CN106026448A - 一种eps用无刷电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种EPS用无刷电机，包括定子、转子，所述定子设置在转子外侧，所述转子套设在机轴上，所述定子包括定子轭，定子齿，定子槽和线圈，所述线圈采用分数槽集中双层绕组，绕组分成4个绕线结构完全相同的小区域，所述转子的边缘四周均匀分布有若干磁钢，所述转子与定子之间设有气隙，所述转子采用分段式结构，并错开一定的角度。本发明通过对定转子材料和结构参数都进行优化，使得EPS用无刷电机功率密度明显提高，转矩脉动明显降低。

Description

一种EPS用无刷电机

技术领域

本发明涉及一种EPS用无刷电机，属于电机技术领域。

背景技术

EPS系统对无刷电机有特殊的要求，1.EPS系统留给无刷电机的安装位置很有限，并且电机质量要小，还要求电机有一定的输出功率，即电机的功率密度要大，2.电机的震动要小，噪声要小。

在EPS无刷电机设计中，最大的困难是电机的功率密度不能满足EPS系统的要求和电机转矩脉动大。主磁通和有效导体数决定了电机的功率密度。主磁通又和齿部磁密和齿宽、硅钢片磁饱和点、磁钢剩磁等有关。所以说影响EPS无刷电机功率密度的因素很多又复杂，一旦某个参数选取不当，就有可能降低了EPS无刷电机功率密度。在电机材料磁饱和点、磁钢剩磁确定后，应该确定定子的槽宽、齿宽、轭宽、气隙直径，设计中槽宽、齿宽、轭宽选取不合理，会导致铁芯部分磁密特别是齿部磁密容易饱和或过低。在电机本体中齿槽转矩是导致电机转矩脉振的一个重要原因，合理的绕组分布和转子分段错位可以降低齿槽转矩，但绕组分布不合理和分段错位角度选取不合适时，不但不会降低齿槽转矩，反而会增加电机齿槽转矩。

发明内容

目的：为了解决上述问题，本发明提供了一种EPS用无刷电机，对EPS用无刷电机材料和结构进行优化，从而提高EPS无刷电机功率密度和降低转矩脉动。

技术方案：为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种EPS用无刷电机，包括定子、转子，所述定子设置在转子外侧，所述转子套设在机轴上，所述定子包括定子轭，定子齿，定子槽和线圈，所述线圈采用分数槽集中双层绕组，且绕组分成4个绕线结构完全相同的小区域，所述转子的边缘四周均匀分布有若干磁钢，所述转子与定子之间设有气隙，所述转子采用分段式结构，并错开一定的角度，所述电机的关键结构参数确定步骤如下：

1a)气隙直径D_i和电机长度L确定：气隙直径D_i和电机长度L满足以下关系式时可以使磁钢的体积最小、利用率最高，结合输入目标参数最终确定气隙直径D_i和电机长度L:

$D_i=\frac{4K_w{\mathrm{\ρjT}}_D^{\′}\×{10}^4}{{\mathrm{\πB}}_r{\mathrm{\α}}_i{\mathrm{UI}}_N};L=\frac{2{\mathrm{\ρjT}}_D^{\′}\×{10}^4}{{\mathrm{ZB}}_r{\mathrm{\α}}_i{\mathrm{UI}}_N},$

其中,K_w为绕组伸长系数、ρ为电阻率、j为电流密度、T′_D为电磁堵转力矩、B_r为磁钢剩磁、α_i为极弧系数、I_N为电机的额定电流、Z为确定槽数、U为额定电压，均为经验参数和目标参数；

1b)定子槽形的确定：齿宽b_t、槽宽S_t、轭宽h_j与已确定的参数有以下关系， 其中，B_Z为定子齿磁通密度，B_j为定子轭磁通密度，均为经验参数和目标参数，结合输入目标参数并采用计算机寻优，最终确定齿宽b_t、槽宽S_t、轭宽h_j；

1c)电机主磁通Φ的确定:电机主磁通Φ与已确定的参数有以下关系:Φ＝ZB_Zb_tLK_FE×10^-4,K_FE为叠装系数，为经验参数；结合输入目标参数最终确定电机主磁通Φ；

1d)电机有效导体数N的确定：电机有效导体数N与已确定的参数有以下关系： 其中，I₀是电机的空载电流，I_N是电机的额定电流，T_N是电机的额定转矩，K_T是转矩常数，η是电机的效率，均为经验参数和目标参数，结合输入目标参数最终确定电机有效导体数N。

