的铝镍钴永磁体正向磁化时电机空载内、外气隙磁密波形；图7(c)及(d)分别是有限元仿真的铝镍钴永磁体反向磁化时电机空载内、外气隙磁密波形。

其中：1、外区定子，1-1、外区定子铁心，1-2、电枢绕组，1-3、外区定子磁轭，1-4、外区定子齿，1-5、外区定子槽，2、中间转子，2-1、导磁块，2-2、绝缘块，3、内区定子，3-1、内区定子铁心，3-2、钕铁硼永磁体，3-3、铝镍钴永磁体，3-4、脉冲磁化绕组，3-5内区定子槽。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的介绍。

以图1所示的3相外区定子12槽/中间转子10极/内区定子12极定子分区电机为例，具体说明本发明的技术方案。

本发明的电机包括同心布置的内区定子3、环绕内区定子3的中间转子2和环绕中间转子2的外区定子1。如图1所示，外区定子1与中间转子2之间设置有外气隙，内区定子3与中间转子2之间设置有内气隙。

内区定子3包括内区定子铁心3-1、设于内区定子铁心上的永磁体和脉冲磁化绕组3-4，中间转子2包括转子支架、导磁块2-1和绝缘块2-2，外区定子1包括由外区定子铁心1-1和设于外区定子铁心1-1上的m相电枢绕组1-2；内分区定子3、外分区定子1与电机外壳固定连接，中间转子2通过转子支架与电机输出轴固定连接。

参见图2，外区定子铁心1-1包括外区定子轭1-3和ps个沿着外区定子轭1-3内圆周均匀凸出的外区定子齿1-4，任意相邻两个外区定子齿1-4之间形成一个外区定子槽1-5，m相电枢绕组1-2分布于所述ps个外区定子槽1-5内，且所述m相电枢绕组1-2分别绕制于外区定子齿1-4，满足ps=6n，其中n为正整数。

中间转子2由q块导磁块2-1和q块绝缘块2-2沿圆周方向交错排列，且满足2q=ps±2k，其中k为正整数。

参见图3和图4，内区定子铁心3-1为圆环形，在内区定子铁心3-1的外圈沿圆周均匀放置ps块扇环形钕铁硼永磁体3-2，钕铁硼永磁体3-2内弧面与内区定子铁心3-1外圈紧密贴合在一起。ps块钕铁硼永磁体3-2在圆周方向不直接相连，形成扇环形间隙，在间隙内嵌入扇环形铝镍钴永磁体3-3。扇环形铝镍钴永磁体3-3的两个侧面与钕铁硼永磁体3-2紧密贴合在一起，扇环形铝镍钴永磁体3-3径向内径大于扇环形钕铁硼永磁体3-2径向内径，扇环形铝镍钴永磁体3-3径向外径小于扇环形钕铁硼永磁体3-2径向外径，在每块铝镍钴永磁体3-3径向两侧形成2个内区定子槽3-5，在内区定子槽3-5放置脉冲磁化绕组3-4并绕在铝镍钴永磁体3-3上。

钕铁硼永磁体3-2采用稀土钕铁硼永磁材料，ps块钕铁硼永磁体3-2充磁方向沿径向交替变化，且其中心线与外区定子齿1-4中心线对齐，两者在同一直线上。铝镍钴永磁体3-3采用铝镍钴永磁材料，ps块铝镍钴永磁体3-3充磁方向沿切向交替变化，其中心线与外区定子槽1-5中心线对齐，两者在同一直线上。由于铝镍钴永磁材料具有矫顽力低的特点，采用铸造型制造工艺，温度稳定性高，且能被短时脉冲电流充、去磁，并“记忆”住其磁密水平，可实现电机气隙磁密灵活调节。

脉冲磁化绕组3-4为集中绕组，ps个脉冲磁化绕组3-4集中绕组线圈串联形成单相脉冲绕组，脉冲绕组施加短时脉冲电流，以改变铝镍钴永磁体3-3的磁化水平和磁化方向来调节电机的气隙磁场。图3所示为铝镍钴永磁体3-3被短时脉冲电流正向充磁时，内区定子上永磁体磁化方向示意图。图4所示为铝镍钴永磁体3-3被短时脉冲电流反向充磁时，内区定子上永磁体磁化方向示意图。

参见图5为本发明电机磁场调节原理图，其中铝镍钴永磁体3-3产生的磁链方向用虚线表示，钕铁硼永磁体3-2产生的磁链用实线表示。

如图5（a）为“低速增磁增矩”模式，此时铝镍钴永磁体3-3完全正向磁化，铝镍钴永磁体3-3与钕铁硼永磁体3-2产生的磁链在永磁体外侧经过内外气隙、中间转子2的导磁块2-1及外区定子铁心1-1形成的主磁路时方向相同，而在永磁体内侧流经内区定子铁心3-1时方向相反，因此铝镍钴永磁体3-3与钕铁硼永磁体3-2在永磁体外侧的磁场相互叠加实现主磁场增磁，而在永磁体内侧相互削弱实现弱磁，此时电机具有较大的气隙磁密，适用于低速大转矩工况，同时降低了内区定子的铁耗，提高低速运行时电机的效率。

图5（b）所示为“高速弱磁调速”模式，此时铝镍钴永磁体3-3完全反向磁化，铝镍钴永磁体3-3与钕铁硼永磁体3-2产生的磁链在永磁体外侧经过内外气隙、中间转子导磁块2-1及外区定子铁心1-1形成的主磁路时方向相反，而在永磁体内侧流经内区定子铁心3-1时方向相同，因此铝镍钴永磁体3-3与钕铁硼永磁体3-2在永磁体外侧的主磁场相互削弱实现弱磁，从而实现拓宽电机调速范围的目的，而且由于通过对永磁磁场的调节进行弱磁，从而降低了弱磁电流及相应产生的铜耗，因此也提高了高速运行时电机的效率。

图6与图7所示为有限元仿真的本发明电机在铝镍钴永磁体3-3完全正、反向磁化时空载磁场分布情况。图6（a）和图6（b）中磁力线分布图分别与图5（a）和图5（b）所示磁场分布原理图相符，图7（a）、图7（b）、图7（c）和图7（d）显示了铝镍钴永磁体3-3完全正、反向磁化时内、外气隙磁密显著的变化，说明本发明电机增磁及弱磁能力强，可实现低速大转矩、高速宽调速范围和高效率的性能要求，适用于电动汽车领域。

上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。