CN108092429A - 一种高效永磁轮毂电机定转子结构 - Google Patents

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Abstract

一种高效永磁轮毂电机定转子结构，它包括转轴、内定子铁心、内气隙、转子铁心、外气隙、外定子铁心、主永磁体、辅助永磁体等。所述内定子铁心套设在所述转轴上，所述转子铁心套设在所述内定子铁心上，所述外定子铁心套设在所述转子铁心上，所述主永磁体嵌入到所述转子铁心内，形成V型结构，所述辅助永磁体分别嵌套在所述转子铁心内、外表面处，形状设计为梭型或菱形；本发明的优点是：同一个转子铁心可在内、外两种转子模式间进行切换，使轮毂电机同时兼具了外转子电机转矩大和内转子电机速度高的优点，适用于更多工况。主、副永磁体的组合提供了较大的磁通面积，充分利用了转子铁心的内部空间，提高了效率和功率因素。梭型辅助永磁体的弧形表面，能明显改善气隙磁场和绕组反电动势波形，降低涡流损耗和转矩脉动，使气隙磁密波形更加接近于正弦波；隔磁条、块和椭圆散热孔的实际，有效的减少了漏磁通。双气隙增大了电机的有效气隙面积，提高电机的转矩密度。

Description

一种高效永磁轮毂电机定转子结构
技术领域
本发明涉及轮毂电机技术领域，具体涉及一种高效永磁轮毂电机定转子结构。
背景技术
随着能源短缺和环境污染问题的日益突出，节能环保的新能源汽车逐渐成为当今世界汽车工业的发展趋势。轮毂电机驱动系统因其结构简单、尺寸紧凑，传动效率高等特点被誉为电动汽车的最终驱动方式。能够用作轮毂电机的电机有直流电机、感应电机、永磁同步电机、开关磁阻电机等多种电机，其中永磁同步电机具有体积小、质量轻、响应快、效率高等优点，成为新能源汽车轮毂电机的最佳选择。
按照驱动电机转子类型不同，轮毂电机可以分为高速内转子电机和低速外转子电机两类。高速内转子轮毂电机最高转速为15000r/min。实际常配合减速装置使用，以达到减速增扭的要求，但引入的减速机构磨损较快，不易维护，容易缩短轮毂电机使用寿命。低速外转子轮毂电机最高转速为2000r/min，无需配减速机构，传动效率进一步提高，但汽车起步、爬坡时对电机转矩的需求较大，容易引起大电流，从而对动力电池和永磁体造成破坏。
因电动汽车运行工况复杂，且需满足快速起动、加速、爬坡和频繁起停等要求，所以要求轮毂电机不仅要具有较高的转矩密度，还应具有较宽的调速范围和较强过载能力，如果能够将内转子轮毂电机和外转子轮毂电机各自的优点结合起来应用到同一台电机上，对于新能源汽车的发展具有重要意义，另外，传统的永磁同步电机，气隙磁密波形正弦性差，反电动势谐波含量较大，容易增大电机涡流损耗，进而引起电机温升，严重影响电机的效率，这一问题也亟需解决。
发明内容
本发明的内容在于提供一种高效永磁轮毂电机定转子结构，该结构采用了一种紧凑的内定子—转子—外定子的安装方式，通过控制定子绕组电流的通断来实现同一个转子铁心在内转子与外转子的驱动模式间自由切换，以适应轮毂电机在爬坡、制动等情况下的大转矩要求以及加速行驶等情况下的高转速要求。并且保证永磁体的设计能提供足够高的转矩密度来支持大转矩、高转速的实现，进一步提高电机的功率密度和效率。
为了实现上述效果，本发明采用的技术方案为：将所述转子铁心套设在所述内定子铁心与所述外定子铁心中间，两个定子铁心均具有各自的绕组且能独立工作，当需要电机提供高转速、低转矩工作模式时，所述转子铁心与所述内定子铁心构成高速内转子轮毂电机，当需要电机提供大转矩、低转速工作模式时，所述转子铁心与所述外定子铁心构成低速外转子轮毂电机。同时，本发明所述结构具有内、外双气隙，能够增大电机的有效气隙面积，提高电机的转矩密度。
进一步的，该结构采用一种新颖的布局方式将所述主永磁体内置在转子铁心中，形成V型结构，且通过主、副永磁体的高效组合设计，充分利用了所述转子铁心的内部空间，提供了较大的磁通面积，进而获得了较大的功率密度，进一步提高了轮毂电机效率和功率因素。
优选的，所述副永磁体的形状设计为梭型，其上下表面均为弧形，能够明显改善气隙磁场和绕组反电动势波形，降低涡流损耗和转矩脉动，使气隙磁密波形更加接近于正弦波。考虑到加工制造的方便，还可将所述副永磁体的形状简化为菱形，以降低工艺要求。
进一步的，所述主永磁体的两端设置有隔磁块，所述副永磁体的中间设置有隔磁条，所述转子铁心上均匀的分布有椭圆形的散热孔，这些措施均能有效的减少漏磁通，进一步增大有效磁通，提高电机效率。
采用上述技术方案本发明具备的优势为：同一个转子铁心可在内、外两种转子模式间进行切换，使轮毂电机同时兼具了外转子电机转矩大和内转子电机速度高的优点，适用于更多工况。主、副永磁体的组合提供了较大的磁通面积，充分利用了转子铁心的内部空间，提高了效率和功率因素。梭型辅助永磁体的弧形表面，能明显改善气隙磁场和绕组反电动势波形，降低涡流损耗和转矩脉动，使气隙磁密波形更加接近于正弦波。隔磁条、块和椭圆散热孔的设计，有效的减少了漏磁通。双气隙增大了电机的有效气隙面积，提高电机的转矩密度。
附图说明
图1为本发明定转子结构示意图。
图2为本发明所述永磁体极性分布示例及永磁体V型结构示意图。
图中包括：转轴1，内定子铁心2，内气隙3，转子铁心4，外气隙5，外定子铁心6；内定子槽2-1，主永磁体4-1，辅助永磁体4-2，隔磁块4-3，隔磁条4-4，散热孔4-5，外定子槽6-1。
具体实施方式
现结合附图，详述本发明的具体实施方式：
如图1所示，一种高效永磁轮毂电机定转子结构，它包括转轴1、内定子铁心2、内气隙3、转子铁心4、外气隙5、外定子铁心6、内定子槽2-1，主永磁体4-1，辅助永磁体4-2，隔磁块4-3，隔磁条4-4，散热孔4-5，外定子槽6-1等。
本发明所述结构由内至外为内定子—转子—外定子，两个定子铁心均具有各自的绕组且能独立工作，通过控制定子绕组电流的通断来实现同一个转子铁心4在内转子与外转子的驱动模式间自由切换，当需要电机提供高转速、低转矩工作模式时，所述转子铁心4与所述内定子铁心2构成高速内转子轮毂电机，磁路以小V结构为主；当需要电机提供大转矩、低转速工作模式时，所述转子铁心4与所述外定子铁心6构成低速外转子轮毂电机，磁路以小V结构为主。由此来适应轮毂电机在爬坡、制动等情况下的大转矩要求以及加速行驶等情况下的高转速要求。同时，本发明所述结构同时具有内气隙3和外气隙5，能增大电机的有效气隙面积，提高电机的转矩密度。
主永磁体4-1以V型结构内置在转子铁心4中，当转子铁心4作为内转子工作时，主永磁体4-1构成大V组合，与嵌置在转子铁心4外表面的较大些的辅助永磁体4-2形成串联主磁路；相反，当转子铁心4作为外转子工作时，主永磁体4-1构成小V组合，与嵌置在转子铁心4内表面的较小些的辅助永磁体4-2形成串联主磁路。这种内置式的结构不仅能加强永磁体的机械强度，使其承受更大的离心力，还充分利用了转子铁心4的内部空间，提供了较大的磁通面积，进而获得了较大的功率密度，保证了电机内的磁场能提供足够高的转矩密度来支持大转矩、高转速的实现，进一步提高电机的功率密度和效率。特别的，所述副永磁体4-2的形状设计为梭型，其上下表面均为弧形，能够明显改善气隙磁场和绕组反电动势波形，降低涡流损耗和转矩脉动，使气隙磁密波形更加接近于正弦波。或考虑到加工制造的方便，将所述副永磁体的形状简化为菱形降低工艺要求。主永磁体4-1的两端设置有隔磁块4-3，辅助永磁体4-2的中间设置有隔磁条4-4，所述转子铁心4上均匀的分布有椭圆形的散热孔4-5，这些措施均能有效的减少漏磁通，进一步增大有效磁通，提高电机效率。其中，散热孔4-5设计为椭圆形不仅能更有效地减少漏磁，还能使转子铁心4更充分冷却。
如图2所示，标示7处为主永磁体4-1的大V型组合，标示8处为主永磁体4-1的小V型组合，同时展示了主永磁体4-1和辅助永磁体4-2的极性分布示例，能够保证在两种工作模式下电机内部分别构成两种闭合的串联主磁路。

