CN104935131A

CN104935131A - 一种内散热复合磁通切换永磁电机

Info

Publication number: CN104935131A
Application number: CN201510327679.XA
Authority: CN
Inventors: 花为; 周令康; 程明
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2015-06-15
Filing date: 2015-06-15
Publication date: 2015-09-23

Abstract

本发明涉及一种内散热复合磁通切换永磁电机，拥有两个定子，两个转子，电枢绕组，永磁体，隔磁环和散热孔。一方面，内外转子上不含永磁体和任何励磁绕组，因此该电机拥有结构坚固的特点；另一方面，两转子上安装有永磁体和电枢绕组并通过隔磁环连接，可将电机热量直接由散热孔从内部散发出去。在结构上保留了永磁式磁通切换电机鲁棒性好、适于高速运行的优势，无需额外增加电机体积就可以实现电机内散热，保证了该电机具有较强的可靠性以及过载能力，特别适合于要求体积小可靠性要求高散热条件差的场合。

Description

一种内散热复合磁通切换永磁电机

技术领域

本发明是一种结构坚固、工作模式多样化、具有较强转矩输出能力、较高功率密度以及较佳散热性能的电机，尤其是一种能够实现电子无级变速运行及从电机内部直接散热的电机，属于电机制造的技术领域。

背景技术

随着世界能源的不断衰竭，采用新能源汽车取代传统燃油汽车成为全世界的共识。目前国际上主要研究的新能源汽车主要有三种，即纯电动汽车、燃料电池汽车和混合动力汽车，其中前两者因为技术不成熟、续航里程不足或经济成本高昂而在商用、家用乘用车领域难以大范围推广。混合动力汽车则因其技术成熟，续航里程长而被广泛关注并得到了较为普及的应用。

有效实现混合动力汽车基本功能的关键技术之一是研发高性能的电子无级调速器（Electrical-Continuous Variable Transmission，以下简称E-CVT）系统。E-CVT系统作为一种具有机械功率分配的能量传递系统，其突出优点是能够使发动机在全程范围内运行在最佳燃油经济线，从而有效提高整车效率。E-CVT系统的核心部件是其功率分配装置，保证发动机运行于最佳区域，从而实现混合动力汽车传动系统的综合最优控制。根据是否采用机械齿轮，可将现有上市混合动力汽车的E-CVT系统以及国内外专家学者广泛关注的E-CVT系统分为两大类：一类是采用机械齿轮（行星齿轮）的E-CVT系统，另一类为没有齿轮啮合的无齿轮E-CVT系统。

尽管行星齿轮结构较好地解决了发动机功率分配以及驱动转矩的合成问题，然而，和所有机械齿轮类似，行星齿轮存在着传输损耗和齿轮噪声的缺点，而且必须人为定期地给齿轮施加润滑剂加以维护。为了解决这种复合机械结构所存在的弊端，国内外研究人员尝试采用由一个双机械端口（即双转子）电机来替代行星齿轮结构，即通过无机械接触的电磁力（电磁转矩）作用实现机械功率的集中与分配以满足车速的自由调节需要，意即采用电气联结方式克服上述问题。然而，这种基于双转子电机实现电气联结的电子无级调速系统在克服行星齿轮缺点的同时也产生了一个新的问题：系统中所采用的双转子电机必需通过滑环和碳制电刷实现转子中的电能传递。而众所周知，滑环和碳制电刷将产生额外的损耗，而且亦需要定期维护。

不同于改良的思想，近年来出现了一种全新的电子无级调速系统概念ZL201210274466.1（CN102832771B），既不需要行星齿轮，也不需要滑环和碳制电刷。这套系统不仅可以从本质上解决现在所有以行星齿轮方式联结的电子无级调速系统的缺点，而且也可以克服已有的基于滑环和电刷的电气联结电子无级调速系统的缺点。尽管专利ZL201210274466.1（CN102832771B）所提出的一种复合磁通切换永磁无刷电机系统能够实现功率分配，然而，由于混合动力汽车内部空间有限且驱动电机功率较大，以2010款丰田普锐斯为例，其电机功率达50kW，如果散热不佳会严重影响电机性能，甚至烧毁电机，因此如何保证电机，尤其是内电机的定子散热具有十分重要的理论意义与工程实用价值。

