CN104333159A - 电动汽车用低转矩波动永磁电机 - Google Patents

Abstract

一种电动汽车用低转矩波动永磁电机，涉及电机技术领域，所解决的是现有电机力矩波动高且电机效率低的技术问题。该电机包括定子和转子，定子与转子之间具有均匀的径向气隙，所述转子的外周面轴对称的固定有多个凸弧形弯曲的永磁磁极，所述永磁磁极由多块径向磁化的凸弧形磁钢沿转子的周向依序拼接而成，其中的位于中间位置的磁钢为中心磁钢，其它磁钢为侧部磁钢，侧部磁钢有偶数块，各侧部磁钢对称布设在中心磁钢两侧，且各侧部磁钢的厚度一致；各磁钢的厚度一致且中心磁钢的宽度大于侧部磁钢的宽度，或中心磁钢的厚度大于侧部磁钢的厚度。本发明提供的电机，特别适用于电动汽车。

Description

电动汽车用低转矩波动永磁电机

技术领域

本发明涉及电机技术，特别是涉及一种电动汽车用低转矩波动永磁电机的技术。

背景技术

电动汽车作为清洁、节能的新型交通工具，其最大的优势是“零排放”。由于它在行驶过程中没有污染，热辐射低，噪音小，不消耗汽油，可应用多种能源，使用维修方便，成为当今汽车研发热点。电机是电气驱动系统的核心，电机的性能、效率直接影响电动汽车的性能。目前在适用于电动汽车用高品质永磁驱动电机开发方面，还存在着各种各样的技术瓶颈，存在噪音大、转矩波动大、功率密度低、过载能力低和可靠性差等缺陷，难以满足产业化的要求。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种转矩及力矩波动低，且电机效率高的电动汽车用低转矩波动永磁电机。

为了解决上述技术问题，本发明所提供的一种电动汽车用低转矩波动永磁电机，包括定子和转子，定子与转子之间具有均匀的径向气隙，所述转子的外周面轴对称的固定有多个沿转子的周向凸弧形弯曲的表面安装式永磁磁极，各永磁磁极沿转子的周向间隔布设；

其特征在于：所述永磁磁极由多块径向磁化的凸弧形磁钢沿转子的周向依序拼接而成，其中的位于中间位置的磁钢为中心磁钢，其它磁钢为侧部磁钢，侧部磁钢有偶数块，各侧部磁钢对称布设在中心磁钢两侧，且各侧部磁钢的厚度一致；

各磁钢的厚度一致且中心磁钢的宽度大于侧部磁钢的宽度，或中心磁钢的厚度大于侧部磁钢的厚度。

进一步的，所述中心磁钢的厚度大于侧部磁钢的厚度，设中心磁钢的厚度为h1，侧部磁钢的厚度均为h2，则有h1大于等于h2的1.5倍，且小于等于h2的2倍。

进一步的，所述侧部磁钢有两块。

进一步的，各磁钢的厚度一致且中心磁钢的宽度大于侧部磁钢的宽度；

各侧部磁钢中，如果两块侧部磁钢分别布设在中心磁钢的两侧对称位置上，则该两块侧部磁钢的宽度一致，如果两块侧部磁钢与中心磁钢的间距相异，则距中心磁钢近的侧部磁钢的宽度，大于距中心磁钢远的侧部磁钢的宽度。

进一步的，所述侧部磁钢有四块。

进一步的，设中心磁钢的宽度夹角为4θ，则与中心磁钢相邻的两块侧部磁钢的宽度夹角均为3θ，另两块侧部磁钢的宽度夹角均为θ。

进一步的，相邻磁钢之间留有0.5～1.5mm的间隙。

进一步的，所述定子的定子铁心槽槽底中心具有朝向转子方向凸出的辅助齿，所述辅助齿在定子的周向上将其所在的定子铁心槽等分成两个子槽，辅助齿的齿端延伸至其所在的定子铁心槽的槽口。

