CN106602822B - 转子永磁型磁通切换轮毂电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种转子永磁型磁通切换轮毂电机，包括轮辋、定子铁芯、绕置于所述定子铁芯上的电枢绕组，以及复数个转子单元；所述转子单元固定在所述轮辋中，所述转子单元包括永磁体和设置在所述永磁体两侧的转子铁芯；所述永磁体的充磁方向为切向充磁且各永磁体的充磁方向相同。本发明的电机具有功率大、抗饱和与过载能力强、磁阻转矩大、弱磁性能好、调速范围宽、制造集成度高，以及适合模块化制造工艺等优点。

Description

转子永磁型磁通切换轮毂电机

技术领域

本发明属于电机制造技术领域，尤其是一种基于磁通切换原理的转子永磁型电机。

背景技术

随着全球化能源危机的日益加深，节能高效的电动交通工具越来越受到政府和社会的重视。当前，以电动汽车为代表的电动交通工具的驱动方式主要分为两大类：一种是分布式轮毂电机直接驱动，主要应用于电动自行车、电动踏板车，四轮独立驱动型电动汽车等领域；另一种是集中式电机配合变速箱间接驱动，主要见于功率集中型电动汽车，以及混合动力汽车领域。

另一方面，随着国民经济的快速增长，居民汽车保有量逐年增加，城市交通拥堵以及停车难的问题正日益严重。毫无疑问，具有高度行驶灵活性的电动自行车和电动踏板车，以及具有丰富操作自由度的四轮独立驱动型电动汽车，在此大环境下极具市场竞争力。作为该类电动交通工具的动力来源，轮毂电机自然吸引了工业界和学术界的广泛重视。

当前，已经有多种轮毂电机设计方案，包括表贴式永磁无刷电机、交替极型表贴式永磁无刷电机、开关磁阻电机、磁齿轮电机、定子永磁型磁通切换电机等。由于开关磁阻电机的转矩脉动太大，磁齿轮电机结构太复杂，定子永磁型磁通切换电机过载能力不足，所以，表贴式永磁电机是应用最广泛的轮毂电机。然而，表贴式永磁电机的电枢磁场直接穿过永磁体，电机面临很高的不可逆退磁风险；而且表贴式电机的绕组电感较小，电机的弱磁能力不足，交直轴电感非常接近，弱磁运行条件下，电机产生的磁阻转矩较小，弱磁带载能力差，这直接限制了表贴式电机的调速范围。

例如有的方案以开关磁阻电机作为驱动电机，电枢绕组缠绕在内定子铁心上，外转子为简单的凸极结构，没有永磁体和绕组，且外转子与轮辋需要通过焊接或其他机械方式联接，并未实现转子与轮辋的一体化设计与加工。该方案的转矩脉动高达17％，并未有效解决开关磁阻电机转矩脉动大的问题。

又如有的方案通过多段磁钢环、导磁环和磁感应元件的配合提升了电机的位置信号检测能力，然而该方案中的驱动电机为传统的表贴式永磁无刷电机，外转子由导磁环和永磁体组成，永磁体贴于导磁环表面，需要通过固定胶或固定环的方式确保电机运行时永磁体无法脱落。此外，该方案中外转子与轮辋需要通过焊接或其他机械方式联接，并未实现转子与轮辋的一体化设计与加工。而且，该方案并未解决表贴式永磁电机存在的调速范围窄，弱磁能力差的问题。

再如，有些方案的驱动电机输出轴与轮辋之间通过减速齿轮联接，并未实现扭矩的直接传递，减速齿轮的存在降低了能量传递效率，而且系统结构比较复杂。

发明内容

发明目的：提供一种转子永磁型磁通切换轮毂电机，以解决现有技术存在的技术问题，使电机具有功率大、抗饱和与过载能力强、磁阻转矩大、弱磁性能好、调速范围宽、制造集成度高、适合模块化制造工艺等优点。

技术方案：一种转子永磁型磁通切换轮毂电机，包括轮辋、定子铁芯、绕置于所述定子铁芯上的电枢绕组，以及复数个转子单元；所述转子单元固定在所述轮辋中，所述转子单元包括永磁体和设置在所述永磁体两侧的转子铁芯；所述永磁体的充磁方向为切向充磁且各永磁体的充磁方向相同。

在进一步的实施例中，所述轮辋内侧设置有若干凸台，相邻凸台之间形成转子单元容置部，所述转子单元位于该转子单元容置部内。所述凸台与转子铁芯相邻的一侧设置有定位凸起或定位凹槽，所述转子铁芯对应设置有定位凹槽或定位凸起。

