永磁同步電的制造方法
【專利摘要】本發明提供了一種永磁同步電機，該電機包括定子鐵芯、中間轉子、調整轉子、內轉子和磁懸浮軸承，定子鐵芯具有第一齒槽，第一齒槽內設有驅動繞組和控制繞組；中間轉子與第一齒之間具有一定氣隙；中間轉子包括第二齒，第二齒設有第一永磁體；第一永磁體N極朝外S極朝內；調整轉子位于中間轉子內側，中間轉子與調整轉子之間具有一定氣隙，調整轉子包括第三齒，第三齒底端與內轉子相對；第三齒之間設有調整轉子繞組；內轉子位于中間轉子內側，中間轉子與內轉子之間具有一定氣隙，內轉子具有第四齒；第四齒上設有第二永磁體。解決了現有技術中混合動力汽車的動力系統中需要配備兩臺電機導致的整車成本高、動力系統占用內置空間較大的問題。
【專利說明】永磁同步電機
【技術領域】
[0001]本發明涉及電機【技術領域】，特別涉及一種永磁同步電機。
【背景技術】
[0002]現階段，混合動力汽車和電動汽車越來越受人們的青睞。混合動力或電動汽車中需要應用電機。最早采用的是電機單獨驅動的直流電機系統，但是直流電機系統具有質量大、效率低的缺點，而且需要定期維護，故障率也比較高。于是，隨著電子功率技術及數字技術的發展，人們開始應用異步電機、永磁同步電機或開關磁阻電機。其中，永磁同步電機具有較好的可靠性被廣泛應用。
[0003]在混合動力汽車的動力系統中，包括兩個電機，即設置在發動機側與發動機軸相連接的BSG電機(Belt-driven Starter Generator皮帶驅動起動發電機)和設置在后驅動橋側與驅動橋連接的的驅動電機。由于每臺電機都需要配備一臺電機控制器、旋轉變壓器、旋變發送機等傳感器等部件，構成一個電機系統。
[0004]兩套電機就需要配備這樣的電機系統，因此，成本較高，從而導致整車的成本較高。同時，兩套電機組成的動力系統也占用了較大的內置空間。
【發明內容】
[0005]有鑒于此，本發明旨在提出一種永磁同步電機，以解決現有技術中的混合動力汽車的動力系統中需要配備兩臺電機導致整車成本高、動力系統占用內置空間大的問題。
[0006]為達到上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的:
[0007]—種永磁同步電機，所述電機包括圓環狀的定子鐵芯、中間轉子、調整轉子、內轉子和磁懸浮軸承，所述磁懸浮軸承用于對所述中間轉子、調整轉子和內轉子的軸向定位；
[0008]所述定子鐵芯沿徑向向里方向的圓周上具有多個第一齒和由所述多個第一齒隔開的多個第一齒槽，所述第一齒槽內由外向內依次設有驅動繞組和控制繞組；
[0009]所述中間轉子的材質為導磁性材料且設置在所述定子鐵芯內、與所述第一齒之間具有一定氣隙；所述中間轉子包括多個第二齒，所述第二齒的頂端與所述第一齒相對，所述第二齒的底端與所述調整轉子相對；每相鄰的兩個中的一個所述第二齒的頂端上設有第一永磁體；所述第一永磁體N極朝外S極朝內；
[0010]調整轉子位于所述中間轉子內側，所述中間轉子與所述調整轉子之間具有一定氣隙，所述調整轉子包括多個第三齒，所述第三齒的頂端與所述中間轉子的底端相對，所述第三齒的底端與所述內轉子相對；相鄰的兩個所述第三齒之間設有調整轉子繞組；
[0011]所述內轉子位于所述中間轉子內側，所述中間轉子與所述內轉子之間具有一定氣隙，所述內轉子沿徑向向外的方向的圓周上具有多個第四齒；所述第四齒上設有第二永磁體。
[0012]進一步地，所述調整轉子繞組為集中式繞組。
[0013]其中，所述第一永磁體為釹鐵硼。
[0014]優選地，所述控制繞組為集中式繞組。