本发明提供的电动汽车用低转矩波动永磁电机，通过对永磁磁极结构的优化及在定子铁心槽内增设辅助齿的方式，降低了电机的转矩及力矩波动，提高了电机效率，使电机综合品质大幅度提高，能满足电动、混合动力汽车驱动要求，实现高功率密度、低噪、低、宽调速、快响应、频繁启动和平稳运行。

附图说明

图1是本发明第一实施例的电动汽车用低转矩波动永磁电机的结构示意图；

图2是本发明第一实施例的电动汽车用低转矩波动永磁电机中的永磁磁极结构示意图；

图3是本发明第一实施例的电动汽车用低转矩波动永磁电机中的永磁磁极的安装示意图；

图4是本发明第一实施例的电动汽车用低转矩波动永磁电机的气隙磁场波形图；

图5是本发明第二实施例的电动汽车用低转矩波动永磁电机中的永磁磁极结构示意图；

图6是本发明第二实施例的电动汽车用低转矩波动永磁电机的工作特性图，该电机的额定功率为40KW，额定转速为3000KW；

图7是本发明第三实施例的电动汽车用低转矩波动永磁电机的结构示意图；

图8是本发明第三实施例的电动汽车用低转矩波动永磁电机的原理图；

图9是本发明其它实施例的电动汽车用低转矩波动永磁电机中，定子铁心槽采用开口槽的示意图；

图10是本发明其它实施例的电动汽车用低转矩波动永磁电机中，定子铁心槽采用带切口型开口槽的示意图；

图11是现有电机与本发明第一、第二实施例的转矩波动波形对比图。

具体实施方式

以下结合附图说明对本发明的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。

如图1-3所示，本发明第一实施例所提供的一种电动汽车用低转矩波动永磁电机，包括定子1和转子2，定子与转子之间具有均匀的径向气隙，所述转子2的外周面轴对称的固定有多个沿转子的周向凸弧形弯曲的表面安装式永磁磁极3，各永磁磁极3沿转子的周向间隔布设；

其特征在于：所述永磁磁极3由三块径向磁化的凸弧形磁钢301、302、303沿转子的周向依序拼接而成，其中的位于中间位置的磁钢302为中心磁钢，另两块磁钢301、303为侧部磁钢，两块侧部磁钢301、303对称布设在中心磁钢302两侧，且两块侧部磁钢301、303的厚度一致；

所述中心磁钢302的厚度大于侧部磁钢301、303的厚度，设中心磁钢302的厚度为h1，两块侧部磁钢301、303的厚度均为h2，则有h1大于等于h2的1.5倍，且小于等于h2的2倍。

图3是本发明第一实施例中的永磁磁极安装在转子2外周面的示意图，图中的α为永磁极夹角，β为极弧角；车用永磁电机定子齿槽与转子永磁体相互作用引起转矩波动，产生机械和电磁噪音，影响电机平稳运行和可靠性，在定转子间保持均匀径向气隙情况下，采用三块凸弧形磁钢拼接成中间厚两侧薄的凸弧形永磁磁极3能改善电机气隙磁场波形，其气隙磁场波形如图4所示，从图4可以看出，电机的气隙磁场波形由方波（图4中的曲线m）趋于正弦波（图4中的曲线n），从而有效降低电机机械和电磁噪音和抑制转矩波动。

如图5所示，本发明第二实施例与第一实施例的区别在于：第二实施例中的永磁磁极由五块径向磁化的凸弧形磁钢311、312、313、314、315沿转子的周向依序拼接而成，该五块磁钢的厚度一致，且相邻磁钢之间留有0.5～1.5mm的间隙，其中的位于中间位置的磁钢313为中心磁钢，另四块磁钢311、312、314、315为侧部磁钢，其中的中心磁钢313的宽度大于侧部磁钢的宽度，四块侧部磁钢311、312、314、315对称布设在中心磁钢313两侧；

各侧部磁钢中，如果两块侧部磁钢分别布设在中心磁钢的两侧对称位置上，则该两块侧部磁钢的宽度一致，如果两块侧部磁钢与中心磁钢的间距相异，则距中心磁钢近的侧部磁钢的宽度，大于距中心磁钢远的侧部磁钢的宽度；

