CN108494199A - 电动汽车用非对齐双定子轮辐式永磁同步电动机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电动汽车用非对齐双定子轮辐式永磁同步电动机，包括内定子、外定子、永磁体和绕组，内定子和外定子之间设有环形的永磁体，内定子的外圈设有内定子齿，外定子的内圈设有外定子齿，绕组缠绕在定子齿上，每4组绕组构成1组相绕组，本电动机设计为26极，相邻的相绕组之间槽宽11.923度机械角度、150度电角度，相绕组的间槽宽6.923机械角度、90度电角度。本发明有效降低齿槽转矩、抑制转矩脉动及提高转矩输出能力，降低电机的成本。永磁体采用海尔贝克排列方式，有效聚磁节省空间。达到抑制齿槽转矩、减小转矩脉动、提高转矩输。

Description

电动汽车用非对齐双定子轮辐式永磁同步电动机
技术领域
本发明涉及电动汽车电机领域，特别涉及一种电动汽车用非对齐双定子轮辐式永磁同步电动机。
背景技术
近年来，随着环境与能源问题的不断加剧，纯电动汽车在全世界范围内得到了迅速发展。电动机作为电动汽车的动力源，得到了越来越广泛的研究。尤其是稀土永磁材料的出现和不断发展，使电机设计及控制技术的发展又迈向了一个新的台阶。但永磁电机依然存在转矩脉动大，成本高，宽速调制难等诸多问题，限制了其在电动汽车领域的应用。
目前，永磁电机已成为高性能电机研究的主流。其具有高输出转矩密度，高效率和优异的稳态性能等优点。虽然国内外对新型高性能电机的研究十分活跃，但创新性依然比较局限。尤其是永磁电机的转矩密度和转矩脉动在设计中一般只能采取折中设计，一直是高性能电机设计的瓶颈问题。并且，在电动汽车运行过程中，转矩脉动会导致振动、噪声、位置误差，使调速控制性能下降，甚至产生运行故障。因此，在设计电动汽车用永磁同步电动机时，必须尽量减少转矩脉动。现有的技术如斜齿、斜极、降低控制系统输出谐波等方法不可避免地会导致电机性能的降低和增加永磁同步电动机的制造难度。
双定子电机最初是由澳大利亚的B. H.Smith在1966年以感应电动机的形式提出来的。日本在双定子电机的理论研究和工业应用上显得较为活跃，英国、澳大利亚也围绕双定子电机做了大量的工作。他们为双定子电机申请了专利，甚至还专门成立了电机调速有限公司。1990年日本的几位学者联合推出了一种无噪声的变速电机，这种电机实际上是一种改进的双定子电机。其改进之处是在主电机和调节电机之间连接了一波状高阻，进一步改善了双定子电机的起动性能和调速性能。它可以在额定电压和工频条件下实现无级平滑调速；电机调速时，可以恒转矩运行，且冲击电流小；电机的起动转矩大，起动电流小，运行安全、稳定，可靠性高；使其应用技术得到了迅速发展。
本世纪初EduardMuljadi和C.P. Butterfield设计了一种轴向磁通的双定子永磁电机，并将其用于风力发电。与一般电机的径向励磁不同，转子上的励磁方向是轴向的，然后将两个定子分别安放在转子的两边。采取这种结构提高了电机的转矩密度。韩国HangYang 大学设计了一种双定子轴向磁通永磁电机，该结构电机具有转矩密度高、功率因数大等特点，非常适用于低速直驱系统。
双定子电机的性能优势使其应用技术得到了迅速发展，在并联结构和磁路串联结构基础上出现其他新结构。但是其存在转矩脉动大影响系统稳定，震动等问题。
发明内容
发明目的
为了解决上述存在的问题，本发明提供一种电动汽车用非对齐双定子轮辐式永磁同步电动机。同一定子相绕组间齿槽相差150度电角度，内定子与外定子齿槽相差90度电角度的齿槽偏移配合设计，采用轮辐式集中绕线绕组的非对齐双定子永磁同步电动机方案，有效降低齿槽转矩、抑制转矩脉动及提高转矩输出能力，降低电机的成本。采用内外定子齿槽偏移配合设计、内定子或者外定子齿采用组合设计，定子齿和槽宽度采用 90°电角度，不同相绕组之间槽宽 150°电角度。永磁体采用海尔贝克排列方式，有效聚磁节省空间。达到抑制齿槽转矩、减小转矩脉动、提高转矩输。
