电动汽车用分裂式组合型永磁无刷电机的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种永磁同步电机，属于电机制造及控制领域，特指一种适合于牵引混合动力汽车、电动汽车等应用场合需要宽调速、高效率、高功率密度等驱动性能要求的永磁无刷电机。
【背景技术】
[0002]随着永磁体性能的提升，以钕铁硼为主的稀土永磁电机，由于具有高功率密度、高效率等优点已经在混合动力汽车、电动汽车等领域取得了广泛应用。近年来稀土矿产的过度开采不仅使稀土储备量大幅下降，而且对生态环境造成了严重破坏。为了保护稀土资源以及稀土永磁需求量的增加导致了稀土永磁价格的飙升，稀土永磁电机市场也受到了巨大冲击，因此，出现了非稀土或少稀土永磁电机。
[0003]就技术层面而言，非稀土类电机可以分为两类。一类是不采用永磁材料的非永磁类电机，如直流电机、感应电机、开关磁阻电机等。由于直流电机转子上的电枢绕组需要通过集电环和电刷与外部电路相连，当电机高速旋转时，集电环和电刷之间会产生火花和磨损，在电动汽车领域的应用已相对较少。感应电机结构简单，造价相对较低、运行可靠，但是其功率密度、效率、功率因数等相对较低。开关磁阻电机结构简单，价格便宜且调速范围较宽，但是其双凸极的结构造成了较大的转矩脉动和运行噪声。另一类电机仍属于永磁电机的范畴，但这类电机采用了铁氧体、铝镍钴等非稀土永磁材料。铁氧体永磁材料价格低廉，仅为稀土永磁材料的十分之一左右。但由于铁氧体永磁的磁能积较低，直接使用铁氧体材永磁代替稀土永磁励磁，电机的功率密度会明显下降，难以满足电动汽车应用的要求。文南犬“Performance of PMASynRM with ferrite magnets for EV/HEV applicat1nsconsidering productivity，，中(公开发表于 2014 年 IEEE Transact1ns on Industry.Applicat1ns 50卷，4期，2427-2435页)，在同步磁阻电机中加入铁氧体永磁形成了永磁助磁式同步磁阻电机。该电机同时利用了磁阻转矩和永磁转矩，有效提高了电机的转矩密度。但是，由于磁阻转矩占输出转矩的主要部分，永磁助磁式同步磁阻电机的转矩脉动车交大。文南犬“Rotor structure in 50kff spoke-type inter1r permanent magnetsynchronous motor with ferrite permanent magnets for automotive applicat1ns，，中(公开发表于 2013 年 IEEE Energy Convers1n Congress and Exposit1n，606-613 页)，通过在传统轮辐状铁氧体电机转子中增加气隙，利用磁阻转矩提高了电机的功率密度，但是转子的机械强度也因此降低，高速运行时存在风险。为了保证一定的功率密度，铁氧体永磁电机一般需要采用大量的铁氧体永磁材料，这会导致电机的直轴电感降低，从而影响电机的弱磁升速能力，不适合电机的高速运行。
[0004]因此，如何在减少稀土永磁用量的同时保证电机的高功率密度和宽调速范围的性能是目前永磁电机领域需要解决或突破的技术难点。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提出一种同时使用铁氧体永磁材料和钕铁硼永磁材料作为励磁源，既具有较高的功率密度又有较宽的调速范围的电动汽车用分裂式组合型永磁无刷电机。
[0006]为实现上述目的，本发明采用的技术方案是:本发明包括定子、转子和转轴，转子同轴位于定子内部，转子中心是转轴，定子内壁和转子外壁之间具有气隙，转子的每个极上固定镶嵌有一块矩形的钕铁硼永磁磁钢和两块相同的矩形的铁氧体永磁磁钢，钕铁硼永磁磁钢靠近气隙且相对于转子极中心线对称，两块铁氧体永磁磁钢靠近转轴并分布在转子极中心线的两侧且相对于极中心线对称，在两块铁氧体永磁磁钢之间是导磁桥，导磁桥与两块铁氧体永磁磁钢之间无缝固定连接；同一极上的导磁桥的径向中心线与钕铁硼永磁磁钢的径向中心线重合，同一极上的钕铁硼永磁磁钢内端无缝固定连接导磁桥的外端；转子的每个极上的一块矩形的钕铁硼永磁磁钢和两块矩形的铁氧体永磁磁钢都沿圆周的切向方向充磁，同一极上的一块矩形的钕铁硼永磁磁钢和两块矩形的铁氧体永磁磁钢的充磁方向相同，相邻两极上的一块矩形的钕铁硼永磁磁钢和两块矩形的铁氧体永磁磁钢的充磁方向相反。
