CN105656267A - 双极性横向磁通永磁同步电机 - Google Patents

Abstract

一种双极性横向磁通永磁同步电机，外转子部分包括转子壳体及贴于其内壁上的转子铁芯，内定子部分包括定子铁芯、永磁体、定子轴及线圈绕组，每相转子单元包含p个转子铁芯，p个转子铁芯沿着圆周均匀分布，分为上、下两层，每层各为p/2个转子铁芯，总共m相转子单元沿轴向交错排列，每相定子单元包含p个定子铁芯，p个定子铁芯沿着圆周均匀分布，p个定子铁芯的开口部位均沿径向朝向转子，永磁体表贴于定子铁芯的齿部上，永磁体与铁芯齿的接触面积与永磁体的径向表面面积相同，p个定子铁芯、2p个永磁体和一个线圈绕组组成一相定子单元，总共m个相同该单元沿轴向排列成m相定子。本发明结构简单，转矩密度及功率密度较高，齿槽转矩小，成本较低。

Description

双极性横向磁通永磁同步电机

技术领域：

本发明涉及横向磁通永磁电机技术领域，具体讲是一种结构简单，转矩密度及功率密度较高，齿槽转矩小，成本较低的双极性横向磁通永磁同步电机。

背景技术：

随着能源和环境污染问题的日益突出，节能减排已经成为全人类的共同任务，随着近期巴黎气候大会《巴黎协定》的通过，传统燃油车的未来变得越来越黯淡，而新能源汽车将成为人们日常生活中主要的交通工具。早在本世纪初，我国政府就已将新能源汽车作为政策扶持的对象，新能源汽车之一种就是纯电动汽车。相比传统汽车，纯电动汽车具有近乎零排放，低能耗的优点。目前纯电动汽车大都采用集中式动力，即由一台主驱动电机通过传动轴将功率输送到驱动轮上，即仅仅是将汽车的传统内燃机的动力源换成了电动机，整体架构仍然局限在传统汽车的设计思路上。采用四轮或两轮直驱轮毂电机的纯电动汽车完全跳开了传统内燃机汽车架构的束缚，省去了变速箱以及机械传动机构，提高了汽车整体的效率以及性能；还可以用两轮轮毂电机架构混合动力汽车，总之，轮毂电机已经成为新能源汽车发展的关键技术之一。

当纯电动汽车采用轮毂电机技术时，对轮毂电机的直径以及宽度就有较大的约束，并且需要有较高的功率密度要求，目前电动汽车用轮毂电机大都采用永磁同步电机或者无刷直流电机，属于传统的径向磁通电机，它们的线圈槽与铁芯齿处于同一个平面上，从而导致齿宽与槽宽存在不可调和的竞争关系，功率密度难以有效提高。横向磁通永磁电机由于线圈槽和铁芯齿在空间上相互垂直，因此可以实现比径向磁通电机更高的转矩密度，并且由于相间相互独立(所谓相间相互独立，是指一相运行时对其他相运行无影响，即不影响另外一相输入的电流、感应电动势等)，使得设计多相电机实现容错冗余运行变得较为方便。可以预见：横向磁通电机不仅在新能源汽车领域，而且在家电领域亦将具有广阔的应用前景。但是，值得一提的是：现有结构的横向磁通电机多属于单极性磁通，定子空间利用率低，尚存齿槽转矩大、成本较高等不足，限制了横向磁通永磁电机在新能源汽车领域和家电领域的进一步应用。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是，提供一种结构简单，转矩密度及功率密度较高，齿槽转矩小，成本较低的双极性横向磁通永磁同步电机。

本发明的技术解决方案是，提供一种具有以下结构的双极性横向磁通永磁同步电机，它包括外转子部分和内定子部分，其中：

外转子部分包括转子壳体及贴于转子壳体内壁上的转子铁芯，每相转子单元包含p个转子铁芯，p个转子铁芯沿着圆周均匀分布，分为上、下两层，每层各为p/2个转子铁芯，且上、下两层转子铁芯沿转子壳体轴向呈反对称分布，上层转子铁芯与下层转子铁芯沿圆周错开的角度为360°/p，p个转子铁芯组成一相转子单元，总共m个相同该单元沿轴向排列成m相转子单元；

内定子部分包括定子铁芯、永磁体、定子轴及线圈绕组，每相定子单元包含p个定子铁芯，p个定子铁芯沿着圆周均匀分布，p个定子铁芯的开口部位均沿径向朝向转子，永磁体表贴于定子铁芯上、下两个铁芯齿上，单个永磁体与铁芯齿接触部分的接触面积与永磁体的径向表面面积相同，p个定子铁芯、2p个永磁体和一个线圈绕组组成一相定子单元，总共m个相同该单元沿轴向排列成m相定子，m相定子嵌放在定子轴上，每个定子铁芯上、下两个铁芯齿上表贴的永磁体的充磁方向相同，但沿圆周方向的相邻永磁体的充磁方向相反。

