CN108418486B - 一种永磁控制电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高强度永磁材料制成的永磁控制电机，包括定子、转子和控制电路，所述控制电路为闭环控制电路，包括依次连接的速度控制装置、转矩控制装置、电压矢量控制装置、空间矢量控制装置、逆变控制装置，其中，所述定子磁路中包含了一个磁链矫正电路，所述磁链矫正电路由一个积分器串联一个低通滤波器构成；较小的漏感、永磁体磁链谐波，电机涡流损耗和铁损小，控制精度好，电机转子不抖动，使用寿命长。

Description

一种永磁控制电机

技术领域

本发明专利涉及一种高强度永磁材料制成的永磁控制电机，尤其是特殊工程车中使用的永磁控制电机等。

背景技术

稀土永磁材料在多个领域中成为一种不可替代的基础材料，被广泛应用于发电机、电动机、计算机、汽车、军工、医疗设施、电动工具、办公设备、家用电器等领域，带动着各行业的发展。

现有技术中关于具有高性能的稀土永磁材料及其制备的方法和用该材料制成的电动机、发电机以及将发电机、电动机用于汽车、军工、医疗设施、电动工具、家用电器等领域非常常见。在现有专利中公开过一种稀土永磁材料的制备方法，热压热变形的方法是一种制备高尺寸精度、高性能永磁材料的方法，其主要制备工艺包括永磁粉末的制备，在一定温度下压制形成热压磁体，以及对该热压磁体进行热变形形成热变形磁体粉末。在整个工艺中，对永磁粉末、热压热变形工艺等均有非常高的要求，任何一个步骤的不同或者温度的变化都可能对最终产品的性能产生至关重要的影响，导致磁性能发生较大变化以及磁场不均匀等缺陷，用于电机中因为磁场的不均匀导致电机振动大、噪音高以及无法正常运转等情况。同时无法满足高温、长期运行下电机磁性能降低的问题。

中国专利CN104143402A提出一种以PrGaBFe为成分基础的热变形磁体原材料，以提高磁体的剩磁与矫顽力，并使其取向度在0.92以上，进一步提高最终磁体的性能，提出了众多的改进方法，但是仍然在磁场均匀度等方面无法严格控制，用于电机中仍然缺乏大量量产的缺陷。中国专利CN104043834A提出，将NdFeB原料粉末与含Tb、Dy的粉末进行混合，并对该混合后的粉末进行热压热变形；CN102496437A提出一种制备各向异性纳米复合磁体的方法，其中软磁相体积分数为2～40％，来进一步提高永磁材料的剩磁与磁能积；中国专利文献CN104078179A中公开了一种热变形的磁体制备方法，该专利中公开了采用NdFeB原料粉末进行重稀土元素R_H沉淀处理，使重稀土元素附着于粉末表面，以提高最终磁体矫顽力，减少重稀土用量；这种热变形产生的永磁体在高温下仍然失去磁性的可能比较大，并且无法解决磁性均匀，在电机中产生均匀磁场的可能，造成发电机、电动机运行性能不高。

在发电机、电动机中，需要耐热性能好的永磁材料制成的永磁体，所谓永磁体的耐热性是特指其磁性能不因温度的升高而劣化。20世纪90年代初，日本和美国的研究人员分别研发出Nd-Fe-B三元合金，并使用快速淬火的方法制备出商用磁粉，成为第三代稀土永磁材料，这种材料的耐热性能也不能完全长时间适用于电机中。在接近机器发热源的设备上使用钕铁硼磁体，要求随使用温度升高而磁性能不恶化，即剩磁Br不恶化，通常烧结钕铁硼类磁体不能在温度达200℃附近的场合下使用，其居里温度只有320℃左右，且温度系数较大。随着稀土磁体应用范围的不断扩大，如汽车启动电机、马达类产品及集成化CO-ROM对烧结钕铁硼需求范围的扩大，在目前小型化设备下，对高温下磁体的性能提出了更高的要求。

现有技术中发现，少量富Nd的晶界相、少量Tb和Dy的添加以及细化晶粒的工艺均可有效地提高磁体的永磁性能；到目前为止，钕铁硼依然是性能最好的永磁材料之一，但是将稀土粉末与纳米晶钕铁硼磁粉混合，然后进行热压热变形，使稀土粉末对钕铁硼磁粉进行晶界扩散得到高矫顽力仍然无法较好的实现，成本比较高；同样制备具有Nd₂Fe₁₄B晶体结构的铈基永磁，但早期的相关研究成果并不理想。在中国专利CN102779602A，2014年美国通用汽车环球科技运作有限责任公司才研制成功具有商业应用价值的铈基永磁材料，其内禀矫顽力H_ci(以kOe为单位)和剩磁B_r(以kG为单位)的数值总和为9或更高，最大磁能积(BH)_max(以MGOe为单位)的数值达到4.59。