技术方案
一种电动汽车用非对齐双定子轮辐式永磁同步电动机，包括内定子、外定子、永磁体和绕组，其特征在于：内定子和外定子之间设有环形的永磁体，内定子的外圈设有内定子齿，外定子的内圈设有外定子齿，外圈第一绕组、外圈第二绕组、外圈第三绕组、外圈第四绕组、外圈第五绕组、外圈第六绕组、外圈第七绕组、外圈第八绕组、外圈第九绕组、外圈第十绕组、外圈第十一绕组、外圈第十二绕组、外圈第十三绕组、外圈第十四绕组、外圈第十五绕组、外圈第十六绕组、外圈第十七绕组、外圈第十八绕组、外圈第十九绕组、外圈第二十绕组、外圈第二十一绕组、外圈第二十二绕组、外圈第二十三绕组和外圈第二十四绕组依次缠绕在外定子齿上，内圈第一绕组、内圈第二绕组、内圈第三绕组、内圈第四绕组、内圈第五绕组、内圈第六绕组、内圈第七绕组、内圈第八绕组、内圈第九绕组、内圈第十绕组、内圈第十一绕组、内圈第十二绕组、内圈第十三绕组、内圈第十四绕组、内圈第十五绕组、内圈第十六绕组、内圈第十七绕组、内圈第十八绕组、内圈第十九绕组、内圈第二十绕组、内圈第二十一绕组、内圈第二十二绕组、内圈第二十三绕组和内圈第二十四绕组依次缠绕在内定子齿上；外圈第十一绕组、外圈第十二绕组、外圈第十三绕组和外圈第十四绕组构成A1相绕组，外圈第十五绕组、外圈第十六绕组、外圈第十七绕组和外圈第十八绕组构成B2相绕组，外圈第十九绕组、外圈第二十绕组、外圈第二十一绕组和外圈第二十二绕组构成C2相绕组，外圈第二十三绕组、外圈第二十四绕组、外圈第一绕组和外圈第二绕组构成A2相绕组，外圈第三绕组、外圈第四绕组、外圈第五绕组和外圈第六绕组构成B1相绕组，外圈第七绕组、外圈第八绕组、外圈第九绕组和外圈第十绕组构成C1相绕组；内圈第十一绕组、内圈第十二绕组、内圈第十三绕组和内圈第十四绕组构成a1相绕组，内圈第十五绕组、内圈第十六绕组、内圈第十七绕组和内圈第十八绕组构成b2相绕组，内圈第十九绕组、内圈第二十绕组、内圈第二十一绕组和内圈第二十二绕组构成c2相绕组，内圈第一绕组、内圈第二绕组、内圈第二十三绕组和内圈第二十四绕组构成a2相绕组，内圈第三绕组、内圈第四绕组、内圈第五绕组和内圈第六绕组构成b1相绕组，内圈第七绕组、内圈第八绕组、内圈第九绕组和内圈第十绕组构成c1相绕组，本电动机设计为26极，相邻的相绕组之间槽宽11.923度机械角度、150度电角度，相绕组的间槽宽6.923机械角度、90度电角度。
所述永磁体为双层环状的多块永磁体组合而成，内环和外环的永磁体皆为52快。
所述内定子齿和外定子齿为偏移配合，内定子齿和外定子齿采用4个为一组的组合设计。
相邻相绕组的绕组之间留有间隔。
所述永磁体内环和外环之间留有间隔。
所述内定子和外定子的厚度相同，内定子齿和外定子齿的高度相同。
优点及效果
本发明提出的非对齐双定子轮辐式永磁同步电动机综合运用了多种技术进行创新性设计，永磁体采用海尔贝克阵列方式排列，使用铁氧体磁体，并采用轮辐式排列，结合双定子的非对齐配置特点，使得磁体磁通具有交替聚合的优点，与传统设计相比具有更加显著的磁通聚合效果；采用相组集中绕线使电机具有高绕组因数和低端部绕线的优点；轮辐式铁氧体、相组绕线及非对齐双定子使电机具有高输出转矩和高效率的同时，具备低转矩脉动和低成本的优点。同时，基于磁动势平衡理论，结合智能控制策略，对非对齐双定子轮辐式永磁同步电动机展开容错技术研究，保证电动汽车的可靠运行。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1内H处等效永磁体示意图。
附图标记说明：
