CN104242577A - 永磁同步电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种永磁同步电机，该电机包括定子铁芯、中间转子、调整转子、内转子和磁悬浮轴承，定子铁芯具有第一齿槽，第一齿槽内设有驱动绕组和控制绕组；中间转子与第一齿之间具有一定气隙；中间转子包括第二齿，第二齿设有第一永磁体；第一永磁体N极朝外S极朝内；调整转子位于中间转子内侧，中间转子与调整转子之间具有一定气隙，调整转子包括第三齿，第三齿底端与内转子相对；第三齿之间设有调整转子绕组；内转子位于中间转子内侧，中间转子与内转子之间具有一定气隙，内转子具有第四齿；第四齿上设有第二永磁体。解决了现有技术中混合动力汽车的动力系统中需要配备两台电机导致的整车成本高、动力系统占用内置空间较大的问题。

Description

永磁同步电机

技术领域

本发明涉及电机技术领域，特别涉及一种永磁同步电机。

背景技术

现阶段，混合动力汽车和电动汽车越来越受人们的青睐。混合动力或电动汽车中需要应用电机。最早采用的是电机单独驱动的直流电机系统，但是直流电机系统具有质量大、效率低的缺点，而且需要定期维护，故障率也比较高。于是，随着电子功率技术及数字技术的发展，人们开始应用异步电机、永磁同步电机或开关磁阻电机。其中，永磁同步电机具有较好的可靠性被广泛应用。

在混合动力汽车的动力系统中，包括两个电机，即设置在发动机侧与发动机轴相连接的BSG电机(Belt-driven Starter Generator皮带驱动起动发电机)和设置在后驱动桥侧与驱动桥连接的的驱动电机。由于每台电机都需要配备一台电机控制器、旋转变压器、旋变发送机等传感器等部件，构成一个电机系统。

两套电机就需要配备这样的电机系统，因此，成本较高，从而导致整车的成本较高。同时，两套电机组成的动力系统也占用了较大的内置空间。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种永磁同步电机，以解决现有技术中的混合动力汽车的动力系统中需要配备两台电机导致整车成本高、动力系统占用内置空间大的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种永磁同步电机，所述电机包括圆环状的定子铁芯、中间转子、调整转子、内转子和磁悬浮轴承，所述磁悬浮轴承用于对所述中间转子、调整转子和内转子的轴向定位；

所述定子铁芯沿径向向里方向的圆周上具有多个第一齿和由所述多个第一齿隔开的多个第一齿槽，所述第一齿槽内由外向内依次设有驱动绕组和控制绕组；

所述中间转子的材质为导磁性材料且设置在所述定子铁芯内、与所述第一齿之间具有一定气隙；所述中间转子包括多个第二齿，所述第二齿的顶端与所述第一齿相对，所述第二齿的底端与所述调整转子相对；每相邻的两个中的一个所述第二齿的顶端上设有第一永磁体；所述第一永磁体N极朝外S极朝内；

调整转子位于所述中间转子内侧，所述中间转子与所述调整转子之间具有一定气隙，所述调整转子包括多个第三齿，所述第三齿的顶端与所述中间转子的底端相对，所述第三齿的底端与所述内转子相对；相邻的两个所述第三齿之间设有调整转子绕组；

所述内转子位于所述中间转子内侧，所述中间转子与所述内转子之间具有一定气隙，所述内转子沿径向向外的方向的圆周上具有多个第四齿；所述第四齿上设有第二永磁体。

进一步地，所述调整转子绕组为集中式绕组。

其中，所述第一永磁体为钕铁硼。

优选地，所述控制绕组为集中式绕组。

进一步地，所述驱动绕组极对数等于2，电角频率等于1；

所述控制绕组极对数等于2，电角频率等于2；

所述调整转子绕组包括外侧调整绕组和内侧调整绕组，所述外侧调整绕组的极对数等于1，电角频率等于3，所述内侧调整绕组的极对数等于1，电角频率等于4。

其中，所述磁悬浮轴承包括同轴设置的内转子磁悬浮轴承、调整绕组转子磁悬浮轴承和中间转子磁悬浮轴承；所述内转子磁悬浮轴承用于定位所述内转子；所述调整绕组转子磁悬浮轴承用于定位所述调整转子；所述中间转子磁悬浮轴承用于定位所述中间转子。