在稀土材料的使用中公开过La部分取代Nd₂Fe₁₄B的Nd或者单独作为稀土原料制备永磁材料的工作一直处于基础研究阶段(Appl.Phys.Lett.47,757)，但截止到现在采用铈基永磁专利公开之时尚未获得具有商业应用价值的材料。由此制成的La₂Fe₁₄B的饱和磁化强度4πM_s和居里温度T_c均高于Ce₂Fe₁₄B，但其各向异性场H_a低于Ce₂Fe₁₄B，更主要的是La₂Fe₁₄B的合成十分困难，根本无法用于发电机、电动机中。

在中国专利CN1557004A中已经记载，包含一种或两种以上的稀土元素的永磁体但是没有公开具体制造工艺，其公开的技术方案中添加了Zr元素，且其涉及的是烧结稀土类永久磁铁领域，因为性能不够好，剩磁、矫顽力及磁性能和价格高等缺陷，仍然没有看到相关的材料在发电机、电动机中应用。更没有相关的技术在电机中对磁材料的改进作为电机转子的部分完成电机正常运行。因此需要对电机进行特定的降温以及有效控制，比如降低负载、过流保护等方式实现电机的温度不达到预定温度，实现磁性稳定。

电机中，永磁材料因为高温造成的磁性改变影响电动机的性能比较常见，尤其是在直线电机、永磁同步电机中，会造成效率低下，噪声大，推力波动大，严重的影响转矩稳定性，因此需要改善电机的结构以及电机中控制电路使得电机运行中能够克服长期、大功率输出时候产生的热量影响永磁材料的磁性能，使得电机的性能发生不稳定的变化，甚至失磁的现象，给电动机、发电机产生巨大影响。

尤其是，永磁控制电机中，电机结构的细微变化，提供了不同的磁通路径，能够影响磁通的变化，产生较多的磁损耗，尤其是满负载长期运行或者电机堵转的情况下，高温能够使得永磁体的磁体结构发生变化，造成失磁或者剩余磁极化强度等发生变化，给电机的运行不稳定、或者振动、噪音等现象。

永磁控制电机的控制中，由于已经设定的控制方式大都是固定不变的，这种设计容易造成电机控制的模式化，不能够适应因为磁性变化造成的电机性能变化，在负载中容易造成控制过度或者失度的问题。同样，现有技术中多相容错永磁控制电机设计中，采用分数槽集中绕组，谐波次数变少，但是幅度值变大，造成电机铁损较大；不能较好的满足永磁控制电机容错能力的要求的同时，提升永磁控制电机性能。

现有的多相永磁控制电机的PWM算法中，虽然提出了矩阵变换的方式来适应电机中永磁体磁性的变化，但是磁性在不同温度以及工作中负载及电流杂感等问题下，仍然无法实现实时追踪，实现线调制与过调制范围内的变化，选择脉宽调制的过程中，要综合考虑输出电压谐波含量、数字实现复杂程度、母线电压利用率等技术指标，这种方式下忽略了永磁控制电机的漏感、永磁体磁链谐波等因素影响，因此出现电流波动大对永磁控制电机控制器件等产生寿命影响，并且造成永磁控制电机运行不稳定。

现有的电机矢量控制中，由于转速闭环系统的设计中，对惯性的滞后环节的跟踪较为困难，并且永磁体磁链中多次谐波导致相电流中含有较大的谐波分量，在矢量控制中产生的损耗变化控制难，转矩不稳定等问题。尤其是施工条件恶劣的大型工程车中，温差变化大、满负载运行，以及多尘、多潮湿等极端天气的情况下，由于磁钢涡流损耗和谐波损耗等问题引起转子过度发热，温升增大，在实际操作中，实际能够升到近130度的现象，为保证施工的连续性，通常需要携带稳定运行的电机，永磁控制电机因受到上述条件影响通常无法适应工程需要，而本申请就是要解决上述问题，给工程用车等提供稳定运行、使用寿命长的永磁控制电机。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种永磁控制电机用永磁材料及其制备方法以及相应特定结构的电机和控制电路，通过整体设计综合解决上面一系列问题，当然其中一环的设计也能够解决现有永磁体、电机、控制电路等环节的问题；具有较高的剩余磁极化强度、高密度和高磁能积，制备工艺简单，操作方便，有效提高了永磁控制电机的机械性能，同时相对较好的导热率从而降低转子温度，延长了永磁控制电机的使用寿命；电机具有较小的漏感、永磁体磁链谐波，电机涡流损耗和铁损小，能够与电机的控制相适应，完成了较好的控制，适应磁性因温度变化，负载变化带来的不利影响，能够较快的完成相应指令，使得永磁控制电机控制流畅，电机转子不抖动。

一种高强度永磁材料制成的永磁控制电机，包括定子、转子和控制电路，其特征在于，所述控制电路为闭环控制电路，包括依次连接的速度控制装置、转矩控制装置、电压矢量控制装置、空间矢量控制装置、逆变控制装置。