[0015]進一步地，所述驅動繞組極對數等于2，電角頻率等于I ;
[0016]所述控制繞組極對數等于2，電角頻率等于2 ；
[0017]所述調整轉子繞組包括外側調整繞組和內側調整繞組，所述外側調整繞組的極對數等于1，電角頻率等于3，所述內側調整繞組的極對數等于1，電角頻率等于4。
[0018]其中，所述磁懸浮軸承包括同軸設置的內轉子磁懸浮軸承、調整繞組轉子磁懸浮軸承和中間轉子磁懸浮軸承；所述內轉子磁懸浮軸承用于定位所述內轉子；所述調整繞組轉子磁懸浮軸承用于定位所述調整轉子；所述中間轉子磁懸浮軸承用于定位所述中間轉子。
[0019]優選地，所述定子鐵芯是由鐵磁性材料沖壓而成。
[0020]其中，外側調整繞組為三相對稱繞組。
[0021]進一步地，所述驅動繞組、控制繞組、調整轉子繞組的極對數相等，且同步轉角速度相問。
[0022]相對于現有技術，本發明所述的永磁同步電機具有以下優勢:
[0023]本發明實施例提供的永磁同步電機中，由于定子鐵芯與中間轉子具有一定氣隙并相向，產生能夠使中間轉子旋轉和懸浮的磁場；調整轉子與內轉子具有一定氣隙，并與內轉子相向，因此，調整轉子可以以發電機的形式將內轉子旋轉產生的磁場能進行利用，并且能調節中間轉子的空間懸浮磁場，使中間轉子始終達到懸浮狀態，同時還可以為內轉子提供懸浮磁場，使內轉子旋轉并懸浮起來。該永磁同步電機同時具備現有技術中BSG電機和驅動電機的功能，具體地，在混合動力汽車或電動汽車中應用該永磁同步電機，所述永磁同步電機的中間轉子與發動機的后橋相連，內轉子與發動機的轉軸相連，內轉子實現BSG電機的功能，中間轉子實現驅動電機的功能。
[0024]具體地，為了實現對三轉子電機的徑向懸浮控制，第一齒槽內設有驅動繞組和控制繞組，并且，所述電機中設有調整轉子，通過調節驅動繞組和控制繞組來改變氣隙中合成磁場的分布。由于是三級磁懸浮控制，三級磁懸浮控制指的是所述電機的內轉子、調整轉子、中間轉子均實現磁懸浮控制，在中間轉子和內轉子之間加入了調節氣隙磁場的調整轉子，調整轉子可以將中間轉子和內轉子隔離開來，形成兩個獨立的懸浮單元，增加懸浮磁場的平衡度，但實際上在氣隙磁場中，他們確是互相聯系的同一個整體。分別對控制繞組和調整轉子進行有效的控制，從而控制中間轉子和內轉子所受懸浮力的大小和方向，實現各個轉子的懸浮。
[0025]本發明實施例提供的永磁同步電機，將兩個電機的功能集成在一個電機上，減少了電機在汽車中所占用的空間，同時降低成本；最重要的是該永磁同步電機包括三個轉子，采用磁懸浮技術，無需機械軸承，不產生機械損耗，因此可以適應長時間高轉速的工況，由于采用磁懸浮軸承取代了機械軸承，通過懸浮磁場，保證所述永磁同步電機中轉子的旋轉平衡，通過所述電機的氣隙很容易進行風冷式熱傳導，容易散熱，保證所述電機能夠持續地保持高轉速狀態。
[0026]此外，本發明實施例提供的永磁同步電機中，調整轉子能夠使得所述電機中的調整轉子繞組的相與相之間實現電路、磁路和溫度場的獨立，使得所述電機具有較高的可靠性和帶故障運行能力，例如當所述電機出現過熱、堵轉等情況時，仍然能夠正常運行。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0027]構成本發明的一部分的附圖用來提供對本發明的進一步理解，本發明的示意性實施例及其說明用于解釋本發明，并不構成對本發明的不當限定。在附圖中:
[0028]圖1為本發明實施例所述的永磁同步電機的結構示意圖；
[0029]圖2為本發明實施例所述的永磁同步電機中磁懸浮原理圖；