或者，所述凸台和转子单元的内圆面具有凹槽，一不导磁箍条容置于该凹槽内并压紧所述转子单元。

在进一步的实施例中，所述转子铁芯与永磁体相接触的一侧设有至少一个定位靴；所述永磁体上具有与所述定位靴适配的沟槽。所述转子铁芯、永磁体和凸台的数量关系满足N_r＝2*N_p＝2*N_t，其中，N_r为转子铁芯的数目，N_p为磁体的数目，N_t为辋凸台的数目。所述转子铁芯和定子铁芯为导磁材料，所述轮辋为不导磁材料。所述电枢绕组以集中式绕组的方式缠绕于所述定子铁芯上。

有益效果：实施本发明的技术方案，可获得以下有益效果：

1、通过将转子单元直接嵌在轮辋上，电磁转矩通过轮辋内部的凸台由转子铁芯传递到轮辋，进而到轮胎，提高了电磁转矩传递的可靠性。

2、在该实施例中，转子由一系列独立的转子单元构成，实现了转子的模块化加工，提高了制造效率。

3、在该方案中，将永磁体放在转子上，释放了定子电枢绕组的空间，解决了定子永磁型磁通切换电机定子齿过饱和的问题，使得更多的电枢电流可以注入，提高了电机的抗饱和能力，增大了转矩输出能力。

4、转子铁芯与永磁体的“三明治”设计方案，使得电机的交直轴磁阻差异明显，进而使得交直轴电感差异明显，保证了电机弱磁运行时可以输出较大的磁阻转矩，大大提高了电机的弱磁带载能力。

5、由于电机的结构特性，当转子运行到直轴时，定子齿正对转子齿，导致该电机具有较大的直轴电感，使得电机的弱磁能力十分突出。

6、由于出色的弱磁带载能力和弱磁能力，该电机具有较宽的调速范围，同时提高了在恒功率区的运行效率。

7、由于电机保留了传统定子永磁型电机的聚磁特性，空载气隙磁通密度较大，电机具有较强的转矩输出能力，功率密度较高。

8、电枢绕组是集中绕组，端部短，电阻较小，效率较高。

9、通过调整永磁体的径向长度，可以实现气隙磁密的调节，使得电机设计的灵活性得到大幅提高，工况适应能力强。

附图说明

图1所示为转子永磁型磁通切换轮毂电机结构图。

图2所示为轮辋与转子铁芯的配合图。

图3为一种转子单元的结构图。

图4为另一种转子单元的结构图。

图5为不导磁箍条与转子单元及轮辋凸台的配合图。

图6为定子绕组的示意图。

图7为转子永磁型磁通切换轮毂电机的运行原理图。

图8为转子永磁型磁通切换轮毂电机的三相反电势波形图。

图9为转子永磁型磁通切换轮毂电机的聚磁特性示意图。

图10为转子永磁型磁通切换轮毂电机磁链与电感波形图。

图11为现有的转子表贴式永磁轮毂电机电感与磁链波形图。

图12为转子永磁型磁通切换轮毂电机和现有的转子表贴式永磁轮毂电机的“转矩-相角”曲线。

图13为转子永磁型磁通切换轮毂电机定子轴示意图。

具体实施方式

如图1所示，在本发明所述转子永磁型磁通切换轮毂电机中，以转子永磁型磁通切换电机作为驱动电机，电机定子、转子的排布方式为外转子-内定子形式，即内侧为定子，外周为转子。

在当前已见各类轮毂电机方案中，电机转子与轮辋的联接方式为以下两种：外转子与轮辋以焊接的方式直接联接；内转子通过齿轮变速箱与轮辋间接联接。本发明的转子永磁型磁通切换轮毂电机抛弃了上述两类方式。如图2所示的实施例中，转子单元直接嵌在轮辋1上，具体加工方法为：在转子铁芯2与轮辋的凸台6上开设相互匹配的燕尾槽2a，以燕尾槽配合的方式将转子铁芯固定于轮辋1上。

与现有焊接联接方式相比，本发明所述联接方式不会产生以气孔、夹渣等形式存在的不可靠联接，在高速大扭矩输出工况下，扭矩传输可靠性更高；与现有齿轮变速箱间接联接相比，本发明所述联接方式避免了因齿轮摩擦等因素造成的能量损失，能量传输效率更高。

如图3所示，本发明所述转子铁芯由硅钢片叠压而成，转子铁芯中间设有第一定位靴2b用于固定永磁体3，永磁体夹在两块转子铁芯之间。转子铁芯与永磁体的配合形式也可以为图4所示的形式，即转子铁芯的两侧设置第二定位靴2c，永磁体夹在转子铁芯中间。每个转子单元实现了模块化加工，提高了制造效率。