从所述逆变控制装置中获取电流/电压变换值提供给定子磁链控制装置，由所述定子磁链控制装置产生的不同控制信号分别被输送至所述速度控制装置、所述转矩控制装置、所述电压矢量控制装置；依据所述永磁控制电机的位置传感器检测的旋转角度获得位置信号并且传送给速度控制器产生角速度；其中，所述定子磁路中包含了一个磁链矫正电路，所述磁链矫正电路由一个积分器串联一个低通滤波器构成。

其特征在于，所述定子磁链控制装置中通过模数转换器获得三相电流和三相电压。

其特征在于，所述转子包括第一永磁体和设置在所述第一永磁体下面的第三永磁体，所述第一永磁体和所述第二永磁体采用不同材料的磁体制成且两者不直接接触。

其特征在于，所述定子采用三路水冷控制，其中水冷第一通道、水冷第二通道、水冷第三通道由内到外依次设置，定子内层绕组的线圈和定子外层绕组的线圈分别设置在所述水冷第一通道和所述水冷第二通道之间，所述内层绕组和所述外层绕组之间间隔有硅钢片。

其特征在于，所述第一永磁体由第一组分熔炼的合金研磨制成的第一合金粉末和第二组分熔炼的合金研磨制成的第二合金粉末，按照质量比为7:3的比例混合烧结制成；所述第三永磁体由所述第一组分熔炼的合金研磨制成的所述第一合金粉末和第所述二组分熔炼的合金研磨制成的所述第二合金粉末，按照质量比为4:6的比例混合烧结制成。

附图说明

图1示出了本发明第一永磁体的磁化曲线和磁滞回线。

图2示出了本发明第三永磁体的磁化曲线和磁滞回线。

图3示出了本发明一种转子永磁体的排布示意图。

图4示出了本发明另一种转子永磁体的排布示意图。

图5是本发明中永磁控制电机定子铁心结构示意图。

图6是本发明的永磁控制电机中定子铁心中磁感应强度的仿真示意图。

图7是本发明中永磁控制电机的控制电路示意图。

图8示出了一个扇区中两个周期内脉宽调制信号的波形。

图9是通过仿真得出的定子磁链中估计值和实际值之间的关系图。

图10示出了磁路矫正电路的计算公式模型图。

具体实施例

本发明中采用有核多层多次烧结加工设置，形成磁性稳定、不受电机持续高速运行中磁性矫顽力的影响，特别的设计方式尤其适用于永磁控制电机中。

为了适应电机精确控制的需求，本发明首先永磁体的选择上进行了设计，并且通过了材料研究院的实验和检测，通过特定本地磁选材和工艺制成的永磁体具有晶体胞体积增大的特定，化合物的居里温度性能良好，具有良好的磁性矫顽力，相同体积的永磁体的磁通量比现有技术中磁体的磁通量要显著增加。

下面结合实施例对发明进一步详细描述，其中给出的实施例仅是部分数据，而不是对发明本身的限制，其中但是本发明的创新来自工艺及配方对永磁体的磁性影响，尤其是适合用于精确控制的控制电机中，以及极端天气下使用工程电机中。图1示出了本发明第一永磁体的磁化曲线和磁滞回线。图2示出了本发明第三永磁体的磁化曲线和磁滞回线。

根据电机中转子设计要求一次性制作永磁体，制作好的永磁体可以直接安装在永磁控制电机的转子中；配制永磁体核，在永磁体核的制作中需要根据磁体的形状制造，由于本发明涉及的电机为长轴永磁控制电机，为了保证制作精度和制作工艺，在磁体的制造中选择了小型长方体块的加工工艺，最后形成的永磁体块堆积拼成一个近似条形的转子磁体；图3中示出了最佳实施例，第一永磁体111和第三永磁体113之间具有较小磁性的填充材料114；图4第一永磁体111和第三永磁体113之间具有间隙112。本发明在磁块堆积中通过磁体之间的留存间隙或者低磁填充材料的方式，可增大高次谐波磁场磁阻以及谐波漏抗，减少电机磁链的交联程度，削弱电机中谐波电流，降低定子和转子谐波损耗以及表面损耗，从而降低了电机温升。

第一永磁体111的制备中，按照第一组分的质量百分比混合原料，在高纯氩气环境下进行高频熔炼，使用连铸装置制造薄片状的第一合金；按照第二组分的质量百分比混合原料，在高纯氩气环境下进行高频熔炼，熔炼完成后浇筑冷却成甩带片的第二合金；将第一合金放入使用氮气流的喷射磨碎的装置中，得到第一合金粉末；将第二合金放入使用氢碎和气流研磨，得到第二合金粉末。第一合金粉末和第二合金粉末按照7:3的比例混合，得到的混合粉末在惰性气体环境下，通过成型压膜机磨具中加上磁场进行取向压制，选择在得到成型后的磁体；将成型后的磁体在真空炉中800℃～900℃持续加热4小时，在1100℃真空炉持续加热2小时，烧结成型；然后真空炉内采用两级回火，一级回火温度为800℃，保持2小时，二级回火温度为400℃，保持4小时；将烧结提冷却至室温，得到磁体胚体，经过研磨加工和快速切块得到第一永磁体111；本实施例中，优选了制备材料、工艺保证较高的剩余磁通密度。