[0007]钕铁硼永磁磁钢沿充磁方向的厚度是Wi，铁氧体永磁磁钢沿充磁方向的厚度是w2，导磁桥的厚度是w4，钕铁硼永磁磁钢3沿转子径向的宽度是hp铁氧体永磁磁钢沿转子径向的宽度是 h2，W1:w2= 1: 1.5、h 丨:h2= 1:3.7、w 4:w2= 1:1.5。
[0008]导磁桥外端面与其两侧的两块铁氧体永磁磁钢外端面平齐。
[0009]在不同极上的相邻两个铁氧体永磁磁钢的内端之间嵌有非导磁材料块或者是在其间留有气隙。
[0010]本发明采用上述技术方案后具有的有益效果是:
[0011]1、本发明电机的转子同时采用了稀土永磁和非稀土铁氧体永磁两种不同类型的材料，且非稀土永磁材料用量占总永磁用量(稀土和非稀土)的60%以上，在确保少稀土永磁电机的功率密度和转矩密度的基础上，成本降低50%以上，能在具备较高的功率密度和转矩密度的前提下满足电动汽车应用场合对转矩和功率的要求，
[0012]2、本发明电机永磁材料用量和电机电感等直接决定了电机的转矩密度、弱磁能力以及调速范围等关键性能指标。在电机的每一极上，沿半径方向由内至外分别嵌有两块分裂式并排放置的铁氧体永磁体和一块稀土永磁体，铁氧体永磁体和稀土永磁体的厚度在尺寸上按1.5:1、宽度在尺寸上按3.7:1进行设计，确保了电机在中低速区的功率密度和转矩密度，有效提高了高速区的弱磁能力，有利于电动汽车的高速巡航能力。
[0013]3、本发明电机中非稀土铁氧体永磁体采用了两块铁氧体分裂式并排放置的结构，且两块铁氧体的厚度可以相等或不等，但分裂式结构两块铁氧体之间的硅钢片导磁块厚度与铁氧体的厚度之间满足1:1.5，两块铁氧体产生的磁通通过硅钢片导磁块串联，该放置方式有效减小了弱磁回路的磁阻，增大了电机的直轴电感，进一步增强了电机的弱磁升速能力，并降低了永磁体涡流损耗。
[0014]4、本发明电机采用两块分裂的铁氧体永磁与一块稀土永磁组合励磁，稀土永磁产生的磁通与两块铁氧体永磁产生的串联磁通相并联，保持铁氧体永磁的厚度不变，增加稀土永磁的厚度，能有效提高铁氧体永磁的工作点，防止了铁氧体永磁的不可逆去磁，由于稀土永磁的厚度较小，磁阻小，大量的弱磁磁通会经过稀土永磁，从而提升了铁氧体永磁的抗去磁能力。
[0015]5、本发明电机的转子米用轮福状结构，永磁磁钢沿圆周切向方向交替充磁，利用“聚磁效益”有效提高了永磁材料的利用率和转矩密度。转子整体结构上采用了分块模块化的部件结构，有效降低了转子铁心的涡流损耗和铁耗，模块化转子分块结构，简化了安装难度。
[0016]6、本发明电机的定子采用模块化分数槽集中式绕组，绕组分相按“AABBCC”进行模块化分相，提高了电机绕组因数，降低了电机反电势谐波，能减小电机运行过程中的转矩脉动。
【附图说明】
[0017]图1是本发明电动汽车用分裂式组合型永磁无刷电机的径向截面结构示意图；
[0018]图2是本发明的机械装配轴向图；
[0019]图3是图1中转子局部结构放大示意图以及永磁磁钢充磁示意图；
[0020]图4是图1中定子结构示意图及三相绕组分布图；
[0021]图5是图4中定子电枢绕组的连接方式示意图；
[0022]图6是本发明中永磁磁钢的磁通示意图；
[0023]图7是本发明空载磁场分布图；
[0024]图8是图1中转子上的直轴、交轴示意图；
[0025]图9是图1中永磁磁钢的结构和几何尺寸标注放大示意图；
[0026]图10是传统轮辐状铁氧体永磁同步电机径向截面结构示意图；
[0027]图11是本发明和传统轮辐状铁氧体永磁同步电机的转矩随转速变化比较图；
[0028]图12是本发明和传统轮辐状铁氧体永磁同步电机的功率随转速变化比较图。
[0029]图中:1.定子；2.转子；3.钕铁硼永磁磁钢；4.铁氧体永磁磁钢；5.圆形定位孔；6.非导磁材料块；7.端盖；8.转轴；9.机座；10.定子轭；11.定子齿；12.电枢绕组；13.定子槽；14.导磁桥。
【具体实施方式】
[0030]参见图1、图2和图3，本发明包括定子1、转子2、转轴8和端盖7，定子1和端盖7固定连接在一起，端盖7固定安装在机座9上。转子2同轴位于定子1内部，转子2的中心有开槽，用于安放转轴8，转子2由转轴8带动旋转。定子1和转子2都是由0.35mm厚度的硅钢片叠压而成，叠压系数为0.95，转轴8是由不导磁材料组成。定子1内壁和转子2外壁之间具有气隙，气隙的厚度与电机的功率等级、所选取的永磁材料以及定子1、转子2加工和装配工艺有关。
[0031]转子2的每个极上都固定镶嵌有一块矩形的钕铁硼永磁磁钢3和两块相同的矩形的铁氧体永磁磁钢4。其中，钕铁硼永磁磁钢3位于转子2靠近气隙的部分且相对于该转子极中心线对称，两块铁氧体永磁磁钢4位于转子2靠近转轴8的部分，并分布在转子极中心线的两侧且相对于极中心线对称。使转子