[0030]圖3為本發明實施例所述的永磁同步電機中的另一個磁懸浮原理圖；
[0031]圖4為本發明實施例所述的永磁同步電機中的又一個磁懸浮原理圖。
[0032]附圖標記說明:
[0033]11-定子鐵芯，111-第一齒，112第一齒槽，113-驅動繞組，114-控制繞組，12-中間轉子，121-第二齒，1211-第一永磁體，13-調整轉子，131-第三齒，1311-調整轉子繞組，14-內轉子，141-第四齒，1411-第二永磁體。
【具體實施方式】
[0034]需要說明的是，在不沖突的情況下，本發明中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。下面將參考附圖并結合實施例來詳細說明本發明。
[0035]參見圖1，本發明實施例提供了一種永磁同步電機，該電機包括圓環狀的定子鐵芯
11、中間轉子12、調整轉子13、內轉子14和磁懸浮軸承(圖中未示出)，所述磁懸浮軸承用于對中間轉子12、調整轉子13的軸向定位；定子鐵芯11沿徑向向里方向的圓周上具有多個第一齒111和由多個第一齒111隔開的多個第一齒槽112,第一齒槽112內由外向內依次設有驅動繞組113和控制繞組114 ;中間轉子12的材質為導磁性材料且設置在定子鐵芯11內、與第一齒111之間具有一定氣隙；中間轉子12包括多個第二齒121,第二齒121的頂端與第一齒111相對，第二齒121的底端與調整轉子13相對；每相鄰的兩個中的一個第二齒121的頂端上設有第一永磁體1211 ;第一永磁體1211N極朝外S極朝內；調整轉子13位于中間轉子12內側，中間轉子12與調整轉子13之間具有一定氣隙，調整轉子13包括多個第三齒131，第三齒131的頂端與中間轉子12的底端相對，第三齒131的底端與內轉子14相對；相鄰的兩個第三齒131之間設有調整轉子繞組1311 ;內轉子14位于中間轉子12內側，中間轉子12與內轉子14之間具有一定氣隙，內轉子14沿徑向向外的方向的圓周上具有多個第四齒141 ;第四齒141上設有第二永磁體1411。
[0036]本發明實施例提供的永磁同步電機中，由于定子鐵芯11與中間轉12子具有一定氣隙并相向，產生能夠使中間轉子12旋轉和懸浮的磁場；調整轉子13與內轉子14具有一定氣隙，并與內轉子14相向，因此，調整轉子13可以以發電機的形式將內轉子14旋轉產生的磁場能進行利用，并且能調節中間轉子12的空間懸浮磁場，使中間轉子12始終達到懸浮狀態，同時還可以為內轉子14提供懸浮磁場，使內轉子14旋轉并懸浮起來。該永磁同步電機同時具備現有技術中BSG電機和驅動電機的功能，具體地，在混合動力汽車或電動汽車中應用該永磁同步電機，所述永磁同步電機的中間轉子12與發動機的后橋相連，內轉子14與發動機的轉軸相連，內轉子14實現BSG電機的功能，中間轉子12實現驅動電機的功能。
[0037]具體地，為了實現對三轉子電機的徑向懸浮控制，第一齒槽內112設有驅動繞組113和控制繞組114，并且，所述電機中設有調整轉子13，通過調節驅動繞組113和控制繞組114來改變氣隙中合成磁場的分布。由于是三級磁懸浮控制，三級磁懸浮控制指的是所述電機的內轉子14、調整轉子13、中間轉子12均實現磁懸浮控制，在中間轉子12和內轉子14之間加入了調節氣隙磁場的調整轉子14，調整轉子13可以將中間轉子12和內轉子14隔離開來，形成兩個獨立的懸浮單元，增加懸浮磁場的平衡度，但實際上在氣隙磁場中，他們確是互相聯系的同一個整體。分別對控制繞組114和調整轉子13進行有效的控制，從而控制中間轉子12和內轉子14所受懸浮力的大小和方向，實現各個轉子的懸浮。