第一永磁体111的第一组分中重量百分比的成分：Nd 28.23～32.73％，Nb 1.75～2.27％，Al3.32～6.78％，重稀土元素0.40～0.67％，余量为Fe。重稀土元素包括Er、Lu。这种特定的配置中，产生的永磁体具有质量小、磁性稳定，用在永磁控制电机转子的外周，能够保证启动顺畅，以及高速旋转中旋转轴承的压力。其中，热熔后产生的永磁体稀土与Fe结合的金属构架中在一定温度下可通过间隙原子的嵌入，适当元素的取代得到磁性能改善的永磁体，当铁原子间距小于0.245nm的时候，这些Fe原子间产生负交换作用，稀土与Fe形成的金属的原子键长可以通过Nd、Nb以及Al进行调节，优选的结果是Nd 32.73％，Nb 2.27％，Al5.72％，重稀土元素0.40％，余量为Fe。由此得到的金属化合物，通过X射线衍射与电子相互作用，通过常规实验可以分析出得到的金属中原子上的散射强度与原子相互作用的情况。同样，采用中子衍射手段，能够穿透金属尤其是薄片状的第一合金，方便区分轻元素和同位素等，由此得到的第一合金晶体细胞体积大，磁体的磁性稳定、重量轻。

第一永磁体111的第二组分中重量百分比的成分：LaCe13.21～18.33％，Al0.52～0.71％，稀土元素0.40～0.51％，余量为FeB。稀土元素包括Pr、Nd等。这种特定的配置中，稀土与FeB形成的金属的原子键长可以通过Nd、Nb以及Al进行调节，大大提高了剩磁和内禀矫顽力，产生的永磁体具有质量低、剩磁比大，用在永磁控制电机转子的外周，能够保证启动顺畅，以及高速旋转中旋转轴承的压力。优选的LaCe14.31％，Al0.71％，稀土元素0.44％，其余为FeB。这种组分形成的金属研磨粉末与第一组金属研磨粉末按照2:1的比例混合配比，压制成型容易，磁取向好，结构紧密，间隙小；烧结中可获得更细小的晶粒尺寸，矫顽力显著增加。

经过上述工艺与配比形成的第一永磁体111具有磁体的热稳定性好、质量轻、磁能积大于一般的永磁材料。图1示出了第一永磁体111的磁化曲线和磁滞回线。

第三永磁体113的制备中，采用两种组分的原料制成。第三永磁体113的第一组分中重量百分比的成分：PrNd 31.11～35.89％，Gd0.47-0.86％，Al3.32～7.57％，重稀土元素0.40～0.67％，余量为Fe。重稀土元素包括Er、Lu等。这种特定的配置中，产生的永磁体磁性稳定、矫顽力大，用在永磁控制电机转子的深槽中，能够保证启动转矩好，以及高速旋转中旋转轴承的压力。其中，热熔后产生的永磁体稀土与Fe结合的金属构架中在一定温度下可通过间隙原子的嵌入，适当元素的取代得到磁性能改善的永磁体，当铁原子间距小于0.245nm的时候，这些Fe原子间产生负交换作用，稀土与Fe形成的金属的原子键长可以通过Nd、Nb以及Al进行调节，优选的结果是PrNd 29.73％，Nb 2.27％，Al6.34％，重稀土元素0.43％，余量为Fe。由此得到的金属化合物，通过X射线衍射与电子相互作用，通过常规实验可以分析出得到的金属中原子上的散射强度与原子相互作用的情况。同样，采用中子衍射手段，能够穿透金属尤其是薄片状的第一合金，方便区分轻元素和同位素等，由此得到的第一合金晶体细胞体积大，磁体的磁性稳定。

第三永磁体113的第二组分中重量百分比的成分与第一永磁体111的第二组基本相同，其中不同的是显著提高了：第一永磁体111的第二组分中重量百分比的成分：LaCe13.21～18.33％，Al0.52～0.71％，稀土元素0.53～0.67％，余量为FeB。稀土元素包括Pr、Nd等。这种特定的配置中，稀土与FeB形成的金属的原子键长可以通过Nd、Nb以及Al进行调节，大大提高了剩磁和内禀矫顽力，产生的永磁体具有质量低、剩磁比大，用在永磁控制电机转子的外周，能够保证启动顺畅，以及高速旋转中旋转轴承的压力。优选的LaCe14.31％，Al0.71％，稀土元素0.44％，其余为FeB。这种组分形成的金属研磨粉末与第一组金属研磨粉末按照4:6的比例混合配比，压制成型容易；烧结成型后，可获得永磁体用在电机的深槽中，启动转矩明显增大，由于这种工艺制程的永磁体任性好，易于加工，具有较好的矫顽力。