目前，电机所采用的散热系统一般为风冷和液冷，其中在电动汽车驱动系统中使用较多的是液冷方式，如丰田普锐斯、凯美瑞及本田思域。然而，这种散热方式的原理是将电机内部尤其是定子绕组产生的热能先以传导的方式传递至定子外壳，然后通过冷却电机外壳实现散热目的，并不能直接将电机内部热量带走，并且对于位于转子的永磁体温度冷却效果较差。因此，为了保证电子无级调速系统散热性能需求，本发明在专利ZL201210274466.1（CN102832771B）的基础之上，提出了一种具有内散热功能的复合磁通切换永磁电机，其在具备电子无级无刷调速的性能之外，还具有极强的散热能力，从而使其可靠性以及过载能力进一步增强。

发明内容

技术问题：本发明目的是提出一种具有内散热能力的复合磁通切换无刷永磁电机。该电机可以在不额外增加体积的条件下，通过在隔磁环上增加散热孔的方法达到较好的散热效果，从而提升电机各项性能，包括提高其可靠性以及过载能力等。

技术方案：本发明的内散热复合磁通切换永磁电机包括：内电机、外电机、隔磁环三大部分，其中：内、外电机采用同心式结构，内电机置于内部，外电机置于外部，内外电机之间通过隔磁环隔离；内电机包括：内转子、内定子；外电机包括：外转子、外定子。内定子和外定子齿数相同，内定子和外定子的每个定子齿铁心中间都嵌入永磁体，永磁体充磁方向呈切向分布；相邻的定子齿中的永磁体极性呈交错分布，即第一个定子齿中永磁体极性分布若为N-S，则与之相邻的内外定子齿中的永磁体极性为S-N，依次交错分布于内外定子齿中。因此，若内外定子齿数都为P _s，则一共有P _s块永磁体嵌入内外定子齿中。内定子和外定子之间通过隔磁环连接，隔磁环上冲有散热孔。由于内外定子都与隔磁环直接接触，因此，内外电枢绕组产生的热量很容易通过内、外定子铁心传至隔磁环并由散热孔通过直接与散热设备（如水冷设备等）流体管道链接，使得散热流体可直接通过散热孔从电机内部带走热量。三相集中式电枢绕组的各线圈均横跨于一个定子齿上，其中，三相集中电枢绕组一共有P _s个集中式电枢线圈以ABC三相的顺序依次交替分布，每相由P _s/3个电枢线圈组成，属于同相的各个线圈空间彼此相差1080^o/P _s（空间机械角度）。若以一台内、外定子均12个槽，内转子为10个齿（极），外转子为22个齿（极）的自散热复合磁通切换电机为例，为满足绕组互补性，改善电机磁链和感应电势正弦度，同相电枢线圈必须串联，则第一、第二集中电枢线圈与第三、第四集中电枢线圈径向相对（空间相差90^o），顺序串连后组成A相电枢绕组；第五、第六集中电枢线圈与第七、第八集中电枢线圈径向相对（空间相差90^o），顺序串连后组成B相电枢绕组；第九、第十集中电枢线圈与第十一、第十二集中电枢线圈径向对（空间相差90^o），顺序串连后组成C相电枢绕组；对于组成A相的4个电枢绕组线圈而言，第一、第二集中线圈和第三、第四集中线圈在任何转子位置，其绕组中匝链的永磁磁链数量相同、方向相反，故需要反向串连组成A相，对B、C两相情况类似。电枢绕组为集中式线圈组成。内、外定子都由导磁铁心和永磁体拼接而成。内、外转子均为直槽或斜槽转子（为进一步改善磁链和感应电势正弦度），内、外转子上既无永磁体也无绕组。永磁体可以为铁氧体、钐钴或者钕铁硼等其他类型永磁材料。隔磁环为非导电非导磁材料。内、外转子铁心均由硅钢片冲压而成，内转子置于内定子中，外转子套在外定子外部，即内定子和内转子组成一个内转子的磁通切换永磁电机，外定子和外转子组成一个外转子的磁通切换永磁电机。

内散热复合磁通切换电机重要组成部分之一为隔磁环，隔磁环置于内外电机之间并与内外电机定子铁心直接接触，除起到隔离内外电机磁场耦合的功能之外，还有链接固定内外电机的功能。因此，在隔磁环上开散热孔，即可将电机内部的热量直接散发出来，起到散热功能，更为重要的是，由于散热孔置于隔磁环之上，不与任何电枢绕组或硅钢片接触，因此，散热孔可直接与散热设备（如水冷设备等）流体管道链接，使得散热流体可直接通过散热孔直接从电机内部带走热量，不仅节约了成本，安装方便且能获得较好的散热效果。