优选地，所述定子槽为12个，所述磁钢为8个，且磁钢以N、S极交错设置在转子的边缘四周。

优选地，所述定子与转子均采用B50AH470硅钢片，所述磁钢采用高剩磁的N42UH烧结钕铁硼；所述磁钢的形状为面包状。

优选地，所述转子的错开的角度为15°。

有益效果：本发明提供了一种EPS用无刷电机，通过对定转子材料和结构参数都进行优化，使得EPS用无刷电机功率密度明显提高，转矩脉动明显降低。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的线圈绕组展开示意图；

图中：定子轭1-1，定子齿1-2，定子槽1-3、转子2、机轴3、磁钢4，气隙5。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

如图1-2所示，一种EPS用无刷电机，包括定子、转子，所述定子设置在转子外侧，所述转子套设在机轴上，所述定子包括定子轭，定子齿，定子槽和线圈，所述线圈采用分数槽集中双层绕组，且绕组分成4个绕线结构完全相同的小区域，所述转子的边缘四周均匀分布有若干磁钢，所述转子与定子之间设有气隙，所述转子采用分段式结构，并错开一定的角度，所述电机的关键结构参数确定步骤如下：

1a)气隙直径和电机长度确定：气隙直径和电机长度满足以下关系式时可以使磁钢的体积最小、利用率最高，结合输入目标参数最终确定气隙直径D_i和电机长度L:

$D_i=\frac{4K_w{\mathrm{\ρjT}}_D^{\′}\×{10}^4}{{\mathrm{\πB}}_r{\mathrm{\α}}_i{\mathrm{UI}}_N};L=\frac{2{\mathrm{\ρjT}}_D^{\′}\×{10}^4}{{\mathrm{ZB}}_r{\mathrm{\α}}_i{\mathrm{UI}}_N},$

其中,K_w为绕组伸长系数、ρ为电阻率、j为电流密度、T′_D为电磁堵转力矩、B_r为磁钢剩磁、α_i为极弧系数、IN为电机的额定电流、Z为确定槽数、U为额定电压，均为经验参数和目标参数；

1b)定子槽形的确定：齿宽b_t、槽宽S_t、轭宽h_j与已确定的参数有以下关系， 其中，B_Z为定子齿磁通密度，B_j为定子轭磁通密度，均为经验参数和目标参数，结合输入目标参数并采用计算机寻优，最终确定齿宽b_t、槽宽S_t、轭宽h_j；

1c)电机主磁通Φ的确定:电机主磁通Φ与已确定的参数有以下关系:Φ＝ZB_Zb_tLK_FE×10^-4,K_FE为叠装系数，为经验参数；结合输入目标参数最终确定电机主磁通Φ；

1d)电机有效导体数N的确定：电机有效导体数N与已确定的参数有以下关系： 其中，I₀是电机的空载电流，I_N是电机的额定电流，T_N是电机的额定转矩，K_T是转矩常数，η是电机的效率，均为经验参数和目标参数，结合输入目标参数最终确定电机有效导体数N。

优选地，所述定子槽为12个，所述磁钢为8个，且磁钢以N、S极交错设置在转子的边缘四周。

优选地，所述定子与转子均采用B50AH470硅钢片，所述磁钢采用高剩磁的N42UH烧结钕铁硼；所述磁钢的形状为面包状。

优选地，所述转子的错开的角度为15°。

实施例1:根据EPS系统对无刷电机的具体要求，额定转矩4.7N/m、额定转速1680rmp、额定电流95A、额定电压12V、电机外径90mm，确定电机定子的外径76mm、槽极配合12槽8极、绕组形式为分数槽集中双层绕组，绕组分成4个绕组完全相同的小区域。

1.电机材料的确定：由公式可以看出电机的输出转矩与主磁通和有效导体的安匝数相关，而主磁通又和硅钢片的饱和工作点、磁钢的剩磁有关，结合输入目标参数，选定电机使用磁通密度饱和点比较高的硅钢片B50AH470、剩磁比较高的烧结钕铁硼N42UH，磁钢的形状为面包状，尺寸采用经验数据。

2.电机关键结构参数的确定：气隙直径D_i和电机长度L确定，经过数学寻优计算，气隙直径D_i和电机长度L满足以下关系式时可以使磁钢的体积最小、利用率最高，结合输入目标参数最终确定气隙直径D_i为44mm,电机长度L为54mm:

$D_i=\frac{4K_w{\mathrm{\ρjT}}_D^{\′}\×{10}^4}{{\mathrm{\πB}}_r{\mathrm{\α}}_i{\mathrm{UI}}_N};L=\frac{2{\mathrm{\ρjT}}_D^{\′}\×{10}^4}{{\mathrm{ZB}}_r{\mathrm{\α}}_i{\mathrm{UI}}_N};$

