CN106059223B - 一种互补型磁齿轮双转子电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种互补型磁齿轮双转子电机，该电机从里到外依次包括电机内转子、内气隙、电机外转子、外气隙、定子。电机内转子包括内转子铁心、嵌于内转子铁心内的主磁极永磁体，主磁极永磁体朝向电机转轴侧的端部设有端槽，嵌于端槽之间的副磁极永磁体。电机外转子包括外转子铁心、承托外转子铁心的隔磁环。该电机采用轴向两段式互补结构，即采用磁障将内转子、外转子沿轴向分成两段，各偏移某一电角度，实现反电势波形优化、定位力矩优化以及输出转矩优化；分段偏移角度的实施方法是通过对转子零件的特殊设计实现的，而无需增加电机零件，无需新的装配工艺。

Description

一种互补型磁齿轮双转子电机

技术领域

本发明涉及一种互补型磁齿轮双转子电机，适用于电动汽车混合动力驱动等控制领域，本发明涉及永磁电机领域。

背景技术

电动汽车混合动力驱动技术与电磁齿轮技术均为当前电机领域的研究热点。混合动力汽车的功率分配系统可以使发动机工作在高效状态，然而以行星齿轮为核心的功率分配技术长期被丰田汽车集团垄断。除了商业垄断以外，机械齿轮机构本身也有间隙和磨损的缺点，因此采用全电气化的传动系统解决方案也是汽车工业发展的大方向。

近年来，电机学领域的电磁齿轮技术得到了学界内广泛的关注，其中同轴磁齿轮的速比关系恰好与行星齿轮组的速比关系类似。基于同轴磁齿轮原理的磁齿轮双转子电机被证明可以取代以行星齿轮为核心的功率分配系统。不仅如此，磁齿轮本身就具有优于机械装置的特性，例如：电气传动不需要润滑系统，磁齿轮本身具有过载保护特性。因此，深入研究磁齿轮双转子电机，针对混合动力系统应用做出相应的优化设计具有十分重要的工程意义。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种互补型磁齿轮双转子电机，抑制极对数较少的磁齿轮双转子电机普遍存在转矩脉动大的问题。

技术方案：一种互补型磁齿轮双转子电机，该电机从里到外依次包括电机内转子、内气隙、电机外转子、外气隙、定子；

所述电机内转子通过磁障沿轴向分成两段，两段电机内转子之间设有偏移电角度，两段电机内转子形成错位排布结构；每段电机内转子包括内转子铁心、主磁极永磁体、副磁极永磁体；所述主磁极永磁体采用辐条式排列并嵌于内转子中，所述主磁极永磁体朝向电机转轴侧的端部设有端槽；相邻的两个主磁极永磁体的端槽之间均嵌有所述副磁极永磁体，所述副磁极永磁体和端槽之间的铁芯形成筋结构；其中，所述主磁极永磁体沿圆周切向充磁，相邻的主磁极永磁体充磁方向相反，所述副磁极永磁体沿径向充磁，相邻的副磁极永磁体充磁方向相反；

所述电机外转子通过磁障沿轴向分成两段，两段电机外转子之间设有偏移电角度，两段电机外转子形成错位排布结构；每段电机外转子由外转子铁心以及承托外转子铁心的隔磁环构成；

所示定子通过磁障沿轴向分成两段；所示电机内转子、电机外转子以及定子的磁障位于电机的同一截面上。

进一步的，两段电机内转子之间以及两段电机外转子之间的偏移电角度均为60度电角度。

进一步的，每段电机内转子的隔磁环上均设有定位孔，所述定位孔与隔磁环的轴线错开一个机械角度，所述机械角度对应的电角度为两段电机外转子之间偏移电角度的一半；电机内转子上，磁障两侧的隔磁环通过穿过所述定位孔的螺栓固定。

进一步的，所述筋结构的宽度为1.5～2.0mm。

进一步的，所述隔磁环采用环氧树脂制备。

有益效果：本发明的一种互补型磁齿轮双转子电机，与同类型磁齿轮双转子电机以及相关的转矩抑制方案相比，具有以下优点：

电机内转子和外转子均通过磁障分成两段结构，其两段结构均存在一个偏移电角度，从而形成互补结构；该互补结构中电机轴向两个模块的转矩脉动相位恰好相差180度电角度，因此脉动恰好能够相互抵消，故该互补结构可以有效抑制极对数较少的磁齿轮双转子电机中普遍存在转矩脉动大的问题，使其更加适合混合动力汽车应用场合。