优选地，所述定子铁芯是由铁磁性材料冲压而成。

其中，外侧调整绕组为三相对称绕组。

进一步地，所述驱动绕组、控制绕组、调整转子绕组的极对数相等，且同步转角速度相同。

相对于现有技术，本发明所述的永磁同步电机具有以下优势：

本发明实施例提供的永磁同步电机中，由于定子铁芯与中间转子具有一定气隙并相向，产生能够使中间转子旋转和悬浮的磁场；调整转子与内转子具有一定气隙，并与内转子相向，因此，调整转子可以以发电机的形式将内转子旋转产生的磁场能进行利用，并且能调节中间转子的空间悬浮磁场，使中间转子始终达到悬浮状态，同时还可以为内转子提供悬浮磁场，使内转子旋转并悬浮起来。该永磁同步电机同时具备现有技术中BSG电机和驱动电机的功能，具体地，在混合动力汽车或电动汽车中应用该永磁同步电机，所述永磁同步电机的中间转子与发动机的后桥相连，内转子与发动机的转轴相连，内转子实现BSG电机的功能，中间转子实现驱动电机的功能。

具体地，为了实现对三转子电机的径向悬浮控制，第一齿槽内设有驱动绕组和控制绕组，并且，所述电机中设有调整转子，通过调节驱动绕组和控制绕组来改变气隙中合成磁场的分布。由于是三级磁悬浮控制，三级磁悬浮控制指的是所述电机的内转子、调整转子、中间转子均实现磁悬浮控制，在中间转子和内转子之间加入了调节气隙磁场的调整转子，调整转子可以将中间转子和内转子隔离开来，形成两个独立的悬浮单元，增加悬浮磁场的平衡度，但实际上在气隙磁场中，他们确是互相联系的同一个整体。分别对控制绕组和调整转子进行有效的控制，从而控制中间转子和内转子所受悬浮力的大小和方向，实现各个转子的悬浮。

本发明实施例提供的永磁同步电机，将两个电机的功能集成在一个电机上，减少了电机在汽车中所占用的空间，同时降低成本；最重要的是该永磁同步电机包括三个转子，采用磁悬浮技术，无需机械轴承，不产生机械损耗，因此可以适应长时间高转速的工况，由于采用磁悬浮轴承取代了机械轴承，通过悬浮磁场，保证所述永磁同步电机中转子的旋转平衡，通过所述电机的气隙很容易进行风冷式热传导，容易散热，保证所述电机能够持续地保持高转速状态。

此外，本发明实施例提供的永磁同步电机中，调整转子能够使得所述电机中的调整转子绕组的相与相之间实现电路、磁路和温度场的独立，使得所述电机具有较高的可靠性和带故障运行能力，例如当所述电机出现过热、堵转等情况时，仍然能够正常运行。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的永磁同步电机的结构示意图；

图2为本发明实施例所述的永磁同步电机中磁悬浮原理图；

图3为本发明实施例所述的永磁同步电机中的另一个磁悬浮原理图；

图4为本发明实施例所述的永磁同步电机中的又一个磁悬浮原理图。

附图标记说明：

11-定子铁芯，111-第一齿，112第一齿槽，113-驱动绕组，114-控制绕组，12-中间转子，121-第二齿，1211-第一永磁体，13-调整转子，131-第三齿，1311-调整转子绕组，14-内转子，141-第四齿，1411-第二永磁体。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

参见图1，本发明实施例提供了一种永磁同步电机，该电机包括圆环状的定子铁芯11、中间转子12、调整转子13、内转子14和磁悬浮轴承(图中未示出)，所述磁悬浮轴承用于对中间转子12、调整转子13的轴向定位；定子铁芯11沿径向向里方向的圆周上具有多个第一齿111和由多个第一齿111隔开的多个第一齿槽112，第一齿槽112内由外向内依次设有驱动绕组113和控制绕组114；中间转子12的材质为导磁性材料且设置在定子铁芯11内、与第一齿111之间具有一定气隙；中间转子12包括多个第二齿121，第二齿121的顶端与第一齿111相对，第二齿121的底端与调整转子13相对；每相邻的两个中的一个第二齿121的顶端上设有第一永磁体1211；第一永磁体1211N极朝外S极朝内；调整转子13位于中间转子12内侧，中间转子12与调整转子13之间具有一定气隙，调整转子13包括多个第三齿131，第三齿131的顶端与中间转子12的底端相对，第三齿131的底端与内转子14相对；相邻的两个第三齿131之间设有调整转子绕组1311；内转子14位于中间转子12内侧，中间转子12与内转子14之间具有一定气隙，内转子14沿径向向外的方向的圆周上具有多个第四齿141；第四齿141上设有第二永磁体1411。