第三永磁体113具体是按照第一组分的质量百分比混合原料，在高纯氩气环境下进行高频熔炼，使用连铸装置制造薄片状的第一合金；按照第二组分的质量百分比混合原料，在高纯氩气环境下进行高频熔炼，熔炼完成后浇筑冷却成甩带片的第二合金；将第一合金放入使用氮气流的喷射磨碎的装置中，得到第一合金粉末；将第二合金放入使用氢碎和气流研磨，得到第二合金粉末。第一合金粉末和第二合金粉末按照4:7的质量比例混合，得到的混合粉末在惰性气体环境下，通过成型压膜机磨具中加上磁场进行取向压制，选择在得到成型后的磁体；将成型后的磁体在真空炉中850℃～950℃持续加热4小时，在1150℃真空炉持续加热2小时，烧结成型，然后真空炉内回火，将烧结提冷却至室温，得到磁体胚体容易加工，研磨加工和快速切块得到所述第三永磁体，并且保证较好的固有的矫顽力。

经过上述工艺与配比形成的第三永磁体113具有磁体的热稳定性好、质量轻、矫顽力大于一般的永磁材料。图2示出了第三永磁体113的磁化曲线和磁滞回线。

图4中示出了一种转子永磁体的排布示意图。第一永磁体111的径向长度与第三永磁体113的径向长度比设置为3:1，其中间隙112径向长度为与第三永磁体113的长度比为1:6，特定磁体长度比和间隙比，既要保证了运行时高次谐波磁场磁阻以及谐波漏抗显著增大，减少电机运行中电机磁链的交联程度，削弱电机中谐波电流，降低定子和转子谐波损耗以及表面损耗，降低永磁控制电机温升；又要保证在启动中永磁控制电机的磁场强度最大，提高启动转矩，减少电机定子启动电流，提高永磁控制电机的绕线使用寿命。

在优选的实施例中，图3中示出了另一种转子永磁体的排布示意图。第一永磁体111的径向长度与第三永磁体113的径向长度比设置为3:1，其中填充材料114径向长度为与第三永磁体113的长度比为1:9；填充材料114采用填充的第三永磁体113中第一合金粉末和第二合金粉末按照5:5的比例混合后，与硅脂混合，制备成浆料，填充于第一永磁体111和第三永磁体113之间形成；其中硅胶的体积比占浆料总体积的比例不少于50％。在优选的实施例中，选择了比占浆料总体积73％左右。这种方式显著降低永磁控制电机温升，提高了永磁控制电机启动中的磁场强度，减少了永磁电流对绕线的电流冲击，提高了永磁控制电机寿命。

本发明中电机用于大型工程车辆中，工程车辆施工中通常处于沙漠、荒山等高温恶劣环境，由于施工昼夜温差较大，以及高负载长期运行下保证永磁体磁性稳定，本发明的通过对磁体优化已经能够获得较好的效果，本发明在整体电机设计中，通过对冷却环境的变化和电子控制，具有较高的可靠性，其中本发明的永磁控制电机的冷却系统主要是通过电机内风道轴向风冷和定子机壳水冷的混合冷却结构，满足工程用永磁控制电机高功率运行需求；在西部沙漠施工实验中能够中连续20多天不停机仍保持较好性能的记录。图5是本发明中永磁控制电机定子铁心结构示意图。

转子永磁体11，包括第一永磁体111、间隙112和第三永磁体113。转子永磁体放置在磁钢12冲压出的槽中，在磁钢12中间留有冲击缝隙13，缝隙13可以保证不标准的永磁体容易放置且放置中硅胶的填充。为了保证永磁控制电机的启动转矩较大以及启动后永磁转子输出功率稳定，该永磁控制电机中转子极数P_r设计为定子齿数P_s的关系为P_r＝P_s-2；用于减小电流的交变频率。

永磁控制电机定子2为双层绕组，包括内层绕组211和外层绕组212；内层绕组211和外层绕组212的线圈的选择中采用一相绕组由四个线圈串联的结构，可以在后期控制中依据控制电路的连接关系，将其相数调整为是否大于3，本发明中调整的结构大于3，作为电动机使用。考虑到工程施工中环境需要，有时候需要用作发电机，本发明的电机还可以通过外部3组四个线圈的串联减少其相数为原来的三分之一，调整期相数小于3，由此将其作为永磁发电机使用。本发明优选的定子绕组相数为6，调整后其可以变为2相发电机使用。

永磁控制电机内层绕组211的线圈匝数和外层绕组212的线圈匝数不相同，以保证每匝静态特性和控制系统以及功率变换中适于控制，直轴导磁A_d和交轴导磁A_q通过电机方程分析得到么个线圈的磁通φ_m，每个线圈的匝数为N_coil，相应的永磁磁链、电感满足：

Ψ_m＝N_coilΦ_m (式子1)

L_d＝A_dN² _coil (式子2)

L_q＝A_qN² _coil (式子3)