1、内定子；2、外定子；3、外圈第一绕组；4、外圈第二绕组；5、外圈第三绕组；6、外圈第四绕组；7、外圈第五绕组；8、外圈第六绕组；9、外圈第七绕组；10、外圈第八绕组；11、外圈第九绕组；12、外圈第十绕组；13、外圈第十一绕组；14、外圈第十二绕组；15、外圈第十三绕组；16、外圈第十四绕组；17、外圈第十五绕组；18、外圈第十六绕组；19、外圈第十七绕组；20、外圈第十八绕组；21、外圈第十九绕组；22、外圈第二十绕组；23、外圈第二十一绕组；24、外圈第二十二绕组；25、外圈第二十三绕组；26、外圈第二十四绕组；27、内圈第一绕组；28、内圈第二绕组；29、内圈第三绕组；30、内圈第四绕组；31、内圈第五绕组；32、内圈第六绕组；33、内圈第七绕组；34、内圈第八绕组；35、内圈第九绕组；36、内圈第十绕组；37、内圈第十一绕组；38、内圈第十二绕组；39、内圈第十三绕组；40、内圈第十四绕组；41、内圈第十五绕组；42、内圈第十六绕组；43、内圈第十七绕组；44、内圈第十八绕组；45、内圈第十九绕组；46、内圈第二十绕组；47、内圈第二十一绕组；48、内圈第二十二绕组；49、内圈第二十三绕组；50、内圈第二十四绕组；51-1、内圈的第一块永磁体；51-2、外圈的第一块永磁体；52-1、内圈的第二块永磁体；52-2、外圈的第二块永磁体；53-1、内圈的第三块永磁体；53-2、外圈的第三块永磁体；54-1、内圈的第四块永磁体；54-2、外圈的第四块永磁体；55-1、内圈的第五块永磁体；55-2、外圈的第五块永磁体。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
如图1所示，一种电动汽车用非对齐双定子轮辐式永磁同步电动机，包括内定子1、外定子2、永磁体和绕组，内定子1和外定子2之间设有环形的永磁体，永磁体为双层环状的多块永磁体组合而成，内环和外环的永磁体皆为52快，永磁体内环和外环之间留有间隔，间隔有利于机械结构的稳定，中间可以放置树脂胶使结构更加稳定，并且利于磁力线走势更加均匀。内定子1的外圈设有内定子齿，外定子2的内圈设有外定子齿，内定子1和外定子2的厚度相同，内定子齿和外定子齿的高度相同，厚度相同、高度相等有利于生产时的加工。外圈第一绕组3、外圈第二绕组4、外圈第三绕组5、外圈第四绕组6、外圈第五绕组7、外圈第六绕组8、外圈第七绕组9、外圈第八绕组10、外圈第九绕组11、外圈第十绕组12、外圈第十一绕组13、外圈第十二绕组14、外圈第十三绕组15、外圈第十四绕组16、外圈第十五绕组17、外圈第十六绕组18、外圈第十七绕组19、外圈第十八绕组20、外圈第十九绕组21、外圈第二十绕组22、外圈第二十一绕组23、外圈第二十二绕组24、外圈第二十三绕组25和外圈第二十四绕组26依次缠绕在外定子齿上，内圈第一绕组27、内圈第二绕组28、内圈第三绕组29、内圈第四绕组30、内圈第五绕组31、内圈第六绕组32、内圈第七绕组33、内圈第八绕组34、内圈第九绕组35、内圈第十绕组36、内圈第十一绕组37、内圈第十二绕组38、内圈第十三绕组39、内圈第十四绕组40、内圈第十五绕组41、内圈第十六绕组42、内圈第十七绕组43、内圈第十八绕组44、内圈第十九绕组45、内圈第二十绕组46、内圈第二十一绕组47、内圈第二十二绕组48、内圈第二十三绕组49和内圈第二十四绕组50依次缠绕在内定子齿上；外圈第十一绕组13、外圈第十二绕组14、外圈第十三绕组15和外圈第十四绕组16构成A1相绕组，外圈第十五绕组17、外圈第十六绕组18、外圈第十七绕组19和外圈第十八绕组20构成B2相绕组，外圈第十九绕组21、外圈第二十绕组22、外圈第二十一绕组23和外圈第二十二绕组24构成C2相绕组，外圈第二十三绕组25、外圈第二十四绕组26、外圈第一绕组3和外圈第二绕组4构成A2相绕组，外圈第三绕组5、外圈第四绕组6、外圈第五绕组7和外圈第六绕组8构成B1相绕组，外圈第七绕组9、外圈第八绕组10、外圈第九绕组11和外圈第十绕组12构成C1相绕组；相邻相绕组的绕组之间留有间隔，因此使得绕组绕线紧实，有利于产生磁场。