有益效果：1．在结构上保留了普通复合磁通切换永磁电机结构坚固、工作模式多样化的优点；

2．在性能上保留了永磁无刷电机转矩出力大、功率密度高、效率高的优势；

3．与传统复合磁通切换永磁电机相比，不需要额外增加电机体积，节约成本；

4．自散热复合磁通切换电机中的电枢绕组采用集中式线圈，端部较短；

5．可根据不同性能需求，灵活调节定转子齿槽配合或采用直槽、斜槽转子直槽或者斜槽，从而获得梯形波或者正弦波的每相空载感应电势；

6．隔磁环上的散热孔中可以通过散热设备流体管道或者在轴端增加强制风冷风扇，从而获得较佳的散热效果，增强电机的可靠性与过载能力。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2所示为图1中电机外接散热设备后的原理图。

其中有：内定子1，内定子永磁体2，内转子3，内电机电枢绕组4，外转子5，外定子6，外定子永磁体7，隔磁环8，散热孔9，外电机电枢绕组10，冷却管道11，冷却泵12，散热片13。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明进行进一步详述：

如图1以一台内定子12槽/内转子10极/外定子12槽/外转子22极电机为例，将永磁体分别嵌入内定子和外定子的定子齿中，永磁体极性与电机定子圆周呈正切，相同永磁体极性定子齿在径向呈一直线。对于内定子1而言，第一个定子齿之中永磁体2极性为N-S分布，则与之相邻的第二个定子齿中永磁体极性则为S-N分布，以此类推，内定子1的12个定子齿中永磁体极性呈交替分布，即NS-SN-NS-SN-NS-SN-NS-SN-NS-SN-NS-SN；对外定子6而言，定子齿中永磁体7极性为N-S分布，则与之相邻的第二个定子齿中永磁体极性则为S-N分布，以此类推，内定子6的12个定子齿中永磁体极性呈交替分布，即NS-SN-NS-SN-NS-SN-NS-SN-NS-SN-NS-SN；处于同一直线的内外定子齿中永磁体极性分布一致。

内转子3和外转子5可以是直槽转子，保证了本发明在采用集中绕组和转子不斜槽的条件下，可获得非常接近于梯形波分布的磁链、反电动势等静态特性，从而使本发明更加适合于作为无刷直流驱动方式的交流调速系统元件。此外，也可以对内转子3和外转子5斜槽一定角度，获得较为正弦的反电动势，使本发明适合于作为无刷交流驱动方式的交流调速系统元件。

内定子永磁体2和外定子永磁体7是铁氧体、钐钴或者钕铁硼等其他类型永磁材料，外定子6、内定子1、外转子5和内转子3都可以采用硅钢片冲片压叠制成。

内定子和外定子通过隔磁环8链接，隔磁环8和外定子6以及内定子1固定，隔磁环8上具有前后贯通的散热孔9，可将电机热量直接从内部散发出去。

图2为将图1中电机与外部散热设施连接后的散热原理图，冷却管道11将散热孔9，冷却泵12以及散热片13相连起来，冷却泵12驱动冷却流体经冷却管道11通过散热孔9从电机内部带走电机热量，之后通过散热片13将热量彻底散发出去，形成一个冷却循环，极大的提高了冷却效率和冷却效果。

Claims

1.一种内散热复合磁通切换永磁电机，其特征在于：包括内电机、外电机、隔磁环三大部分，其中：内、外电机采用同心式结构，内电机置于内部，外电机置于外部，内外电机之间通过隔磁环隔离，所述内电机包括：内定子（1）内转子（3），外电机包括：外转子（5）、外定子（6），内定子（1）和外定子（6）齿数相同，内定子和外定子的每个定子齿铁心中间都嵌入永磁体，永磁体充磁方向呈切向分布；相邻两个定子齿中的两块永磁体极性交错分布，即呈NS-SN分布，内定子和外定子通过隔磁环（8）连接，隔磁环（8）之上具有散热孔（9），散热孔（9）可直接与外部散热设备相链。

2.根据权利要求1所述的内散热复合磁通切换永磁电机，其特征在于：外定子（6）为导磁铁心和第一永磁体（7）拼装而成，其中第一永磁体（7）镶嵌装于外定子（6）的定子齿正中间，在外定子（6）上还设置外电机电枢绕组（10）。

3.根据权利要求1所述的内散热复合磁通切换永磁电机，其特征在于：内定子（1）为导磁铁心和第二永磁体（2）拼装而成，其中第二永磁体（2）镶嵌装于内定子（1）的定子齿正中间，在内定子（1）上还设置内电机电枢绕组（4）。

4.根据权利要求1所述的内散热复合磁通切换永磁电机，其特征在于：外转子（5）和内转子（3）上既无永磁体也无绕组，转子为适合于无刷直流运行的直槽或适合于无刷交流运行的斜槽。