即：分别布设在中心磁钢313的两侧对称位置上的两块侧部磁钢312、314的宽度一致，分别布设在中心磁钢313的两侧对称位置上的两块侧部磁钢311、315的宽度一致；与中心磁钢313相邻的两块侧部磁钢312、314的宽度，大于另两块侧部磁钢311、315的宽度；

设中心磁钢313的宽度夹角为4θ，则与中心磁钢313相邻的两块侧部磁钢312、314的宽度夹角均为3θ，另两块侧部磁钢311、315的宽度夹角均为θ。

本发明第二实施例根据电机功率大小和转子外径调整，采用五块等厚且不等宽的凸弧形磁钢拼接成凸弧形永磁磁极，并在相邻磁钢间留有间隙，该结构的永磁磁极能改善电机气隙磁场波形，显著减少永磁涡流损耗，提高电机效率，降低齿槽引起的转矩波动，降低机械振动，有利于电机频繁启动，提高过载能力。

图6是本发明第二实施例的电动汽车用低转矩波动永磁电机的工作特性图，该电机的额定功率Pn为40KW，额定转速为3000KW（本发明其它实施例中，额定功率及额定转速也可以是其它值），其中的P、I、η、θ分别为输出功率、电流、效率、电机转矩角，从图6可以看出，额定电流In为114.2A，额定点效率ηn为97.2%，充分显示了高效、低转矩波动的特点。

如图7所示，本发明第三实施例与第一实施例的区别在于：第三实施例中的永磁磁极由单块瓦型磁钢构成，在定子的定子铁心槽101的槽底中心具有朝向转子方向凸出的辅助齿102，所述辅助齿102在定子的周向上将其所在的定子铁心槽101等分成两个子槽，辅助齿102的齿端延伸至其所在的定子铁心槽101的槽口。

本发明第三实施例在定子的定子铁心槽槽底设置辅助齿，相当于增加了电机槽数，能在不增加电机槽数的条件下，提高齿槽转矩波动的基波次数（频率），减小齿槽基波和高次谐波转矩幅值，降低齿槽引起的转矩波动，其工作原理如图8所示，图8中的r1为永磁极夹角，r2为极弧角，在定子的定子铁心槽槽底设置辅助齿，能使磁极中心d轴与极间q轴径向力趋于平衡，使电机合成转矩波动大幅降低（减少30～45%），降低机械振动、噪音和反电势谐波，减少铁心损耗，实现电机高效、高功率密度、高可靠性、低噪、低波动平稳运行等特点。

本发明第三实施例在定子的定子铁心槽槽底设置辅助齿的方式也可用于第一实施例及第二实施例的定子。

本发明第三实施例中，定子铁心槽是槽口向内（即朝向辅助齿方向）收缩的半闭口槽；

如图9所示，本发明其它实施例中，定子铁心槽111也可以是槽口与槽壁齐平的开口槽，辅助齿112设置在定子铁心槽111中心。

如图10所示，本发明其它实施例中，定子铁心槽121也可以是槽口与槽壁齐平，并在定子铁心槽121槽壁的近槽口部开设有切口123（安放槽楔）的带切口型开口槽，辅助齿122设置在定子铁心槽121中心。

图11为现有电机与本发明第一、第二实施例的转矩波动波形对比图，图11中的Tr为合成波动转矩，θ为电机转矩角，曲线A为永磁磁极由多块等厚等宽磁钢构成的现有电机的转矩波动波形，其峰值合成波动转矩为1.5Nm；曲线B为本发明第一实施例的转矩波动波形，其峰值合成波动转矩为1.25Nm；曲线C为本发明第二实施例的转矩波动波形，其峰值合成波动转矩为1.0Nm；