本发明实施例提供的永磁同步电机中，由于定子铁芯11与中间转12子具有一定气隙并相向，产生能够使中间转子12旋转和悬浮的磁场；调整转子13与内转子14具有一定气隙，并与内转子14相向，因此，调整转子13可以以发电机的形式将内转子14旋转产生的磁场能进行利用，并且能调节中间转子12的空间悬浮磁场，使中间转子12始终达到悬浮状态，同时还可以为内转子14提供悬浮磁场，使内转子14旋转并悬浮起来。该永磁同步电机同时具备现有技术中BSG电机和驱动电机的功能，具体地，在混合动力汽车或电动汽车中应用该永磁同步电机，所述永磁同步电机的中间转子12与发动机的后桥相连，内转子14与发动机的转轴相连，内转子14实现BSG电机的功能，中间转子12实现驱动电机的功能。

具体地，为了实现对三转子电机的径向悬浮控制，第一齿槽内112设有驱动绕组113和控制绕组114，并且，所述电机中设有调整转子13，通过调节驱动绕组113和控制绕组114来改变气隙中合成磁场的分布。由于是三级磁悬浮控制，三级磁悬浮控制指的是所述电机的内转子14、调整转子13、中间转子12均实现磁悬浮控制，在中间转子12和内转子14之间加入了调节气隙磁场的调整转子14，调整转子13可以将中间转子12和内转子14隔离开来，形成两个独立的悬浮单元，增加悬浮磁场的平衡度，但实际上在气隙磁场中，他们确是互相联系的同一个整体。分别对控制绕组114和调整转子13进行有效的控制，从而控制中间转子12和内转子14所受悬浮力的大小和方向，实现各个转子的悬浮。

本发明实施例提供的永磁同步电机，将两个电机的功能集成在一个电机上，减少了电机在汽车中所占用的空间，同时降低成本；最重要的是该永磁同步电机包括三个转子，采用磁悬浮技术，无需机械轴承，不产生机械损耗，因此可以适应长时间高转速的工况，由于采用磁悬浮轴承取代了机械轴承，通过悬浮磁场，保证所述永磁同步电机中转子的旋转平衡，通过所述电机的气隙很容易进行风冷式热传导，容易散热，保证所述电机能够持续地保持高转速状态。

此外，本发明实施例提供的永磁同步电机中，调整转子13能够使得所述电机中的调整转子绕组1311的相与相之间实现电路、磁路和温度场的独立，使得所述电机具有较高的可靠性和带故障运行能力，例如当所述电机出现过热、堵转等情况时，仍然能够正常运行。

例如，参见图2，此时中间转子0°，虚线回路Ψn表征永磁体磁链，回路Ψx表示在控制绕组114通入电流时所产生的悬浮磁链。当中间转子12的永磁体磁场和控制绕组114磁场相互作用时，原有的电机气隙磁场发生不对称分布，图中A部分对应的磁链Ψn和Ψx方向相同，合成气隙磁场被增强；对应的区域B部分的Ψn和Ψx方向相反，合成气隙磁场减弱，这时中间转子12上产生了一个垂直向上的径向磁拉力，从而克服了中间转子12的重力约束，中间转子12在旋转的过程当中悬浮起来。

当中间转子12位置角为45°时，与中间转子12在0°时所述的一样，只是作为本发明的一个实施例来举例。控制绕组114产生的磁场与相邻的两个中的第二齿121的顶端上设有的第一永磁体1211产生的磁场同时铰链。此处铰链的意思是磁场同时通过两个以上的磁性材料。在本实施例中，铰链代表的是控制绕组114产生的悬浮磁场与第一永磁体1211产生的磁场功能起作用，磁场方向上的相向和相反，铰链的结果也是使中间转子12上方产生的磁拉力增强，下方分产生的磁场减弱。只要悬浮磁场足够大，中间转子12依然克服了重力，并处于悬浮状态。因此，虽然中间转子12在高速旋转的过程当中，无论中间转子12旋转到什么位置，由于中间转子12的磁阻比较小，所以大部分的悬浮磁链只通过中间转子12的未设有第一永磁体1211的部分，而不经过第一永磁体1211部分。