电机定子由定子铁芯4和电枢绕组5组成；电机转子为无轭部结构，由数块转子单元构成，每块转子单元由两块转子铁芯和一块夹在转子铁芯中间的切向充磁的永磁体组成。需要强调的是，转子永磁型磁通切换电机中每块永磁体的充磁方向都是相同的，这与定子永磁型磁通切换电机永磁体相对充磁的方式是不同的。

与定子永磁型磁通切换轮毂电机相比，本发明所述转子永磁型磁通切换轮毂电机，永磁体放在转子上，增大了定子电枢绕组和定子齿的空间，所以相同电流密度情况下，更多的电枢电流可以注入，增大了电机的转矩输出能力。而且，定子齿变得更宽，解决了定子永磁型磁通切换电机定子齿过饱和的问题，提高了电机的抗饱和能力，这进一步提高了磁通切换电机的过载能力。

基于前文提到的本发明所述转子永磁型磁通切换轮毂电机中轮辋凸台以及转子单元的装配逻辑，转子铁芯的数目N_r，永磁体的数目N_p，轮辋凸台的数目N_t，需满足“N_r＝2*N_p＝2*N_t”的关系。

如图5所示，为了进一步固定转子单元与轮辋之间的联接，在轮辋凸台、转子铁芯和永磁体的内圆面(气息侧)上开设放置不导磁箍条7的凹槽，并用不导磁箍条压紧转子单元。在箍紧转子单元之后，用厌氧胶水填满转子铁芯、永磁体、轮辋、不导磁箍条之间的气隙，以确保安装的紧密性。

本发明所述转子永磁型磁通切换轮毂电机，定子绕组采用集中式绕法，即每个绕组线圈只包围一个定子齿，如图6所示。每相绕组电阻R可由下式(1)计算得到，

其中，N为每相绕组串联匝数，ρ为导线电阻率，L_av为绕组平均长度，S_av为绕组平均截面积。因为采用集中式绕线方式，并不会改变每相绕组串联匝数N，导线电阻率ρ也无变化，绕组平均截面积S_av也不变，但是绕组平均长度L_av将会缩短，所以每相绕组电阻R较小。

又因为电机铜耗p_copper的计算公式为

p_copper＝mI²R (2)

其中，m为电机相数，I为相电流有效值，R为每相电阻值。由前所述，本发明所述电机每相电阻R较小，所以电机相数m和相电流有效值I不变时，本发明所述电机铜耗较小。

如图7所示，介绍本发明所述转子永磁型磁通切换轮毂电机的运行原理。以绕组A为例，在位置1时，绕组A所在的定子齿正对不导磁凸台，此时永磁磁链几乎不穿过绕组A，绕组A中匝链永磁磁链为0，即交轴位置；接着，电机运行到位置2，此时绕组A所在的定子齿正对转子齿，永磁磁通穿越绕组A，经过其他定子齿回到永磁体，此时绕组A中匝链最大N极性永磁磁链，即直轴位置；再接下来，电机运行到位置3，此时绕组A所在的定子齿正对永磁体，永磁磁路经过气隙以及绕组A所在定子齿齿尖闭合，绕组A中匝链永磁磁链为0，即交轴位置；接着，电机运行到位置4，此时绕组A所在的定子齿正对转子齿，永磁磁通穿越其他定子齿，经过绕组A所在定子齿回到永磁体，此时绕组A中匝链最大S极性永磁磁链，即直轴位置；最后，电机又将运行到位置1，完成一个完整的电周期。随着电机的连续运行，转子位置将一直按照“位置1→位置2→位置3→位置4→位置1”的规律不断变化，绕组A中的永磁磁链也相应的按照“0→N→0→S→0”的规律变化，绕组A中就会感应出相应的反电势，而通入适当的电枢电流，电机就会有电磁转矩产生。

图8为一台本发明所述转子永磁型磁通切换轮毂电机相反电势仿真波形，由图8可以发现该电机的反电势波形正弦度相当高。

同步电机的电磁转矩T_em计算公式为

其中，P_r为电机极对数，ψ_m为永磁磁链值，i_q为交轴电流，i_d为直轴电流，L_q为交轴电感，L_d为直轴电感。式(3)中第一项为永磁磁链与电枢磁链相互作用产生的电磁转矩，第二项为电机的磁阻波动产生的磁阻转矩。当电机运行在额定转速及以下时，直轴电流为0，此时电机只输出永磁转矩；当电机运行在需要弱磁的高速区时，电机的i_d不为0值，此时电机将产生磁阻转矩，而且如果交轴电感大于直轴电感的话，磁阻转矩将为正值，这部分磁阻转矩将提高电机的弱磁区的带载能力。