从图11可以看出，相比现有电机，本发明第一、第二实施例的峰值齿槽转矩得到有效的抑制，使电机综合品质大幅度提高，实现高功率密度、高效、低噪、低波动平稳运行。

本发明第一、第二、第三实施例与两种同规格现有电机的电机性能比较如表1所示，表1中，D1为永磁磁极由单块瓦型磁钢构成的现有电机，D2为永磁磁极由多块等厚等宽磁钢构成的现有电机，D3为本发明第一实施例的电机，D4为本发明第二实施例的电机，D5为本发明第三实施例的电机；

表1：

	D1	D2	D3	D4	D5
						额定输出功率（KW）	40	40	40	40	40
额定输出转矩（Nm）	127	127	127	127	127
						额定转速（r/min）	3000	3000	3000	3000	3000
额定电流（A）	141.5	138.3	123	114.2	136.5
						齿槽转矩（Nm）	7.25	6.2	2.8	2.65	2.76
齿槽转矩波动（%）	5.7	4.9	2.2	2	2.2
						效率（%）	94.5	95.6	96.8	97.2	96.2

从表1可以看出，本发明第一、第二、第三实施例的齿槽转矩波动分别减少至2.2%、2%、2.2%，额定转矩下的电流分别减小到123A、114.2A、136.5A，效率分别提高到96.8%、97.2%、96.2%，电机综合性能得到显著提高。

综上所述，本发明各实施例能有效提高电机的综合性能，使电机综合品质大幅度提高，满足电动、混合动力汽车驱动要求，实现高功率密度、低噪、低力矩波动、宽调速、快响应、频繁启动和平稳运行。

Claims (8)

1.一种电动汽车用低转矩波动永磁电机，包括定子和转子，定子与转子之间具有均匀的径向气隙，所述转子的外周面轴对称的固定有多个沿转子的周向凸弧形弯曲的表面安装式永磁磁极，各永磁磁极沿转子的周向间隔布设；

其特征在于：所述永磁磁极由多块径向磁化的凸弧形磁钢沿转子的周向依序拼接而成，其中的位于中间位置的磁钢为中心磁钢，其它磁钢为侧部磁钢，侧部磁钢有偶数块，各侧部磁钢对称布设在中心磁钢两侧，且各侧部磁钢的厚度一致；

各磁钢的厚度一致且中心磁钢的宽度大于侧部磁钢的宽度，或中心磁钢的厚度大于侧部磁钢的厚度。

2.根据权利要求1所述的电动汽车用低转矩波动永磁电机，其特征在于：所述中心磁钢的厚度大于侧部磁钢的厚度，设中心磁钢的厚度为h1，侧部磁钢的厚度均为h2，则有h1大于等于h2的1.5倍，且小于等于h2的2倍。

3.根据权利要求2所述的电动汽车用低转矩波动永磁电机，其特征在于：所述侧部磁钢有两块。

4.根据权利要求1所述的电动汽车用低转矩波动永磁电机，其特征在于：各磁钢的厚度一致且中心磁钢的宽度大于侧部磁钢的宽度；

各侧部磁钢中，如果两块侧部磁钢分别布设在中心磁钢的两侧对称位置上，则该两块侧部磁钢的宽度一致，如果两块侧部磁钢与中心磁钢的间距相异，则距中心磁钢近的侧部磁钢的宽度，大于距中心磁钢远的侧部磁钢的宽度。

5.根据权利要求4所述的电动汽车用低转矩波动永磁电机，其特征在于：所述侧部磁钢有四块。

6.根据权利要求5所述的电动汽车用低转矩波动永磁电机，其特征在于：设中心磁钢的宽度夹角为4θ，则与中心磁钢相邻的两块侧部磁钢的宽度夹角均为3θ，另两块侧部磁钢的宽度夹角均为θ。

7.根据权利要求4所述的电动汽车用低转矩波动永磁电机，其特征在于：相邻磁钢之间留有0.5～1.5mm的间隙。

8.根据权利要求1或2或4所述的电动汽车用低转矩波动永磁电机，其特征在于：所述定子的定子铁心槽槽底中心具有朝向转子方向凸出的辅助齿，所述辅助齿在定子的周向上将其所在的定子铁心槽等分成两个子槽，辅助齿的齿端延伸至其所在的定子铁心槽的槽口。