CN109104014A - 一种四相双绕组游标电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种四相双绕组游标电机,包括同轴心排列的V型永磁转子1、气隙13和裂槽定子6,转子1与定子6之间设置气隙13。所述转子1中两块永磁体2组成一对极,成V型放置,一边闭合,另一边两脚分别置于不同转子假槽上。转子假槽4数与永磁体2块数一致。所述定子6包括与转子1同轴心的定子扼14、若干凸出于定子扼外周的爪状定子齿10,相邻定子齿之内设有定子齿内槽12,爪状齿之间设有定子齿外槽11,定子6还包括嵌入定子齿内槽内的四相调制电枢绕组7和嵌入定子齿外槽内的四相常规电枢绕组5。本发明可以降低电机的定位力矩与转矩脉动,同时可以减少内部漏磁,提高了永磁体利用率,使得电机的功率密度和转矩密度提高。
Description
技术领域
本发明属于电机制造技术领域,特指一种适合于电动汽车等需要具有相对较高功率密度、高转矩密度、高效率,低转矩脉动等特点的游标电机。
背景技术
游标电机因为其结构简单紧凑、功率密度和效率高等优点,在近几十年来得到了快速发展。在低速大转矩的应用场合,由于电机转子直接与轮毂连接的结构,可以有效的实现转矩直驱。同时,这样的结构省去了传统的机械部件,有利于释放能量传输系统紧凑的空间并减轻了整车的重量。同时也可以消除由于齿轮啮合传动引起的噪声和故障,从而提高系统的效率和可靠性。
然而,传统的直驱永磁游标电机中,一般转子旋转的速度较低,电机本身往往存在齿槽转矩大、功率因数低、运行噪声大、转矩密度及永磁体利用率偏低的问题。因此,研究和设计具有高转矩密度,高永磁体利用率和低转矩脉动的游标电机在轮毂驱动应用领域已经成为了具有挑战性的问题之一。
中国专利号201210163826.0提出了一种磁场自增速永磁游标电机,该电机转子采用辐条嵌入式永磁体排布,相邻永磁体沿切向交替反向充磁,该永磁体排布方式能够产生聚磁效应,同时辐条嵌入式永磁体排布也可以使永磁体在转子旋转时承受压应力,避免损坏和脱落,能够提高转子整体机械强度;但这种辐条嵌入式永磁体排布一方面使得电机存在较大的外部漏磁从而导致电机永磁体利用率的降低和转矩密度的下降,另一方面内部漏磁使得电机存在着较高的定位力矩和转矩脉动。
中国专利号201710100273.7提出了一种双爪极定子聚磁式游标电机,通过设定双定子,在内外定子的凹槽上嵌有三相四极绕组,达到了聚磁目的,使转子永磁体的外部漏磁减少,提高了永磁体的利用率,但定子采用裂槽结构使得该电机的定子空间利用率不高。另一方面,辐条嵌入式永磁体排布使该电机具有相对较大的定位力矩和转矩脉动,同时该电机由于双定子结构,具有两层气隙,从而使得的电机的功率密度与转矩密度下降,
因此,如何在维持电机相对较高功率密度和转矩密度的同时,降低电机的定位力矩,提高电机的永磁体利用率成为目前亟需解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足,提出了一种结构简单、转子鲁棒性能好、具有相对较高功率密度、高转矩密度、高效率的单气隙双绕组四相游标电机,以满足在保证相对较高功率密度和转矩密度的情况下,降低电机的定位力矩,提高电机的永磁体利用率。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案是:
一种四相双绕组游标电机,该电机由外至内包括同轴心排列的转子1、定子6,转子1与定子6之间设置气隙13;所述转子1上有转子齿8,转子内侧圆周开有多个V型槽,两块永磁体2组成一对极,成V型放置在槽内,永磁体2一边闭合,永磁体2另一边两脚分别置于转子假槽4上;所述定子6包括与转子1同轴心的定子扼14、若干凸出于定子扼外周的爪状定子齿10,相邻定子齿之间设有定子齿内槽12,爪状定子齿10之间设有定子齿外槽11,定子6还包括嵌入定子齿内槽12内的四相调制电枢绕组7和嵌入定子齿外槽内的四相常规电枢绕组5。