本发明通过有限元分析与理论磁网络法计算，提出了双极性横向磁通永磁同步电机，该同步电机的优点如下：

1、外转子无绕组，而内定子绕组采用集中整距绕组，结构相对简单。

2、本发明通过外转子、内定子、双层反对称的转子铁芯和定子铁芯的综合匹配，实现了磁通的双极性，其功率密度与转矩密度将是目前采用单极性横向磁通电机的两倍，在同样功率和转矩值下，可以比单极性横向磁通电机体积小，成本较低。

3、由于铁芯齿和线圈槽截面解耦，因此相对传统电机来说，电机结构设计更加灵活，可以将铁芯磁密和绕组电流密度同时设计得较大，使电机体积减小，成本降低。

本发明所述的双极性横向磁通永磁同步电机，其中，各相转子单元之间沿轴向依次同方向错开的角度为360°/(p×m)，各相定子单元之间不错开角度，定子铁芯及定子铁芯上极性相同的永磁体均对齐排列。

本发明所述的双极性横向磁通永磁同步电机，其中，各相定子单元之间沿轴向依次同方向错开的角度为360°/(p×m)，定子铁芯及定子铁芯上极性相同的永磁体各相也随之依次同方向错开的角度也为360°/(p×m)，而各相转子单元之间不错开角度均对齐排列。

本发明所述的双极性横向磁通永磁同步电机，其中，定子铁芯的形状呈“C”形，定子铁芯齿部圆弧直径与定子铁芯的外径相同，定子铁芯的轴向俯视图成扇形。

本发明所述的双极性横向磁通永磁同步电机，其中，永磁体的形状呈弧形瓦片状。

本发明所述的双极性横向磁通永磁同步电机，其中，转子铁芯的形状呈“S”形，转子铁芯齿部圆弧直径与转子铁芯的内径一样。

附图说明：

图1为本发明实施例一中外转子部分和内定子部分的立体结构示意图；

图2为本发明实施例一中外转子部分的剖视图；

图3为本发明实施例一中上层转子铁芯与下层转子铁芯反对称分布的示意图；

图4为本发明实施例一中内定子部分的俯视图；

图5为本发明实施例一中“S”形转子铁芯的立体结构示意图；

图6是图5的左视图；

图7是图5的俯视图；

图8为本发明实施例一中“C”形定子铁芯的立体结构示意图；

图9是图8的左视图；

图10是图8的俯视图；

图11为本发明实施例一中的一条双极性磁通路径形成示意图；

图12为本发明实施例一中的另一条双极性磁通路径形成示意图；

图13为本发明实施例一中永磁体的立体结构示意图；

图14为本发明实施例一中永磁体的俯视结构示意图；

图15为本发明实施例二中外转子部分和内定子部分的立体结构示意图；

图16为本发明实施例二中外转子部分的剖视图；

图17为本发明实施例二中定子铁芯的排列图。

具体实施例：

下面结合附图和具体实施例对本发明双极性横向磁通永磁同步电机作进一步说明：

实施例一

如图1和图2所示，在具体实施例一中，本发明双极性横向磁通永磁同步电机为三相24极双极性外转子横向磁通永磁同步电机，该同步电机包括外转子部分1和内定子部分2。外转子部分1包含转子壳体3以及72个贴于转子壳体3内壁上的“S”形转子铁芯4，这些“S”形转子铁芯4分属A、B、C三相，每相有24个“S”形转子铁芯4，这24个“S”形转子铁芯4分为上、下两层，每层分别12个，上、下两层转子铁芯4沿着转子壳体3轴向呈反对称分布，这里的反对称分布，如图2和图3中的转子铁芯4-1和转子铁芯4-3所示，是指下层的转子铁芯4-3相对上层的转子铁芯4-1呈倒置放置。与此同时，上、下两层转子铁芯4中相邻的“S”形转子铁芯4沿圆周错开的角度为15°，如图2中的转子铁芯4-1与转子铁芯4-3错开的角度以及转子铁芯4-3与转子铁芯4-2错开的角度均为15°，而同一层转子铁芯4中相邻“S”形转子铁芯4错开的角度为30°，如图2中转子铁芯4-1与转子铁芯4-2错开的角度为30°。如图2所示，外转子部分1总共有A、B、C三相，各相转子单元之间沿轴向以相同间隔依次同方向错开，其错开角度均为5°，如图2中转子铁芯4-1、4-4和4-5所示，即转子铁芯4-1与4-4错开的角度为5°，转子铁芯4-4与4-5错开的角度也为5°。