Claims (5)

1.一种高效永磁轮毂电机定转子结构，其特征在于，所述永磁轮毂电机结构包括转轴、内定子铁心、转子铁心、外定子铁心、主永磁体、辅助永磁体、散热孔等，所述内定子铁心套设在所述转轴上，所述转子铁心套设在所述内定子铁心上，所述外定子铁心套设在所述转子铁心上，所述主永磁体嵌入到所述转子铁心内，所述辅助永磁体分别嵌套在所述转子铁心内、外表面处，所述散热孔均匀设置在所述两用转子铁心上辅助永磁体附近。
2.根据权利要求1所述的一种高效永磁轮毂电机定转子结构，其特征在于，所述的转子铁心在内定子绕组通电工作时作为外转子驱动电机，提供较高转速，在外定子绕组通电工作时作为内转子驱动电机，提供较高转矩。
3.根据权利要求1所述的一种高效永磁轮毂电机定转子结构，其特征在于，所述的主永磁体为内置式，两端设置有隔磁桥，当所述转子铁心用作外转子时，相邻较近的两块永磁体形成一组小v结构，与内定子铁心部分构成完整磁路；当所述转子铁心用作内转子时，相邻较远的两块永磁体形成一组大v结构，与外定子铁心部分形成完整磁路。
4.根据权利要求1所述的一种高效永磁轮毂电机定转子结构，其特征在于，所述的辅助永磁体为梭型以改善气隙磁场，使气隙磁密波形更接近于正弦波，同时按表面内置式的形式嵌放在所述两用转子的内外表面，不仅能提高转子机械强度，减小离心力较大时永磁体脱落的危险，还可以起到辅助所述主永磁体的作用，增强磁密，提高功率因素，减小齿槽转矩及电机的振动噪声；当需要考虑加工制造的方便是，还可将所述副永磁体的形状简化为菱形，以降低工艺要求。
5.根据权利要求1所述的一种高效永磁轮毂电机定转子结构，其特征在于，所述的散热孔为椭圆形，均匀分布在所述转子铁心上，起到良好的散热、减重、减少漏磁的作用。
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