进一步,所述永磁体2的极对数Ppm、定子齿10的个数Nst、常规电枢绕组5绕制的极对数Pcc、调制电枢绕组7绕制的极对数Pmc满足以下关系:Pmc=Nst-Ppm、Pcc=Ppm。
进一步,转子假槽4数与永磁体2块数一致。
进一步,所述永磁体2间隔放置于转子齿8上,所有永磁体2均沿永磁体宽边向里充磁,形成聚磁式磁极结构,同时放有永磁体2的转子齿8充当磁铁的N极,而未被放置永磁体2的转子齿8充当磁铁S极。
进一步,定子齿内槽12由两个梯形T1与T2组成,定子齿外槽11为梯形T3,T1的面积为ST1,T2的面积为ST2,T3的面积为ST3,需满足条件:(ST1+ST2)/ST3=2~4。
进一步,永磁体2组成的V型结构夹角θ需满足条件60°≤θ≤120°。
进一步,每块永磁体2的两端设置三角形磁障3。
进一步,定子齿10的个数Nst、定子齿外槽11的个数Nsw与定子齿内槽12的个数Nsn满足以下关系:Nst=Nsw=2×Nsn。
上述技术方案后,本发明具有以下有益效果,
1、本发明在转子上永磁体成V型放置,同时添加永磁体块数一致的转子假槽,将V型放置的永磁体开口端位于转子假槽上,从而形成转子极弧系数,通过调节转子极弧系数可以降低电机的定位力矩与转矩脉动。同时由于永磁体V型放置于转子假槽上,避免永磁体辐条嵌入式排布导致的外部漏磁,同时也减少内部漏磁,提高了永磁体利用率,使得电机的功率密度和转矩密度提高。
2、本发明中,V型永磁间隔放置于转子齿上,同时放有永磁体的转子齿充当磁铁的N极,而未被放置永磁体的转子齿充当磁铁S极,这样可以减少永磁体的使用块数。同时,V型永磁排布使永磁体在转子旋转过程中承受较大的压应力和较少的拉应力,能够有效防止永磁体损坏脱落,提高转子机械强度。
3、本发明中,永磁体全部沿永磁体宽边向里充磁,使得电机的磁场具有聚磁特性,进而提高了气隙的磁通密度
4、本发明中,利用磁场调制原理,通过将爪状定子齿充当调磁齿,可实现电机的磁场自减速,即调制绕组按高速谐波磁场极对数设计,转子永磁体极对数虽然较大,但转子以较低的转速运行,因此可以实现转子低速大转矩,适用于电动汽车电机直驱需要低速大转矩等领域。
5、本发明中,V型永磁两端设有特定三角形的磁障,避免永磁体端部漏磁,进一步提高电机永磁体利用率。
6、本发明中,为了充分利用定子空间,在定子齿外槽内添加了一套常规电枢绕组,常规电枢绕组根据基波磁场极对数设计,再次对气隙磁密谐波进行利用,提高了永磁体利用率和电机效率,避免了传统裂槽结构形成爪状定子齿导致的定子空间利用低等问题。
7、本发明中,由于两套四相绕组单独作用,空载反电势与输出转矩为两套绕组单独作用时的叠加,因此当其中一套绕组相断路时并不会影响到另一套绕组的正常工作,所以该电机不仅具有常规多相电机的被动容错能力,同时也有较高的主动容错能力。
8、本发明中,通过添加常规绕组,一方面能够再次利用气隙磁密的主要谐波来提高电机的永磁体利用率和转矩密度,另一方面还可以通过更多的利用气隙磁密的谐波来减少无效谐波的存在,使得该电机在两套绕组共同作用时,产生转矩脉动的谐波次数较少,从而降低了的电机的总转矩脉动。
9、本发明通过在定子上添加一套常规电枢绕组,实现了双定子电机具有的空间利用率高,转矩输出能力大等优点,同时避免了双定子电机具有双气隙从而导致的电机结构复杂与转矩密度相对较低等问题。
10、由于工作原理的特殊性,本发明的永磁游标电机,调制电枢绕组与常规电枢绕组设计均采用集中绕组形式,绕组绕制简单,易于实现定子模块化加工,机械装配更加方便。
附图说明
图1是本发明的电机截面结构示意图;
图2是本发明的电机转子局部放大示意图;
图3是本发明的电机定子局部放大示意图;
图4是本发明在空载运行时磁力线分布意图;