由于永磁控制电机采用了固定频率，在电机恒转速运行的基础上，通过额定转速n_r的设定，确定永磁控制电机定子绕组匝数中，实现电机磁性能和控制期间中逆变器电流最大值的要求，具体控制方式由控制器的电路设计中说明。

本发明在温度控制中，采用了三路水冷控制，水冷第一通道221、水冷第二通道222、水冷第三通道223，以保证永磁控制电机在运行中温度基本恒定在一个较小的温差变化中，使得磁通能够按照设计磁路路线运行。水冷第一通道221、水冷第二通道222、水冷第三通道223由内到外依次设置，其中永磁控制电机内层绕组211的线圈和外层绕组212的线圈分别设置在水冷第一通道221和水冷第二通道222之间，内层绕组211和外层绕组212之间间隔有硅钢片。

其中水冷第一通道221中放置了三路隔离铜片2211，将水流隔开成四路，防止永磁控制电机中电磁耦合情况下水冷第一通道中磁通的涡流和泄漏，减少杂散损耗，这种隔离铜片设置的方式显著降低转矩脉动，温度的恒定使得永磁控制电机的电磁转矩维持稳定，平均电磁转矩能够达到最大值，使得永磁控制电机的定位力矩的脉动系数明显减小。

水冷第二通道222为左侧、右侧和底侧三面设置的水冷通道，三面包围外层绕组212，避免电机启动过程中电流过大造成的热量迅速上升带来的线圈绝缘损害，有效防止定子绕组损耗；底侧的水冷第二通道紧邻外层绕组212，第二通道222是扁平空心轻质铝条或者铜条制成。水冷第二通道222制造工艺中为插入式设置，能够较好的保证磁路按照设置的方式进行，维持电机转动的稳定性。

外壳240是紧固在电机定子铁心200外周的散热壳体，用于固定电机定子，防止因电机振动、碰撞等造成损坏，在电机设置中，外壳240与定子铁心200之间采用燕尾槽的卡接结构，环绕在外层绕组212左、右两侧的水冷第二通道222三面被定子铁芯包围，保证在连接过程中的稳固。外壳240中设置有水冷第三通道223，水冷第三通道223独立供应冷却水，且其水流压力、速度明显大于水冷第一通道221、水冷第二通道222，能够有利于外部散热并保持电机运行温度恒定，尤其是能够防止昼夜温差对电机运行的影响。由于电机用于矿区，飞石及其他外力撞击时常发生，在电机外壳240的外表面设有棱槽，用于散热，同时棱槽能够有效的吸收电机受到撞击后产生的能量，以其形变放置电机定子铁心的形变，有效的保护电机。电机输出轴的部分安装有特定的保护外壳，放置其受到外力破坏。

电机水冷第一通道221、水冷第二通道222、水冷第三通道223中水流的速度不同，其中水流大致速度为依次增大，例如，在选择水冷第三通道223的水流速度为1m/s时，水冷第二通道222的水流速度为0.8m/s，水冷第一通道221的水流速度为0.6m/s，上述水流速度的控制通过温度传感器和电机中央控制器来具体控制。为了防止供水压力变化对供水通道产生的冲击，本发明在供水调节中，采用了相对逐渐变化的水流速度以调节电机定子温度，仅仅是在电机传感器传出的温度明显上升且超出设定阈值时，采用变水流速度供水。通常在外接的水流箱中放置恒温水流装置，保证水温。

电机定子内磁场仿真有效的计算了定子铁心内磁场变化及分布，以定子中心为中心点，依次按照相同的距离取值，设定不同的半径，越靠近外壳部分，磁场的感应强度越小。图6是本发明的永磁控制电机中定子铁心中磁感应强度的仿真示意图。在励磁绕组不通电的时候，定子铁心200内的磁场只是由转子永磁体产生的磁动势F_PM作用产生。在定子绕组中励磁电流I从0开始慢慢增加的的过程中，定子铁心200内的磁场强度H将由永磁磁动势F_PM和轴向磁动势F_Z共同作用产生，当励磁电流不断增大，定子内轴向的磁动势F_Z也不断增大，定子铁心内的磁场也将逐渐增加。当定子铁心内的磁场强度H取向饱和，直至达到最大磁场强度H_Z后，定子铁心200中的导磁率会不断降低，定子铁心的磁阻会不断增大，使得定子和转子之间的气隙中有效磁通降低。在仿真实验中，通过调节励磁线圈中的电流I大小，观察定子铁心中的磁场强度B以及定子铁心中的轴向磁场感应强度B_Z。设定在定子铁心的XY平面上可以产生的电磁强度表示为H_XY，轴向磁动势F_Z，定子磁阻R_M和转子磁阻R_R，设定电机径向气隙等效磁阻R_σ以及铁心漏磁阻R_σ，根据经验公式可以仿真得出永磁控制电机轴向励磁等效磁路中轴向励磁的磁通Ф_s，