如图1和图4所示，内定子部分2包括定子铁芯5、永磁体6、定子轴7及线圈绕组8。每相定子单元包含24个“C”形定子铁芯5，这24个“C”形定子铁芯5沿着圆周均匀分布，每个“C”形定子铁芯5的开口部位9，如图8所示，均沿径向朝向转子，而两个永磁体6分别表贴于每个“C”形定子铁芯5的上、下两个铁芯齿10上，单个永磁体6与铁芯齿10接触部分的接触面积与如图13和14所示的永磁体6的径向表面面积相同。如图13和图14所示，永磁体6的单体形状呈弧形瓦片状，采用径向充磁、圆周方向排列，各相定子单元之间不错开角度，“C”形定子铁芯5及“C”形定子铁芯5上极性相同的永磁体6均对齐排列，如图1所示，5-1、5-2和5-3分别表示每相的一个“C”形定子铁芯5，“C”形定子铁芯5-1、5-2和5-3在同一个轴向上，而8-1、8-2、8-3表示三相线圈绕组8，每个定子铁芯5上、下两个铁芯齿10上表贴的永磁体6的充磁方向相同，但沿圆周方向分布的相邻永磁体6的充磁方向相反，例如永磁体6-4与6-5、6-6与6-7、6-8与6-9、6-10与6-11、6-12与6-13、6-14与6-15永磁体充磁方向相反，而永磁体6-4、6-7、6-8、6-11、6-12、6-14的充磁方向相同，永磁体6-5、6-6、6-9、6-10、6-13、6-15充磁方向相同。如图1所示，与外转子部分1对应，内定子部分2也为三相，24个“C”形定子铁芯、48个永磁体6和1个线圈绕组8构成一相单元，总共三个相同该单元沿轴向以相同间隔排列形成三相定子，它们沿轴向对齐排列，嵌放在定子轴7上。

本具体实施例一中，本发明中两条双极性磁通路径如图11和图12所示，在图11中，磁通依次沿着永磁体6的N极—空气隙11-1—转子铁芯4-3—空气隙11-2—定子铁芯5—永磁体6的S极，形成磁通回路13。在图12中，磁通依次沿着永磁体6的N极—空气隙12-1—转子铁芯4-1—空气隙12-2—定子铁芯5—永磁体6的S极，形成磁通回路14。由图11和图12可知，随着转子转动，内定子所对外转子铁芯在4-3和4-1交替变换，从而使线圈槽15中线圈绕组8的磁通呈现为双极性。

本具体实施例一中，如图5、图6和图7所示，转子铁芯4的形状呈“S”形，且转子铁芯4齿部圆弧直径与转子铁芯4的内径一样。所有“S”形转子铁芯为多个相同“S”形硅钢冲片4-a叠压而成，叠压时使硅钢冲片4-a依次错开以使叠压成形的“S”形转子铁芯齿部圆弧直径与转子内径一样，叠压后如图7所示的两端为平行，为便于安装，在“S”形硅钢冲片4-a叠压粘接成型后进行切割，使面向定子部分4-b的俯视图成楔形，如图7所示。

本具体实施例一中，如图8、图9和图10所示，定子铁芯5的形状呈“C”形，定子铁芯5齿部圆弧直径与定子铁芯5的外径相同，“C”形定子铁芯5可以由如图9所示的定子硅钢冲片5-a叠压而成，叠压时使定子硅钢冲片5-a依次错开，以使叠压成形的定子铁芯5齿部圆弧直径与定子外径相同，每个“C”形定子铁芯5的中间部分为线圈槽15，当铁芯叠压成型后进行粘接，就进行切削加工，以使其俯视看起来成扇形，如图10所示。

本发明所提出的双极性横向磁通永磁同步电机通过等效磁网络法理论分析与有限元软件三维建模分析，它通过外转子、内定子、双层反对称的转子铁芯和定子铁芯的综合匹配，实现了磁通的双极性，其功率密度将是目前采用单极性横向磁通电机的两倍，实现横向磁通电机的高功率密度设计。