图5是已经存在的电机的在空载运行时磁力线分布意图;
图6是本发明设计下的三种情况下的输出转矩波形;
图中:1.转子;2.永磁体;3.转子磁障;4.转子假槽;5常规电枢绕组;6.定子;7.调制电枢绕组;8.转子齿;9.加强筋;10.定子齿;11.定子齿外槽;12.定子齿内槽;13.气隙;14.定子轭;31.上方磁障;32.下方磁障;图中箭头代表永磁体充磁方向。
具体实施方式
下面根据说明书附图和具体实施例对本发明做进一步解释。
参见图1,图2和图3,本发明由外至内包含同轴心排列的转子1、气隙13、和定子6,转子1与定子6之间设置气隙13。所述转子包含沿圆周等距间隔排列的26个转子齿8,转子齿之间设置的26个转子假槽4,与转子假槽4数量一致的永磁体2,其一端放置与转子假槽4上,另一端位于转子假槽4之间的转子齿8上方。因此两块永磁体2组成V型结构,永磁体2组成的V型结构夹角θ需满足条件60°≤θ≤120°。每块永磁体2的两端设置特定三角形磁障3,上方磁障31为直角三角形,直角三角形斜边为转子永磁体2上方宽边,直角三角形另外两条边分别平行和垂直于穿过V型槽中心的径向线(电机的径向线)。平行于该径向线的边与永磁体2宽边的夹角为θ/2.下方磁障32由永磁体2下方宽边,沿着圆周方向的弧线和将弧线与永磁体2下方宽边相连接的宽边组成。弧线长度为永磁体宽边长度的1~2倍。转子假槽4位于磁障3的下方,其高度为转子1高度的0.15~0.25,其宽度为转子齿8宽度的0.25~0.5.同时为了保证转子的机械强度,转子假槽4与下方磁障32间存在厚度为0.5mm~1mm的加强筋9。
所述定子包括与转子同轴心的定子扼14、8个凸出于定子扼外周的爪状定子齿,相邻定子齿10内部设有定子齿内槽12,定子齿10之间设有定子齿外槽11,定子齿内槽10由两个梯形T1与T2组成,定子齿外槽11为梯形T3,两个槽的面积需满足条件(ST1+ST2)/ST3=2~4.定子还包括嵌入定子齿内槽内的四相调制电枢绕组7和嵌入定子齿外槽内的四相常规电枢绕组5。
所述转子永磁体2的极对数Ppm、定子齿10的个数Nst、常规电枢绕组7绕制的极对数Pcc、调制电枢绕组7绕制的极对数Pmc满足以下关系:Pmc=Nst-Ppm、Pcc=Ppm.定子齿10的个数Nst、定子齿外槽11的个数Nsw与定子齿内槽12的个数Nsn满足以下关系:Nst=Nsw=2×Nsn。
所述的转子永磁体2平面结构为长方形,宽度范围长为2mm~6mm之间,长为宽度边的2-5倍,由稀土钕铁硼或其它永磁材料制成,所有永磁体2沿宽度边方向向内充磁。
参见图4和5,,采用本发明实施例的特殊设计,相比图4中传统轮辐永磁游标电机的磁场分布,本发明磁场分布巧妙而有效地避免了转子外圈严重漏磁的问题,同时也有效的降低了转子内圈的漏磁现象。使得本发明电机的永磁体利用率相对较高。同时如图4所示,其磁路主要可分为两种情况,情况一为永磁体21产生的磁力线经过转子齿81到定子齿101,经过定子轭141后到达另一个定子齿101,然后经过转子齿81后回到永磁体21。情况二为永磁体22产生的磁力线经过转子齿82到定子齿102,然后经过另一个定子齿102后到达转子齿82,然后回到永磁体22,如图3中虚线椭圆标注所示。常规电枢绕组5的存在,不仅被情况一中的磁路经过,同时也被情况二中的磁路经过。从而进一步提高电机的永磁体利用率和转矩密度。而当如果不添加常规电枢绕组5,不仅定子齿外槽11的空间被浪费,同时情况二的磁路也无法被利用来产生转矩。
参见图6,为本发明设计下的三种情况下的输出转矩波形。情况一为仅常规电枢绕组6工作时电机的输出转矩波形,情况二为仅调制电枢绕组7工作下的电机的输出转矩波形,情况三为两套绕组共同作用时转矩输出波形。从三种情况的分析与对比可以看出,通过添加常规电枢绕组5,电机的输出转矩平均值从68.7Nm提升到90.2Nm,提升了31.3%。而电机的转矩脉动从7.76%降低到3.84%,降低了50.1%。因此本发明特殊设计下的电机输出转矩和转矩脉动都得到了明显的改善,对电机的稳定性和可靠性起了明显的有益效果。