Ф_s＝F_Z*H_XY/(2R_M+R_R)(2R_σ+R_s)

定子铁心中产生的磁场强度H与磁通Ф_s成正比，在图6中模拟出了定子铁心中磁场强度，与实现中设定的计算公式基本吻合，其中图中产生的铁心内的磁场感应强度B的波形也证实了在不同距离下，强度的变化。本发明中，采用了新的转子永磁体，尤其是在第一永磁体111和第三永磁体113之间具有较小磁性的填充材料114的仿真实验中，基于转子磁场的不同，在定子铁心中产生的铁心磁场强度会因为电流值的不同产生的变化非常显著，随着励磁磁动势的不断增加，定子铁心内的磁场感应强度B的波形越来越平直，当励磁磁动势在60A时，定子铁心中的磁动势接近饱和状态。随着励磁电流的逐渐增大，定子铁心200中的磁感应强度的增速变化趋缓，铁心中的轴向磁场感应强度B_Z增加幅度很小。基于仿真结果，本发明在调整电机输出功率的过程中知晓其中电流增加的多少与其产生热量之间的关系，因此可以根据制冷效果采用的电机水冷第一通道221、水冷第二通道222、水冷第三通道223中水流的速度不同进行调节，使得电机处于恒温状态，保持电机调节的准确性和寿命的长期性。

永磁控制电机气隙磁场是通过永磁体产生的，因此不可调节，这也是永磁控制电机的普遍存在的一个特性和缺点，本发明中永磁控制电机的永磁体总是贴在转子表面和转子铁心内部，分层设置，通过铁心形成的导磁桥自然形成回路，轴向相对较长，因此气隙磁密度在轴向上是可以忽略不计的，因此与其对应的定子绕组所产生的端部效应比较小，相互之间的作用可以忽略不计。

针对本发明的永磁控制电机以及其冷却水路，需要对电机控制中参照其水温变化对其冷却水路进行控制，因此发明采用了特定的控制电路。图7中示出了永磁控制电机的控制电路图，其中为闭环控制电路，依次连接有速度控制装置，转矩控制装置，电压矢量控制装置，空间矢量控制装置，逆变控制装置，其中从电机中获取电流/电压变换值提供给定子磁链控制装置，由定子磁链控制装置产生的控制信号被输送至速度控制装置、转矩控制装置、电压矢量控制装置；依据永磁控制电机位置传感器检测的旋转角度获得的信号，传送给速度控制器产生角速度

本发明中逆变装置较好的解决了选择合适数量的矢量满足控制要求，其中就是通过空间矢量控制装置来实现的，其中采用空间矢量PWM技术，通过在d—q的空间中得到长的矢量，提高电压利用率，同时保证在电压空间中所有的矢量的向量和为零，减小PWM波形中的低次谐波分量。本发明中采用了并联拓扑结构的控制电路，适应沙漠等恶劣天气下，温差大、尘土多等不利因素，增加传动系统的可靠性。在传统的三相逆变空间矢量控制中，逆变器的开关矢量为100，另一逆变器的的开关矢量为101，由100、101组成的扇区在整个控制图形中所占的区域为整个控制区域的六分之一；而本发明中选择较长空间矢量的时候，逆变器的开关矢量为110’，另一逆变器的开关矢量为100’，由100’、101’组成的扇区在整个控制图形中所占的区域为整个控制区域的十二分之一，由此产生的控制方式更加精确。

在并联拓扑结构的一个扇区形成的脉宽调制信号中可以看到，PWM波形可以完全由非零空间矢量完成，是可以通过非零空间矢量中插入零矢量进行控制。图8示出了一个扇区中两个周期内脉宽调制信号的波形。在一个脉宽调制的采样周期中，包含了d—q的空间两个最长矢量空间和d—q的空间零矢量的作用时间，通过空间变换中得到的了相应的波形图。其中，图7中速度控制装置内包含了一个PI线性控制器，通过给定的参考角速度与计算出的角速度

比较后构成控制偏差，将偏差的比例和积分通过线性组合构成转矩的控制量，形成转矩的一个实际测量值。在定子磁链控制装置中，通过永磁控制电机输入的三相电压中检测的量，通过模数转换器获得三相电流i_a、i_b、i_c和三相电压u_a、u_b、u_c，在电流电压变换其中包含了两种变换形式，其中采用了CLARK变换，中A相电流i_α＝i_a-0.5i_b-0.5i_c，可以推导出i_β的幅值是i_α的幅值的1.5关系，这其中需要在相同功率下进行，同理，变换前的电压U，变换后的电压有效值为1.5倍的U，即1.5U，变换前的功率P＝UI/3，而变换后的功率为P_变＝1.5*1.5*2*UI，为了保证功率相等，在计算公式中采用了根号下2/3作为系数，这也是仿真中采用的既定数值。