互补结构在有效抑制转矩脉动的同时，可以保持外层气隙磁密相位和幅值不变，从而与定子绕组产生电磁转矩进而保证平均输出转矩不下降。

电机内转子中，主磁极永磁体和副磁极永磁体嵌入内转子铁心中，主磁极永磁体采用辐条式排列以获得聚磁效果，主磁极永磁体朝向电机转轴侧的端部设有端槽，副磁极永磁体嵌入相邻的两个主磁极永磁体的端槽之间，并且采用筋结构支撑内转子的永磁体区域，减少辐条排列的主磁极永磁体向转子内侧的漏磁，降低电机铁耗，有效改善双转子电机的转矩传递能力。对于一般的辐条式排列永磁体而言，由于向内漏磁的存在，转子轴需要采用不锈钢材料，以减少漏磁。而本发明的磁场调制式聚磁双转子电机由于抑制了辐条式排列的永磁体向转子内侧漏磁，从而使得内转子轴上没有磁场分布，因此内转子轴材料可以采用普通钢材，降低加工制造成本。

附图说明

图1是互补型磁齿轮双转子电机轴向、平面截图；

图2是内转子铁心正视、轴向两段配合图；

图3是内转子的聚磁式磁极局部磁路分布示意图；

图4是外转子隔磁环正视、轴向两段配合图；

图5是互补型磁齿轮双转子电机整体图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明做进一步说明。

如图1所示，一种互补型磁齿轮双转子电机，从里到外依次包括电机内转子1、内气隙14、电机外转子2、外气隙23、定子3。

电机内转子1由硅钢叠片堆叠而成，并通过键槽15固定在内转子1轴上。电机内转子包括内转子铁心12、主磁极永磁体11、副磁极永磁体13。主磁极永磁体11采用辐条式排列并嵌于内转子中，主磁极永磁体11朝向电机转轴侧的端部设有端槽17。相邻的两个主磁极永磁体11的端槽17之间均嵌有副磁极永磁体13，副磁极永磁体13和端槽17之间的铁芯形成筋结构16。

如图2所示，电机内转子1通过磁障4沿轴向分成两段，两段电机内转子之间设有偏移电角度，两段电机内转子形成错位排布结构。在本实施例中，两段电机内转子之间的偏移电角度为60度电角度。在设计键槽15位置时，将键槽15位置与内转子1轴线错开一个机械角度16，该机械角度对应的电角度为两段电机内转子之间偏移电角度的一半，即30度电角度；组装时，将两段相同的内转子铁心12反向背靠背组装，使二者键槽15对齐，即可实现仅利用一套硅钢叠片零件实现分段互补，且偏移指定角度，无需多余零件的加工制造，降低了加工难度和成本。

每段电机内转子中，主磁极永磁体11沿圆周切向充磁，相邻主磁极永磁体充磁方向相反；副磁极永磁体13径向长度约为3mm，切向长度约为4mm，它沿径向充磁，且相邻副磁极永磁体充磁方向相反，以抑制主磁极永磁体向内漏磁。由主磁极永磁体11、副磁极永磁体13构成的聚磁结构中，每个磁极是由两个主磁极永磁体11和一个副磁极永磁体13共同作用形成的，从而实现聚磁效应，同时抑制向内侧漏磁，如图3所示。副磁极永磁体13嵌入相邻的两个主磁极永磁体的端槽之间，若副磁极永磁体13沿径向向外偏移，即设置在相邻的两个主磁极永磁体11之间，则会减小主磁极永磁体11磁场强度；若副磁极永磁体13沿径向向内偏移，则筋结构16会相应变粗，筋结构16本质上为内转子铁心一部分，其材料为硅钢片，筋结构16变粗必然导致漏磁增加。

内转子采用筋结构16支撑永磁体区域，筋结构16为副磁极永磁体13与端槽17之间的细条形内转子铁心。若内转子铁心无端槽17，如图3所示，则筋结构16会变粗，导致漏磁增加，故筋结构16要足够窄以保证其处于高度饱和状态从而抑制漏磁，其优选宽度范围为1.5～2.0mm；本实施例中筋结构16宽度设计为1.5mm，对于多极数转子，筋结构16比较多，因此强度可以保证。