[0038]本發明實施例提供的永磁同步電機，將兩個電機的功能集成在一個電機上，減少了電機在汽車中所占用的空間，同時降低成本；最重要的是該永磁同步電機包括三個轉子，采用磁懸浮技術，無需機械軸承，不產生機械損耗，因此可以適應長時間高轉速的工況，由于采用磁懸浮軸承取代了機械軸承，通過懸浮磁場，保證所述永磁同步電機中轉子的旋轉平衡，通過所述電機的氣隙很容易進行風冷式熱傳導，容易散熱，保證所述電機能夠持續地保持高轉速狀態。
[0039]此外，本發明實施例提供的永磁同步電機中，調整轉子13能夠使得所述電機中的調整轉子繞組1311的相與相之間實現電路、磁路和溫度場的獨立，使得所述電機具有較高的可靠性和帶故障運行能力，例如當所述電機出現過熱、堵轉等情況時，仍然能夠正常運行。
[0040]例如，參見圖2，此時中間轉子0°，虛線回路Ψη表征永磁體磁鏈，回路Ψχ表示在控制繞組114通入電流時所產生的懸浮磁鏈。當中間轉子12的永磁體磁場和控制繞組114磁場相互作用時,原有的電機氣隙磁場發生不對稱分布，圖中A部分對應的磁鏈Ψη和Ψχ方向相同，合成氣隙磁場被增強；對應的區域B部分的Ψη和Ψχ方向相反，合成氣隙磁場減弱，這時中間轉子12上產生了一個垂直向上的徑向磁拉力，從而克服了中間轉子12的重力約束，中間轉子12在旋轉的過程當中懸浮起來。
[0041]當中間轉子12位置角為45°時，與中間轉子12在0°時所述的一樣，只是作為本發明的一個實施例來舉例。控制繞組114產生的磁場與相鄰的兩個中的第二齒121的頂端上設有的第一永磁體1211產生的磁場同時鉸鏈。此處鉸鏈的意思是磁場同時通過兩個以上的磁性材料。在本實施例中，鉸鏈代表的是控制繞組114產生的懸浮磁場與第一永磁體1211產生的磁場功能起作用，磁場方向上的相向和相反，鉸鏈的結果也是使中間轉子12上方產生的磁拉力增強，下方分產生的磁場減弱。只要懸浮磁場足夠大，中間轉子12依然克服了重力，并處于懸浮狀態。因此，雖然中間轉子12在高速旋轉的過程當中，無論中間轉子12旋轉到什么位置，由于中間轉子12的磁阻比較小，所以大部分的懸浮磁鏈只通過中間轉子12的未設有第一永磁體1211的部分，而不經過第一永磁體1211部分。
[0042]因此，本發明實施例提供的永磁同步電機的懸浮控制與電機中的三個轉子旋轉的位置無關。即可與通過傳感器實時跟蹤電機中三個轉子的位置，再配合控制繞組114的懸浮磁場，就可以實現對三轉子電機各個方向的懸浮控制，使電機中的所有轉子在任何位置都能產生懸浮力，懸浮起來。
[0043]參見圖3和圖4,驅動磁場疊加懸浮磁場后,磁場的對稱被打破。如圖3所不,磁場疊加后，左側磁場減弱，右側磁場增強，相應地，所述電機中的轉子右側麥克斯韋張力增強，左側的麥克斯韋張力減弱，從而產生了一個方向向右的徑向合力。如圖4所不,控制磁場與驅動磁場疊加后，由于控制繞組114產生的懸浮磁場與驅動繞組113產生的驅動磁場互相影響，因此電機中轉子上部磁場增強，相應的麥克斯韋張力增強，下部的磁場減弱，相應的麥克斯韋張力減弱，從而產生了方向向上的徑向合力。
[0044]應當清楚:磁路中在不同磁導率的磁介質邊界上形成的磁張力稱為麥克斯韋力，也稱為磁阻力，主要作用表現為徑向磁拉力，該力的作用方向垂直于磁性物質邊界面，麥克斯韋力作用方向垂直于此電機中轉子的表面，假設電機內轉子和中間轉子的氣隙磁場都是對稱均勻分布的，那么合成的麥克斯韋力為零，這時內轉子麥克斯韋力正方向是從轉子指向調整轉子，中間轉子的麥克斯韋力正方向是從轉子指向定子。但是實際由于電機加工或其他原因會造成兩轉子偏心，實際懸浮運行時，定子、轉子位置必定不同心，使得電機中的氣隙磁密不均勻，麥克斯韋合力不為零。