其中，K_w为绕组伸长系数、ρ为电阻率、j为电流密度、T′_D为电磁堵转力矩、B_r为磁钢剩磁、α_i为极弧系数、I_N为电机的额定电流、Z为确定槽数；由此可得，气隙直径D_i为44mm,电机长度L为54mm，气隙宽度δ为0.5mm(气隙宽度为本领域技术人员所掌握的常规技术手段)。

(2)定子槽形的确定：B_Z电机齿磁通密度，B_j电机轭磁通密度，齿宽b_t、槽宽S_t、轭宽h_j与已确定的参数有以下关系，结合输入目标参数并选优，最终确定齿宽b_t为7mm、槽宽S_t为4.5mm、轭宽h_j为4mm；

(3)电机主磁通Φ的确定：电机主磁通Φ与已确定的参数有以下关系Φ＝ZB_Zb_tLK_FE×10^-4，K_FE为叠装系数，结合输入目标参数最终确定电机主磁通Φ＝36.679×10^{- 3}Wb；

(4)电机有效导体数N的确定：电机有效导体数N与已确定的参数有以下关系： 其中，I₀是电机的空载电流，I_N是电机的额定电流，T_N是电机的额定转矩，K_T是转矩常数，η是电机的效率，结合输入目标参数最终确定电机有效导体数N为56；

(5)电机转矩脉动的抑制：电机转矩脉动和电机本体、控制器控制水平有关，齿槽转矩是电机本体中产生转矩脉动的重要因素。本电机采用12槽8极配合，定子线圈绕组分成4个绕线完全相同的小区域来消除单边的齿槽转矩，并同时通过转子分段错位的方法抑制齿槽转矩，通过motorsolver仿真计算，确定错位的角度为15度。

本发明所采用的计算机寻优以及motorsolver仿真技术均为本领域技术人员所采用的常规技术手段，故而未加详述。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种EPS用无刷电机，包括定子、转子，所述定子设置在转子外侧，所述转子套设在机轴上，其特征在于，所述定子包括定子轭，定子齿，定子槽和线圈，所述线圈采用分数槽集中双层绕组，且绕组分成4个绕线结构完全相同的小区域，所述转子的边缘四周均匀分布有若干磁钢，所述转子与定子之间设有气隙，所述转子采用分段式结构，并错开一定的角度，所述电机的关键结构参数确定步骤如下：

1a)气隙直径D_i和电机长度L确定：气隙直径D_i和电机长度L满足以下关系式时可以使磁钢的体积最小、利用率最高，结合输入目标参数最终确定气隙直径D_i和电机长度L:

$D_i=\frac{4K_w{\mathrm{\ρjT}}_D^{\′}\×{10}^4}{{\mathrm{\πB}}_r{\mathrm{\α}}_i{\mathrm{UI}}_N};L=\frac{2{\mathrm{\ρjT}}_D^{\′}\×{10}^4}{{\mathrm{ZB}}_r{\mathrm{\α}}_i{\mathrm{UI}}_N},$

其中,K_w为绕组伸长系数、ρ为电阻率、j为电流密度、T′_D为电磁堵转力矩、B_r为磁钢剩磁、α_i为极弧系数、I_N为电机的额定电流、Z为确定槽数、U为额定电压，均为经验参数或额定参数；

1b)定子槽形的确定：齿宽b_t、槽宽S_t、轭宽h_j与已确定的参数有以下关系， 其中，B_Z为定子齿磁通密度，B_j为定子轭磁通密度，结合输入目标参数并采用计算机寻优，最终确定齿宽b_t、槽宽S_t、轭宽h_j；

1c)电机主磁通Φ的确定:电机主磁通Φ与已确定的参数有以下关系:Φ＝ZB_Zb_tLK_FE×10^-4,K_FE为叠装系数，为经验参数；结合输入目标参数最终确定电机主磁通Φ；

1d)电机有效导体数N的确定：电机有效导体数N与已确定的参数有以下关系： 其中，I₀是电机的空载电流，I_N是电机的额定电流，T_N是电机的额定转矩，K_T是转矩常数，η是电机的效率，结合输入目标参数最终确定电机有效导体数N。

2.根据权利要求1所述的一种EPS用无刷电机，其特征在于，所述定子槽为12个，所述磁钢为8个，且磁钢以N、S极交错设置在转子的边缘四周。

3.根据权利要求1所述的一种EPS用无刷电机，其特征在于，所述定子与转子均采用B50AH470硅钢片，所述磁钢采用高剩磁的N42UH烧结钕铁硼；所述磁钢的形状为面包状。

4.根据权利要求1所述的一种EPS用无刷电机，其特征在于，所述转子的错开的角度为15°。