综上,本发明的一种转子永磁四相双绕组游标电机,该电机由外至内包括同轴心排列的V型永磁转子1、气隙13和裂槽定子6,转子1与定子6之间设置气隙13。所述转子1中两块永磁体2组成一对极,成V型放置,一边闭合,另一边两脚分别置于不同转子假槽上。转子假槽4数与永磁体2块数一致。所述定子6包括与转子1同轴心的定子扼14、若干凸出于定子扼外周的爪状定子齿10,相邻定子齿之内设有定子齿内槽12,爪状齿之间设有定子齿外槽11,定子6还包括嵌入定子齿内槽内的四相调制电枢绕组7和嵌入定子齿外槽内的四相常规电枢绕组5。本发明将永磁体2成V型放置在转子上1,同时添加永磁体块数一致的转子假槽4,可以降低电机的定位力矩与转矩脉动,同时可以减少内部漏磁,提高了永磁体利用率,使得电机的功率密度和转矩密度提高。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,本领域的普通技术人员可以理解:在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种四相双绕组游标电机,其特征在于,该电机由外至内包括同轴心排列的转子(1)、定子(6),转子(1)与定子(6)之间设置气隙(13);
所述转子(1)上有转子齿(8),转子内侧圆周开有多个V型槽,两块永磁体(2)组成一对极,成V型放置在槽内,永磁体(2)一边闭合,永磁体(2)另一边两脚分别置于转子假槽(4)上;
所述定子(6)包括与转子(1)同轴心的定子扼(14)、若干凸出于定子扼外周的爪状定子齿(10),相邻定子齿之间设有定子齿内槽(12),爪状定子齿(10)端部之间设有定子齿外槽(11),定子(6)还包括嵌入定子齿内槽(12)内的四相调制电枢绕组(7)和嵌入定子齿外槽(11)内的四相常规电枢绕组(5)。
2.根据权利要求1所述的一种四相双绕组游标电机,其特征在于,所述永磁体(2)的极对数Ppm、定子齿(10)的个数Nst、常规电枢绕组(5)绕制的极对数Pcc、调制电枢绕组(7)绕制的极对数Pmc满足以下关系:Pmc=Nst-Ppm、Pcc=Ppm。
3.根据权利要求1所述的一种四相双绕组游标电机,其特征在于,转子假槽(4)数与永磁体(2)块数一致。
4.根据权利要求1所述的一种四相双绕组游标电机,其特征在于,所述永磁体(2)间隔放置于转子齿(8)上,所有永磁体(2)均沿永磁体宽边向里充磁,形成聚磁式磁极结构,同时放有永磁体(2)的转子齿(8)充当磁铁的N极,而未被放置永磁体(2)的转子齿(8)充当磁铁S极。
5.根据权利要求1所述的一种四相双绕组游标电机,其特征在于,定子齿内槽(12)由两个梯形T1与T2组成,定子齿外槽(11)为梯形T3,T1的面积为ST1,T2的面积为ST2,T3的面积为ST3,需满足条件:(ST1+ST2)/ST3=2~4。
6.根据权利要求1所述的一种四相双绕组游标电机,其特征在于,永磁体(2)组成的V型结构夹角θ满足条件60°≤θ≤120°。
7.根据权利要求1所述的一种四相双绕组游标电机,其特征在于,每块永磁体(2)的两端设置三角形磁障(3)。
8.根据权利要求1所述的一种四相双绕组游标电机,其特征在于,定子齿(10)的个数Nst、定子齿外槽(11)的个数Nsw与定子齿内槽(12)的个数Nsn满足以下关系:Nst=Nsw=2×Nsn。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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