图9展示了本发明所述转子永磁型磁通切换轮毂电机的聚磁机理。由图9展示了定子齿正对转子齿，即转子处于直轴，情况下的磁路示意图。永磁磁通Φ_m穿越永磁体表面S₂，从转子齿表面S₁进入气隙，进而匝链进定子绕组中。由此可知，转子齿表面磁密B₁与永磁体表面磁密B₂比值为：

其中S_c1为转子齿径向表面积，S_c2为永磁体切向表面积。

又因为

S_c1＝r_w*l (5)

S_c2＝l_pm*l (6)

其中，r_w为转子齿宽，l_pm为永磁体径向长度，l为电机有效轴长。所以有

所以，本发明所述转子永磁型磁通切换轮毂电机可以通过调节永磁体径向长度和转子齿宽的方式调节电机气隙磁密的大小，这是转子表贴式永磁轮毂电机无法做到的。通过调节电机气隙磁密的大小，可以使得电机适用于更多工况条件。

由于轮毂电机通常需要工作在低速大扭矩情况下，根据式(3)可知，在电机极对数和电枢电流不变时，本发明所述转子永磁型磁通切换轮毂电机可以通过设置较大的永磁体径向长度l_pm与转子齿宽比值r_w，得到较大的永磁磁链ψ_m，进而产生较大的电磁扭矩输出。

图10和图11比较了两台相同尺寸的轮毂电机电感与磁链特性，图10为本发明所述转子永磁型磁通切换轮毂电机电感与磁链波形，图11为现有的转子表贴式永磁轮毂电机电感与磁链波形。

由图10可以看出，在本发明所述转子永磁型磁通切换轮毂电机中：1.当绕组磁链处于两个极值点时(直轴)，绕组电感最小；2.当绕组磁链为0时(交轴)，绕组电感最大，交直轴电感差异明显，且交轴电感大于直轴电感。这两点电感特征与前文所述本发明所述转子永磁型磁通切换轮毂电机的运行原理相对应。

由图11可以看出，在现有的转子表贴式永磁轮毂电机中，无论绕组磁链处于两个极值点时(直轴)，还是为0时(交轴)，绕组电感几乎没有变化。

通过比较图10和图11可知，本发明所述转子永磁型磁通切换轮毂电机的交轴电感L_q为现有的转子表贴式永磁轮毂电机的两倍，直轴电感L_d为现有的转子表贴式永磁轮毂电机的1.5倍。根据式(3)可知，本发明所述转子永磁型磁通切换轮毂电机在高速弱磁区将会产生较大的正向磁阻转矩，高速弱磁带载能力明显强于现有的转子表贴式永磁轮毂电机。

又因为永磁电机的弱磁系数k_fw为

其中，I_d为弱磁电流。由图10和图11可知，本发明所述转子永磁型磁通切换轮毂电机和现有的转子表贴式永磁轮毂电机的永磁磁链值相近，然而本发明所述转子永磁型磁通切换轮毂电机的直轴电感L_d为现有的转子表贴式永磁轮毂电机的1.5倍，所以在相同弱磁电流I_d情况下，本发明所述转子永磁型磁通切换轮毂电机的弱磁能力明显强于现有的转子表贴式永磁轮毂电机。

如前所述，本发明所述转子永磁型磁通切换轮毂电机具有优秀的弱磁带载能力和弱磁能力，所以本发明所述转子永磁型磁通切换轮毂电机具有较宽的调速范围，而且因为具有较大的直轴电感，所以在保证与现有的转子表贴式永磁轮毂电机弱磁磁链大小相同时，弱磁电流更小，因弱磁电流产生的铜耗更小。而且由于较大的磁阻转矩的存在，电机的输出转矩更大。所以，本发明所述转子永磁型磁通切换轮毂电机在高速弱磁运行时的效率特性更好。

此外，由于本发明所述转子永磁型磁通切换轮毂电机具有较大的磁阻转矩输出能力，所以电机的最大转矩输出电流角不为0，而是在弱磁区。

图12为本发明所述转子永磁型磁通切换轮毂电机和现有的转子表贴式永磁轮毂电机在施加相同的电流密度情况下的“转矩-相角”曲线，其中曲线1为本发明所述转子永磁型磁通切换轮毂电机，曲线2为现有的转子表贴式永磁轮毂电机。由图12可知，本发明所述转子永磁型磁通切换轮毂电机最大转矩输出电流角为36°，而现有的转子表贴式永磁轮毂电机为0°。当电机工作在高速弱磁状态，即电流相角为正值时，本发明所述转子永磁型磁通切换轮毂电机的转矩输出能力明显强于现有的转子表贴式永磁轮毂电机。