[0045]本發明提供的實施例中，為了更好的實現所述永磁同步電機中內轉子14和中間轉子12的懸浮，必須利用調整轉子13、控制繞組114將氣隙磁場進行合成。通過位移的負反饋控制將麥克斯韋力的負剛度系數變為正剛度。通過實時的檢測所述電機中轉子的位置，主動調節控制繞組114和調節控制繞組114電流的幅值和方向，產生相應的懸浮控制磁場，來改變原有磁場在氣隙中的對稱分布，依靠可控的麥克斯韋力，將所述電機中的轉子在產生轉矩的同時，拉回平衡位置。
[0046]總體而言，本發明提供了一種結構簡單、轉子堅固、可靠性高、高效率、特別適合高速運行的永磁式同步電機。
[0047]上述實施例中，調整轉子繞組1311可以為集中式繞組。調整轉子繞組1311采用集中式繞組，這樣端部較短、損耗較低、效率較高，而且能夠減小所述永磁同步電機的軸向長度，從而提高了功率。
[0048]其中，第一永磁體1211可以為釹鐵硼。優選地，控制繞組114可以為集中式繞組。同樣地，控制繞組114采用集中式繞組，這樣端部較短、損耗較低、效率較高，而且能夠減小所述永磁同步電機的軸向長度，從而提高了功率。
[0049]上述實施例中，可以是驅動繞組113極對數等于2，電角頻率等于I ;控制繞組114極對數等于2，電角頻率等于2 ;調整轉子繞組1311包括外側調整繞組和內側調整繞組，所述外側調整繞組的極對數等于1，電角頻率等于3，所述內側調整繞組的極對數等于1，電角頻率等于4。
[0050]當驅動繞組113極對數Pl = 2，電角頻率ω 1、控制繞組114用來產生磁懸浮力，控制所述永磁同步電機中轉子的徑向懸浮，極對數Ρ2 = 1，電角頻率ω 2 ;所述外側調整繞組和內側調整繞組用于補償懸浮磁場和旋轉的氣隙磁場疊加后所造成的磁場偏移，所述外側調整繞組極對數Ρ3 = 1，電角頻率ω 3、所述內側調整繞組極對數Ρ4 = 1，電角頻率ω4，這樣使得中間轉子12和內轉子14在懸浮磁場當中隔離開來，但是中間轉子12和內轉子14依然共用同一套控制磁場，調整轉子繞組1311起到調整中間轉子12和內轉子14的作用，懸浮在最佳位置。
[0051]上述實施例中，所述磁懸浮軸承可以包括同軸設置的內轉子磁懸浮軸承、調整繞組轉子磁懸浮軸承和中間轉子磁懸浮軸承，其中，所述內轉子磁懸浮軸承用于定位內轉子14 ;所述調整繞組轉子磁懸浮軸承用于定位調整轉子13 ;所述中間轉子磁懸浮軸承用于定位中間轉子12。這樣三個轉子采用三個磁懸浮軸承來定位，當一個磁懸浮軸承發生故障時，不影響其他兩個磁懸浮軸承的工作，還能夠提高三個轉子的定位精確度。
[0052]上述實施例中，定子鐵芯11可以是由鐵磁性材料沖壓而成。鐵磁性材料沖壓成定子鐵芯工藝簡單，操作方便，容易實現。
[0053]其中，所述外側調整繞組可以為三相對稱繞組。優選地，驅動繞組113、控制繞組114、調整轉子繞組1311的極對數相等，且同步轉角速度相同。通過研究得知，只有當驅動繞組113極對數Pl與控制繞組114極對數P2和調整轉子繞組1311極對數P3，滿足Pl =P2±1 = P3時，且同步轉角速度相同時，才能產生控制的徑向懸浮力和調整懸浮力。比如克服重力，通過電機內轉子14徑向位移的負反饋控制，可以控制轉子上的徑向力的大小和方向，從而實現轉子的良好懸浮。