因此，本发明实施例提供的永磁同步电机的悬浮控制与电机中的三个转子旋转的位置无关。即可与通过传感器实时跟踪电机中三个转子的位置，再配合控制绕组114的悬浮磁场，就可以实现对三转子电机各个方向的悬浮控制，使电机中的所有转子在任何位置都能产生悬浮力，悬浮起来。

参见图3和图4，驱动磁场叠加悬浮磁场后，磁场的对称被打破。如图3所示，磁场叠加后，左侧磁场减弱，右侧磁场增强，相应地，所述电机中的转子右侧麦克斯韦张力增强，左侧的麦克斯韦张力减弱，从而产生了一个方向向右的径向合力。如图4所示，控制磁场与驱动磁场叠加后，由于控制绕组114产生的悬浮磁场与驱动绕组113产生的驱动磁场互相影响，因此电机中转子上部磁场增强，相应的麦克斯韦张力增强，下部的磁场减弱，相应的麦克斯韦张力减弱，从而产生了方向向上的径向合力。

应当清楚：磁路中在不同磁导率的磁介质边界上形成的磁张力称为麦克斯韦力，也称为磁阻力，主要作用表现为径向磁拉力，该力的作用方向垂直于磁性物质边界面，麦克斯韦力作用方向垂直于此电机中转子的表面，假设电机内转子和中间转子的气隙磁场都是对称均匀分布的，那么合成的麦克斯韦力为零，这时内转子麦克斯韦力正方向是从转子指向调整转子，中间转子的麦克斯韦力正方向是从转子指向定子。但是实际由于电机加工或其他原因会造成两转子偏心，实际悬浮运行时，定子、转子位置必定不同心，使得电机中的气隙磁密不均匀，麦克斯韦合力不为零。

本发明提供的实施例中，为了更好的实现所述永磁同步电机中内转子14和中间转子12的悬浮，必须利用调整转子13、控制绕组114将气隙磁场进行合成。通过位移的负反馈控制将麦克斯韦力的负刚度系数变为正刚度。通过实时的检测所述电机中转子的位置，主动调节控制绕组114和调节控制绕组114电流的幅值和方向，产生相应的悬浮控制磁场，来改变原有磁场在气隙中的对称分布，依靠可控的麦克斯韦力，将所述电机中的转子在产生转矩的同时，拉回平衡位置。

总体而言，本发明提供了一种结构简单、转子坚固、可靠性高、高效率、特别适合高速运行的永磁式同步电机。

上述实施例中，调整转子绕组1311可以为集中式绕组。调整转子绕组1311采用集中式绕组，这样端部较短、损耗较低、效率较高，而且能够减小所述永磁同步电机的轴向长度，从而提高了功率。

其中，第一永磁体1211可以为钕铁硼。优选地，控制绕组114可以为集中式绕组。同样地，控制绕组114采用集中式绕组，这样端部较短、损耗较低、效率较高，而且能够减小所述永磁同步电机的轴向长度，从而提高了功率。

上述实施例中，可以是驱动绕组113极对数等于2，电角频率等于1；控制绕组114极对数等于2，电角频率等于2；调整转子绕组1311包括外侧调整绕组和内侧调整绕组，所述外侧调整绕组的极对数等于1，电角频率等于3，所述内侧调整绕组的极对数等于1，电角频率等于4。

当驱动绕组113极对数P1＝2，电角频率ω1、控制绕组114用来产生磁悬浮力，控制所述永磁同步电机中转子的径向悬浮，极对数p2＝1，电角频率ω2；所述外侧调整绕组和内侧调整绕组用于补偿悬浮磁场和旋转的气隙磁场叠加后所造成的磁场偏移，所述外侧调整绕组极对数P3＝1，电角频率ω3、所述内侧调整绕组极对数P4＝1，电角频率ω4，这样使得中间转子12和内转子14在悬浮磁场当中隔离开来，但是中间转子12和内转子14依然共用同一套控制磁场，调整转子绕组1311起到调整中间转子12和内转子14的作用，悬浮在最佳位置。