本发明的运行原理是：双极性横向磁通永磁同步电机工作时遵循“磁阻最小原理”即磁通总是要沿磁阻最小的路径闭合，因磁力线扭曲而产生磁阻性质的电磁转矩，拖动电机产生旋转运动。具体来说，在电机相数m＝3时，假定本发明的第一相定子绕组中在通入正弦交变电流后该相定子“C”形定子铁芯与转子“S”形转子铁芯对齐，那么在紧邻的下一相通入正弦交变电流后，由于三相转子单元依次错开5°，如此第二相定子绕组中通入正弦交变电流产生的磁通磁力线扭曲将形成磁阻性质的电磁转矩，它将拖动电机转子转动120度电角度，使第二相定子“C”形定子铁芯与转子“S”形转子铁芯对齐，同理第三相产生的电磁转矩将拖动转子旋转120度电角度，使第三相定子“C”形定子铁芯与转子“S”形转子铁芯对齐，如此依次按第一相→第二相→第三相→第一相…给三相绕组连续通电，就可以使电机的外转子产生连续的旋转运动。

实施例二：

如图15、16和17所示，对比实施例一，本发明实施例二的区别主要体现在三相内定子单元沿轴向依次同方向错开5°，定子铁芯5上极性相同的永磁体6各相也随之依次同方向错开的角度也为5°，而各相转子单元之间不错开角度均对齐排列。如图17所示，B相内定子较A相内定子整体错开了5°，C相内定子较B相内定子整体错开了5°，即与A相内定子整体错开10°。

与实施例一相同的是，每相中的24个“C”形定子铁芯仍旧沿圆周方向均匀分布。如图16所示，上、下两层转子铁芯4中相邻的“S”形转子铁芯4沿圆周错开的角度仍为15°，同一层转子铁芯4中相邻“S”形转子铁芯4错开的角度仍为30°。

由于实施例二中的其它结构、磁通形成路径及运行原理均与实施例一相同，故不再赘述。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施例进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种双极性横向磁通永磁同步电机，它包括外转子部分(1)和内定子部分(2)，其特征在于：

外转子部分(1)包括转子壳体(3)及贴于转子壳体(3)内壁上的转子铁芯(4)，每相转子单元包含p个转子铁芯(4)，p个转子铁芯(4)沿着圆周均匀分布，分为上、下两层，每层各为p/2个转子铁芯(4)，且上、下两层转子铁芯(4)沿转子壳体(3)轴向呈反对称分布，上层转子铁芯与下层转子铁芯沿圆周错开的角度为360°/p，p个转子铁芯(4)组成一相转子单元，总共m个相同该单元沿轴向排列成m相转子单元；

内定子部分(2)包括定子铁芯(5)、永磁体(6)、定子轴(7)及线圈绕组(8)，每相定子单元包含p个定子铁芯(5)，p个定子铁芯(5)沿着圆周均匀分布，p个定子铁芯(5)的开口部位(9)均沿径向朝向转子，所述永磁体(6)表贴于定子铁芯(5)上、下两个铁芯齿(10)上，单个永磁体(6)与铁芯齿(10)接触部分的接触面积与永磁体(6)的径向表面面积相同，p个定子铁芯(5)、2p个永磁体(6)和一个线圈绕组(8)组成一相定子单元，总共m个相同该单元沿轴向排列成m相定子，m相定子嵌放在定子轴(7)上，每个定子铁芯(5)上、下两个铁芯齿(10)上表贴的永磁体(6)的充磁方向相同，但沿圆周方向的相邻永磁体(6)的充磁方向相反。

2.根据权利要求1所述的双极性横向磁通永磁同步电机，其特征在于：各相转子单元之间沿轴向依次同方向错开的角度为360°/(p×m)，各相定子单元之间不错开角度，定子铁芯(5)及定子铁芯(5)上极性相同的永磁体(6)均对齐排列。

3.根据权利要求1所述的双极性横向磁通永磁同步电机，其特征在于：各相定子单元之间沿轴向依次同方向错开的角度为360°/(p×m)，定子铁芯(5)及定子铁芯(5)上极性相同的永磁体(6)各相也随之依次同方向错开的角度也为360°/(p×m)，而各相转子单元之间不错开角度均对齐排列。

4.根据权利要求1或2或3所述的双极性横向磁通永磁同步电机，其特征在于：所述定子铁芯(5)的形状呈“C”形，定子铁芯(5)齿部圆弧直径与定子铁芯(5)的外径相同，所述定子铁芯(5)的轴向俯视图成扇形。

5.根据权利要求1或2或3所述的双极性横向磁通永磁同步电机，其特征在于：所述永磁体(6)的形状呈弧形瓦片状。

6.根据权利要求1或2或3所述的双极性横向磁通永磁同步电机，其特征在于：所述转子铁芯(4)的形状呈“S”形，转子铁芯(4)齿部圆弧直径与转子铁芯(4)的内径一样。