[0054]以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種永磁同步電機，其特征在于，所述電機包括圓環狀的定子鐵芯(11)、中間轉子(12)、調整轉子(13)、內轉子(14)和磁懸浮軸承，所述磁懸浮軸承用于對所述中間轉子(12)、調整轉子(13)和內轉子(14)的軸向定位； 所述定子鐵芯(11)沿徑向向里方向的圓周上具有多個第一齒(111)和由所述多個第一齒(111)隔開的多個第一齒槽(112)，所述第一齒槽(112)內由外向內依次設有驅動繞組(113)和控制繞組(114)； 所述中間轉子(12)的材質為導磁性材料且設置在所述定子鐵芯(11)內、與所述第一齒(111)之間具有一定氣隙；所述中間轉子(12)包括多個第二齒(121)，所述第二齒(121)的頂端與所述第一齒(111)相對，所述第二齒(121)的底端與所述調整轉子(13)相對；每相鄰的兩個中的一個所述第二齒(121)的頂端上設有第一永磁體(1211);所述第一永磁體(1211) N極朝外S極朝內； 所述調整轉子(13)位于所述中間轉子(12)內側，所述中間轉子(12)與所述調整轉子(13)之間具有一定氣隙，所述調整轉子(13)包括多個第三齒(131)，所述第三齒(131)的頂端與所述中間轉子(12)的底端相對，所述第三齒(131)的底端與所述內轉子(14)相對；相鄰的兩個所述第三齒(131)之間設有調整轉子繞組(1311)； 所述內轉子(14)位于所述中間轉子(12)內側，所述中間轉子(12)與所述內轉子(14)之間具有一定氣隙，所述內轉子(14)沿徑向向外的方向的圓周上具有多個第四齒(141)；所述第四齒(141)上設有第二永磁體(1411)。
2.根據權利要求1所述的永磁同步電機，其特征在于，所述調整轉子繞組(1311)為集中式繞組。
3.根據權利要求1所述的永磁同步電機，其特征在于，所述第一永磁體(1211)為釹鐵硼。
4.根據權利要求1所述的永磁同步電機，其特征在于，所述控制繞組(114)為集中式繞組。
5.根據權利要求1所述的永磁同步電機，其特征在于，所述驅動繞組(113)極對數等于2，電角頻率等于I ; 所述控制繞組(114)極對數等于2，電角頻率等于2 ； 所述調整轉子繞組(1311)包括外側調整繞組和內側調整繞組，所述外側調整繞組的極對數等于1，電角頻率等于3，所述內側調整繞組的極對數等于1，電角頻率等于4。
6.根據權利要求1所述的永磁同步電機，其特征在于，所述磁懸浮軸承包括同軸設置的內轉子磁懸浮軸承、調整繞組轉子磁懸浮軸承和中間轉子磁懸浮軸承；所述內轉子磁懸浮軸承用于定位所述內轉子(14);所述調整繞組轉子磁懸浮軸承用于定位所述調整轉子(13);所述中間轉子磁懸浮軸承用于定位所述中間轉子(12)。
7.根據權利要求1所述的永磁同步電機，其特征在于，所述定子鐵芯(11)是由鐵磁性材料沖壓而成。
8.根據權利要求5所述的永磁同步電機，其特征在于，所述外側調整繞組為三相對稱繞組。
9.根據權利要求1所述的永磁同步電機，其特征在于，所述驅動繞組(113)、控制繞組(114)、調整轉子繞組(1311)的極對數相等，且同步轉角速度相同。
【文檔編號】H02K1/14GK104242577SQ201410507943
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月28日 優先權日:2014年9月28日
【發明者】劉寧, 安振, 徐亮, 王海洋, 馬夢潔, 鄧立軍, 魏松, 孟偉, 顏廣博, 翁浩宇 申請人:長城汽車股份有限公司