如图4所示，电机外转子2包括外转子铁心21、承托外转子铁心21的隔磁环22，电机外转子2通过磁障4沿轴向分成两段，两段电机外转子之间设有偏移电角度，两段电机外转子形成错位排布结构。在本实施例中，两段电机外转子之间的偏移电角度为60度电角度。

每段电机外转子由外转子铁心21以及承托外转子铁心21的隔磁环22构成，每段电机内转子的隔磁环22上均设有定位孔24，定位孔24与隔磁环22的轴线错开一个机械角度25，机械角度对应的电角度为两段电机外转子之间偏移电角度的一半，本实施例中即为30度电角度。电机内转子1上，隔磁环22采用环氧树脂制备，磁障4两侧的隔磁环22通过穿过定位孔24的螺栓固定。在设计定位孔24时，将其与隔磁环22轴线错开30度电角度；组装时，将两个隔磁环22反向背靠背组装，使定位孔24对齐，再通过穿过定位孔的螺栓固定。这样便可实现仅利用一套隔磁环22零件实现分段互补，且偏移指定角度，无须多余零件的加工制造，降低了加工难度和成本。

如图5所示，各个功能部分共同组成如图4所示的互补型磁齿轮双转子整体结构，电机内转子1和电机外转子2能够自由旋转。定子3上同样设有将定子分成两段的磁障4，定子上设有绕组；电机内转子1、电机外转子2以及定子3上的磁障相对电机转轴，位于同一截面上。

本发明提出的互补型磁齿轮双转子电机能够实现反电势波形优化、定位力矩优化以及输出转矩优化，有效降低转矩脉动，且加工制造方法简单。以上所述的电机结构及空间相错角度仅为本发明的优选实施方案，本发明的保护范围并不以上述实施方案为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (5)

1.一种互补型磁齿轮双转子电机，其特征在于：该电机从里到外依次包括电机内转子(1)、内气隙(14)、电机外转子(2)、外气隙(23)、定子(3)；

所述电机内转子(1)通过磁障(4)沿轴向分成两段，两段电机内转子之间设有偏移电角度，两段电机内转子形成错位排布结构；每段电机内转子包括内转子铁心(12)、主磁极永磁体(11)、副磁极永磁体(13)；所述主磁极永磁体(11)采用辐条式排列并嵌于内转子中，所述主磁极永磁体(11)朝向电机转轴侧的端部设有端槽(17)；相邻的两个主磁极永磁体(11)的端槽(17)之间均嵌有所述副磁极永磁体(13)，所述副磁极永磁体(13)和端槽(17)之间的铁芯形成筋结构(16)；其中，所述主磁极永磁体(11)沿圆周切向充磁，相邻的主磁极永磁体(11)充磁方向相反，所述副磁极永磁体(13)沿径向充磁，相邻的副磁极永磁体(13)充磁方向相反；

所述电机外转子(2)通过磁障(4)沿轴向分成两段，两段电机外转子之间设有偏移电角度，两段电机外转子形成错位排布结构；每段电机外转子由外转子铁心(21)以及承托外转子铁心(21)的隔磁环(22)构成；

所述定子(3)通过磁障(4)沿轴向分成两段；所述电机内转子(1)、电机外转子(2)以及定子(3)三者的磁障位于电机的同一截面上。

2.根据权利要求1所述的互补型磁齿轮双转子电机，其特征在于：两段电机内转子之间以及两段电机外转子之间的偏移电角度均为60度电角度。

3.根据权利要求1或2所述的互补型磁齿轮双转子电机，其特征在于：每段电机内转子的隔磁环(22)上均设有定位孔(24)，所述定位孔(24)与隔磁环(22)的轴线错开一个机械角度(25)，所述机械角度对应的电角度为两段电机外转子之间偏移电角度的一半；电机内转子(1)上，磁障(4)两侧的隔磁环(22)通过穿过所述定位孔(24)的螺栓固定。

4.根据权利要求3任一所述的互补型磁齿轮双转子电机，其特征在于：所述筋结构(16)的宽度为1.5~2.0mm。

5.根据权利要求4所述的互补型磁齿轮双转子电机，其特征在于：所述隔磁环(22)采用环氧树脂制备。