根据变换后的电压电流值和检测到的位置角度，作为定子磁链控制装置的参数，由定子磁链控制装置输出控制参数

θ_s、T_e、

在仿真中，转速是通过位置传感器测得的，其中的实际转速与测得的值相同，而定子磁链的变化难以具体测定，因此仿真过程中定子磁链观测需要根据电阻阻值的变化以及电感参数的线性调整来获得，其中通过设计的电路，能够实现电感参数不发生变化的时候，磁链不存在偏差，因此电阻变化下，定子磁链值来确定的实际参数也是确定的。本发明设计的具体电路中，磁链波动较大的时候，转速波动能够通过电路控制能够实现较快的恢复，其中就设计到采用了设计的抗扰动控制电路。图9是通过仿真得出的定子磁链中估计值

和实际值Ψ_cs之间的关系图。实际实验中，两者之间的夹角非常的小，约在0.5°到3°之间，使得本发明的永磁控制电机的可控性非常好。

本发明是通过在定子磁路中包含了一个磁链矫正电路，该矫正电路是由一个积分器串联一个低通滤波器构成，结构简单，并且仅与永磁控制电机的定子电阻有关，定子电阻值在水冷系统的控制下，能够较好的克服涡流损耗对永磁体温度的影响，能够保证电机在永磁体温度拐点内运行且基本恒定温度运行下，根据本发明中实现的三路水冷系统(水冷第一通道221、水冷第二通道222、水冷第三通道223)，永磁温度变化小，可以控制在0.5度范围内。矫正电势E_cs ^αβ是由矫正电压u_cs ^αβ和矫正电流的i_cs ^αβ积分获得，其中的定子电阻接近固定值，借助于低通滤波器由此获得的输出的矫正磁通Ψ_cs ^αβ是稳定的。其中采用纯积分器，电压和电流的测量误差及初始值误差等殷切的直流漂移和积分饱和都比较小，采用低通滤波器截止频率，代替了积分环节，能够较好的控制永磁控制电机的定子角频率。图10中示出了磁路矫正电路的计算公式模型图，其中由图中公式可以看出，由于本发明采用的是闭环控制电路，因此在增加磁路矫正电路的情况下，能够通过这种设置较好的保证控制精度和控制方式。

本发明的其中的一个有益效果在于：依靠本发明中特定结构的永磁控制电机，在控制电路中增加磁链矫正电路，实现精确控制，冷却循环，保证电机内部的温度均匀，不会出现局部高温区域，防止电机长期运转因局部高温而失效，从而实现永磁控制电机的长期高强度运行。

在本发明专利中公开的不仅限于技术方案和本发明所具有的优点、特性的任意特定选取或组合等等，本领域的技术人员都可以认为在本发明专利所阐述的技术方案、优点和特性的各种组合以及变型、简单的改造均构成了在本发明专利中所公开的技术方案。

Claims (4)

1.一种永磁控制电机，包括定子、转子和控制电路，所述控制电路为闭环控制电路，包括依次连接的速度控制装置、转矩控制装置、电压矢量控制装置、空间矢量控制装置、逆变控制装置；

所述转子具有第一永磁体和第三永磁体，以及设置在所述第一永磁体和所述第三永磁体之间的间隙，所述第一永磁体的径向长度与所述第三永磁体的径向长度比为3:1，所述间隙径向长度与所述第三永磁体的径向长度比为1:6；

所述定子包括定子线圈和三路水冷系统，其中，水冷第一通道、水冷第二通道、水冷第三通道由内到外依次设置，所述定子线圈包括内层绕组线圈和外层绕组线圈，所述内层绕组线圈和外层绕组线圈分别设置在所述水冷第一通道和所述水冷第二通道之间，所述内层绕组线圈和所述外层绕组线圈之间间隔有硅钢片；

所述水冷第一通道中放置了用以减少杂散损耗及降低转矩脉动的三路隔离铜片。

2.根据权利要求1所述的永磁控制电机，其特征在于，从所述逆变控制装置中获取电流/电压变换值提供给定子磁链控制装置，由所述定子磁链控制装置产生的不同控制信号分别被输送至所述速度控制装置、所述转矩控制装置、所述电压矢量控制装置；依据所述永磁控制电机的位置传感器检测的旋转角度获得位置信号并且传送给速度控制器产生角速度；其中，定子磁路中包含了一个磁链矫正电路，所述磁链矫正电路由一个积分器串联一个低通滤波器构成。

3.根据权利要求2所述的永磁控制电机，其特征在于，所述定子磁链控制装置中通过模数转换器获得三相电流(i_a、i_b、i_c)和三相电压(u_a、u_b、u_c)。

4.根据权利要求3所述的永磁控制电机，其特征在于，所述第一永磁体由第一组分熔炼的合金研磨制成的第一合金粉末和第二组分熔炼的合金研磨制成的第二合金粉末，按照质量比为2:1的比例混合烧结制成；所述第三永磁体由所述第一组分熔炼的合金研磨制成的所述第一合金粉末和所述第二组分熔炼的合金研磨制成的所述第二合金粉末，按照质量比为4:7的比例混合烧结制成。

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