内圈第十一绕组37、内圈第十二绕组38、内圈第十三绕组39和内圈第十四绕组40构成a1相绕组，内圈第十五绕组41、内圈第十六绕组42、内圈第十七绕组43和内圈第十八绕组44构成b2相绕组，内圈第十九绕组45、内圈第二十绕组46、内圈第二十一绕组47和内圈第二十二绕组48构成c2相绕组，内圈第一绕组27、内圈第二绕组28、内圈第二十三绕组49和内圈第二十四绕组50构成a2相绕组，内圈第三绕组29、内圈第四绕组30、内圈第五绕组31和内圈第六绕组32构成b1相绕组，内圈第七绕组33、内圈第八绕组34、内圈第九绕组35和内圈第十绕组36构成c1相绕组，相邻相绕组的绕组之间留有间隔，因此使得绕组绕线紧实，有利于产生磁场。本电动机设计为26极，相邻的相绕组之间槽宽11.923度机械角度、150度电角度，相绕组的间槽宽6.923机械角度、90度电角度，这种齿槽结构使得磁体磁通具有交替磁通聚合的优点，可进一步提高转矩提升能力。内定子齿和外定子齿为偏移配合，内定子齿和外定子齿采用4个为一组的组合设计，A1相绕组和a1相绕组偏移配合，A2相绕组和a2相绕组偏移配合，B1相绕组和b1相绕组偏移配合，B2相绕组和b2相绕组偏移配合，C1相绕组和c1相绕组偏移配合，C2相绕组和c2相绕组偏移配合，这样非齿正对齿的配合优点是可以达到抑制齿槽转矩、减小转矩脉动、振动、噪声、位置误差，使调速控制性能上升，保障运行故障提高转矩输出。相绕组集中绕线，具有高绕组因数、低端部绕线的优点，并且与内外定子偏移相配合使得磁体磁通具有交替聚合的优点。
如图2所示，内圈的第一块永磁体51-1和外圈的第一块永磁体51-2构成第一块永磁体组合，内圈的第二块永磁体52-1和外圈的第二块永磁体52-2构成第二块永磁体组合，内圈的第三块永磁体53-1和外圈的第三块永磁体53-2构成第三块永磁体组合，内圈的第四块永磁体54-1和外圈的第四块永磁体54-2构成第四块永磁体组合，内圈的第五块永磁体55-1和外圈的第五块永磁体55-2构成第五块永磁体组合。是海尔贝克排列方式中，共十块小永磁体通过海尔贝克阵列排列后，等效成了两块大永磁体。第一块永磁体组合、第二块永磁体组合和第三块永磁体组合构成了其中一块大永磁体，上面N极、下面S极；第三块永磁体组合、第四块永磁体组合和第五块永磁体组合构成了另一块大永磁体，上面S极下边N极。中间两块为共用的磁体，即上下两小块磁体构成加上中间共用的磁体构成以大块磁体。其余永磁体如此排列，充磁方向类似于这五块。采用铁氧体材料，以轮辐式方式排布，与同体积的永磁体径向或者切向充磁方式排列相比可以产生更强的磁场，有效减小永磁体体积。海尔贝克阵列用少量的永磁体产生最强的磁场。Halbach磁环是将磁体径向式与平行式排列结合在一起，最后上述永磁体机构最终形成单边磁场。。Halbach阵列是一种新型永磁体排列方式，它将不同磁化方向的永磁体按照一定的顺序排列，使得阵列一边的磁场显著增强而另一边显著减弱。

Claims (6)