上述实施例中，所述磁悬浮轴承可以包括同轴设置的内转子磁悬浮轴承、调整绕组转子磁悬浮轴承和中间转子磁悬浮轴承，其中，所述内转子磁悬浮轴承用于定位内转子14；所述调整绕组转子磁悬浮轴承用于定位调整转子13；所述中间转子磁悬浮轴承用于定位中间转子12。这样三个转子采用三个磁悬浮轴承来定位，当一个磁悬浮轴承发生故障时，不影响其他两个磁悬浮轴承的工作，还能够提高三个转子的定位精确度。

上述实施例中，定子铁芯11可以是由铁磁性材料冲压而成。铁磁性材料冲压成定子铁芯工艺简单，操作方便，容易实现。

其中，所述外侧调整绕组可以为三相对称绕组。优选地，驱动绕组113、控制绕组114、调整转子绕组1311的极对数相等，且同步转角速度相同。通过研究得知，只有当驱动绕组113极对数P1与控制绕组114极对数P2和调整转子绕组1311极对数P3，满足P1＝P2±1＝P3时，且同步转角速度相同时，才能产生控制的径向悬浮力和调整悬浮力。比如克服重力，通过电机内转子14径向位移的负反馈控制，可以控制转子上的径向力的大小和方向，从而实现转子的良好悬浮。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种永磁同步电机，其特征在于，所述电机包括圆环状的定子铁芯(11)、中间转子(12)、调整转子(13)、内转子(14)和磁悬浮轴承，所述磁悬浮轴承用于对所述中间转子(12)、调整转子(13)和内转子(14)的轴向定位；

所述定子铁芯(11)沿径向向里方向的圆周上具有多个第一齿(111)和由所述多个第一齿(111)隔开的多个第一齿槽(112)，所述第一齿槽(112)内由外向内依次设有驱动绕组(113)和控制绕组(114)；

所述中间转子(12)的材质为导磁性材料且设置在所述定子铁芯(11)内、与所述第一齿(111)之间具有一定气隙；所述中间转子(12)包括多个第二齿(121)，所述第二齿(121)的顶端与所述第一齿(111)相对，所述第二齿(121)的底端与所述调整转子(13)相对；每相邻的两个中的一个所述第二齿(121)的顶端上设有第一永磁体(1211)；所述第一永磁体(1211)N极朝外S极朝内；

所述调整转子(13)位于所述中间转子(12)内侧，所述中间转子(12)与所述调整转子(13)之间具有一定气隙，所述调整转子(13)包括多个第三齿(131)，所述第三齿(131)的顶端与所述中间转子(12)的底端相对，所述第三齿(131)的底端与所述内转子(14)相对；相邻的两个所述第三齿(131)之间设有调整转子绕组(1311)；

所述内转子(14)位于所述中间转子(12)内侧，所述中间转子(12)与所述内转子(14)之间具有一定气隙，所述内转子(14)沿径向向外的方向的圆周上具有多个第四齿(141)；所述第四齿(141)上设有第二永磁体(1411)。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机，其特征在于，所述调整转子绕组(1311)为集中式绕组。

3.根据权利要求1所述的永磁同步电机，其特征在于，所述第一永磁体(1211)为钕铁硼。

4.根据权利要求1所述的永磁同步电机，其特征在于，所述控制绕组(114)为集中式绕组。

5.根据权利要求1所述的永磁同步电机，其特征在于，所述驱动绕组(113)极对数等于2，电角频率等于1；

所述控制绕组(114)极对数等于2，电角频率等于2；

所述调整转子绕组(1311)包括外侧调整绕组和内侧调整绕组，所述外侧调整绕组的极对数等于1，电角频率等于3，所述内侧调整绕组的极对数等于1，电角频率等于4。

6.根据权利要求1所述的永磁同步电机，其特征在于，所述磁悬浮轴承包括同轴设置的内转子磁悬浮轴承、调整绕组转子磁悬浮轴承和中间转子磁悬浮轴承；所述内转子磁悬浮轴承用于定位所述内转子(14)；所述调整绕组转子磁悬浮轴承用于定位所述调整转子(13)；所述中间转子磁悬浮轴承用于定位所述中间转子(12)。

7.根据权利要求1所述的永磁同步电机，其特征在于，所述定子铁芯(11)是由铁磁性材料冲压而成。

8.根据权利要求5所述的永磁同步电机，其特征在于，所述外侧调整绕组为三相对称绕组。

9.根据权利要求1所述的永磁同步电机，其特征在于，所述驱动绕组(113)、控制绕组(114)、调整转子绕组(1311)的极对数相等，且同步转角速度相同。