如图13所示，本发明所述转子永磁型磁通切换轮毂电机的定子侧可以设置用于冷却的水道。定子轴8上套有轮毂轴承11，用于支撑电机轮辋；定子轴8内部为镂空结构，轮毂电机的3相电线9和冷却系统的进出水管10均从定子轴8内部穿过。

总之，本发明的转子永磁型磁通切换轮毂电机包括轮辋、外转子、内定子三大部分。轮辋内部设置了凸台结构，用于定位和固定嵌在轮辋上的转子单元，传递电磁扭矩。外转子由一系列转子单元构成，每个转子单元由两块转子铁芯和一块切向充磁的永磁体拼装而成，永磁体可以是铁氧体或者钕铁硼。由于采用了内定子、外转子的排布方式，该新型结构的磁通切换轮毂电机直轴绕组电感较大，电机弱磁能力明显强于表贴式永磁电机；且交直轴绕组电感差异明显，电机弱磁运行时的磁阻转矩得到显著提高，带载能力强于表贴式永磁电机。各方面性能明显优于表贴式永磁电机。转子单元直接嵌在轮辋中的设计，提高了电机制造的集成度，且便于电机的模块化制造。内定子由电枢绕组和定子铁芯组成，电枢绕组是集中绕组。当定子齿与不同的转子齿对齐，永磁体产生的永磁磁通穿过各个集中电枢线圈的方向就会不同，从而产生磁通切换效应，导致每相电枢绕组中所匝链的永磁磁链为双极性。本发明较为关键的是：将永磁体放置在转子上，在释放电枢绕组空间的同时保留了磁通切换电机的聚磁特性，通过调整永磁体的径向长度，可以实现对气隙磁密的调节；转子单元直接嵌在轮辋中，电磁转矩直接传递到轮辋上，可靠性高，而且转子单元的模块化设计简化了转子的拼装过程。由于电机具有聚磁效应，空载气隙磁通密度较大，电机具有较强的转矩输出能力，功率密度较高；同时，电枢绕组是集中绕组，端部短，电阻较小，效率较高。而且，电枢反应磁通和永磁磁通在空间上互相垂直，磁路上是并联关系，保证了该电机具有较强的抗去磁能力。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。

Claims (8)

1.一种转子永磁型磁通切换轮毂电机，包括轮辋、定子铁芯、绕置于所述定子铁芯上的电枢绕组，以及复数个转子单元，其特征在于，所述转子单元固定在所述轮辋中，所述转子单元包括永磁体和设置在所述永磁体两侧的转子铁芯，每个转子单元中的两块转子铁芯通过不同极性的磁通，所述任意两块转子铁芯之间均被所述轮辋或所述永磁体隔离；所述永磁体的充磁方向为切向充磁，且各永磁体的充磁方向相同。

2.如权利要求1所述的转子永磁型磁通切换轮毂电机，其特征在于，所述轮辋内侧设置有若干凸台，相邻凸台之间形成转子单元容置部，所述转子单元位于该转子单元容置部内。

3.如权利要求2所述的转子永磁型磁通切换轮毂电机，其特征在于，所述凸台与转子铁芯相邻的一侧设置有定位凸起或定位凹槽，所述转子铁芯对应设置有定位凹槽或定位凸起。

4.如权利要求2所述的转子永磁型磁通切换轮毂电机，其特征在于，所述凸台和转子单元的内圆面具有凹槽，一不导磁箍条容置于该凹槽内并压紧所述转子单元。

5.如权利要求2、3或4所述的转子永磁型磁通切换轮毂电机，其特征在于，所述转子铁芯与永磁体相接触的一侧设有至少一个定位靴；所述永磁体上具有与所述定位靴适配的沟槽。

6.如权利要求5所述的转子永磁型磁通切换轮毂电机，其特征在于，所述转子铁芯、永磁体和凸台的数量关系满足N_r＝2*N_p＝2*N_t，其中，N_r为转子铁芯的数目，N_p为磁体的数目，N_t为辋凸台的数目。

7.如权利要求5述的转子永磁型磁通切换轮毂电机，其特征在于，所述转子铁芯和定子铁芯为导磁材料，所述轮辋为不导磁材料。

8.如权利要求1至4任一项所述的转子永磁型磁通切换轮毂电机，其特征在于，所述电枢绕组以集中式绕组的方式缠绕于所述定子铁芯上。