1.一种电动汽车用非对齐双定子轮辐式永磁同步电动机，包括内定子（1）、外定子（2）、永磁体和绕组，其特征在于：内定子（1）和外定子（2）之间设有环形的永磁体，内定子（1）的外圈设有内定子齿，外定子（2）的内圈设有外定子齿，外圈第一绕组（3）、外圈第二绕组（4）、外圈第三绕组（5）、外圈第四绕组（6）、外圈第五绕组（7）、外圈第六绕组（8）、外圈第七绕组（9）、外圈第八绕组（10）、外圈第九绕组（11）、外圈第十绕组（12）、外圈第十一绕组（13）、外圈第十二绕组（14）、外圈第十三绕组（15）、外圈第十四绕组（16）、外圈第十五绕组（17）、外圈第十六绕组（18）、外圈第十七绕组（19）、外圈第十八绕组（20）、外圈第十九绕组（21）、外圈第二十绕组（22）、外圈第二十一绕组（23）、外圈第二十二绕组（24）、外圈第二十三绕组（25）和外圈第二十四绕组（26）依次缠绕在外定子齿上，内圈第一绕组（27）、内圈第二绕组（28）、内圈第三绕组（29）、内圈第四绕组（30）、内圈第五绕组（31）、内圈第六绕组（32）、内圈第七绕组（33）、内圈第八绕组（34）、内圈第九绕组（35）、内圈第十绕组（36）、内圈第十一绕组（37）、内圈第十二绕组（38）、内圈第十三绕组（39）、内圈第十四绕组（40）、内圈第十五绕组（41）、内圈第十六绕组（42）、内圈第十七绕组（43）、内圈第十八绕组（44）、内圈第十九绕组（45）、内圈第二十绕组（46）、内圈第二十一绕组（47）、内圈第二十二绕组（48）、内圈第二十三绕组（49）和内圈第二十四绕组（50）依次缠绕在内定子齿上；外圈第十一绕组（13）、外圈第十二绕组（14）、外圈第十三绕组（15）和外圈第十四绕组（16）构成A1相绕组，外圈第十五绕组（17）、外圈第十六绕组（18）、外圈第十七绕组（19）和外圈第十八绕组（20）构成B2相绕组，外圈第十九绕组（21）、外圈第二十绕组（22）、外圈第二十一绕组（23）和外圈第二十二绕组（24）构成C2相绕组，外圈第二十三绕组（25）、外圈第二十四绕组（26）、外圈第一绕组（3）和外圈第二绕组（4）构成A2相绕组，外圈第三绕组（5）、外圈第四绕组（6）、外圈第五绕组（7）和外圈第六绕组（8）构成B1相绕组，外圈第七绕组（9）、外圈第八绕组（10）、外圈第九绕组（11）和外圈第十绕组（12）构成C1相绕组；内圈第十一绕组（37）、内圈第十二绕组（38）、内圈第十三绕组（39）和内圈第十四绕组（40）构成a1相绕组，内圈第十五绕组（41）、内圈第十六绕组（42）、内圈第十七绕组（43）和内圈第十八绕组（44）构成b2相绕组，内圈第十九绕组（45）、内圈第二十绕组（46）、内圈第二十一绕组（47）和内圈第二十二绕组（48）构成c2相绕组，内圈第一绕组（27）、内圈第二绕组（28）、内圈第二十三绕组（49）和内圈第二十四绕组（50）构成a2相绕组，内圈第三绕组（29）、内圈第四绕组（30）、内圈第五绕组（31）和内圈第六绕组（32）构成b1相绕组，内圈第七绕组（33）、内圈第八绕组（34）、内圈第九绕组（35）和内圈第十绕组（36）构成c1相绕组，本电动机设计为26极，相邻的相绕组之间槽宽11.923度机械角度、150度电角度，相绕组的间槽宽6.923机械角度、90度电角度。
2.根据权利要求1所述的电动汽车用非对齐双定子轮辐式永磁同步电动机，其特征在于：所述永磁体为双层环状的多块永磁体组合而成，内环和外环的永磁体皆为52快。
3.根据权利要求1所述的电动汽车用非对齐双定子轮辐式永磁同步电动机，其特征在于：所述内定子齿和外定子齿为偏移配合，内定子齿和外定子齿采用4个为一组的组合设计。
4.根据权利要求1所述的电动汽车用非对齐双定子轮辐式永磁同步电动机，其特征在于：相邻相绕组的绕组之间留有间隔。
5.根据权利要求2所述的电动汽车用非对齐双定子轮辐式永磁同步电动机，其特征在于：所述永磁体内环和外环之间留有间隔。
6.根据权利要求1所述的电动汽车用非对齐双定子轮辐式永磁同步电动机，其特征在于：所述内定子（1）和外定子（2）的厚度相同，内定子齿和外定子齿的高度相同。
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