CN109617270B - 一种永磁利用率高的外转子磁通切换电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种永磁利用率高的外转子磁通切换电机，定子同轴位于转子内部，定子由一个导磁环和N _s 个V型定子凸极组成，相邻的两个V型定子凸极之间固定镶嵌分段永磁磁钢，每个分段永磁磁钢都沿定子的径向分为N段磁钢，N段磁钢的相邻两段磁钢之间设有导磁桥，每段磁钢都是相同的Halbach阵列结构；每间隔一个V型定子凸极的外端部设有朝向定子槽的靴部，在同一个V型定子凸极的两个靴部之间固定镶嵌有一个靴部永磁磁钢，在未设靴部的V型定子凸极的内端设置有圆弧形的内端永磁磁钢，内端永磁磁钢将相邻的两个分段永磁磁钢内端连接在一起；有效降低沿定子径向分段的永磁磁钢两端的漏磁，获得提高电机永磁利用率的效果。

Description

一种永磁利用率高的外转子磁通切换电机

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高转矩密度以及高永磁利用率等特点的永磁电机。

背景技术

磁通切换电机因其有转子结构简单、易于散热、转矩输出能力较高等优势在电动汽车、风力发电以及航空航天等领域显示出潜在的应用前景。但是传统的磁通切换电机由于其特殊的定子结构导致定子外圆漏磁较多从所引起的永磁利用率低等问题。因此，如何提高永磁利用率在磁通切换电机设计领域成为一个难题。

中国专利号申请号为200910184947.1的文献中公开了一种多齿容错永磁磁通切换电机，该电机的定子齿为裂槽结构使得电机的电枢绕组自感增加，抑制短路电流能力增强，同时电机的定位力矩降低，但是定子上轮辐式放置的永磁磁钢导致了电机定子外圆存在无法避免的漏磁，使得电机的永磁利用率较低。中国专利申请号201020652579.7的文献中公开了一种外转子磁通切换双凸极电机，该电机转子外置，电机定子靠近轴部空间较小，在一定程度上减少了电机漏磁，从而达到提高永磁利用率的有益效果，然而，电机定子上交替切向磁化的永磁磁钢带来了不可避免的轴部漏磁。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的问题，提出了一种高永磁利用率、高转矩密度且弱磁能力强的外转子磁通切换电机，以满足其在保证磁通切换电机本身所具有的转子结构简单并且转矩密度高的情况下提高永磁体利用率。

本发明采用的技术方案是：定子同轴位于转子内部，定子由一个导磁环和N _s 个V型定子凸极组成，Ns=2*m，m为电机相数，Ns个V型定子凸极在导磁环的外壁沿圆周方向均匀分布，V型定子凸极的V型开口朝外，每个V型开口形成一个定子槽，定子槽中是集中式绕组；相邻的两个V型定子凸极之间固定镶嵌分段永磁磁钢，每个分段永磁磁钢都沿定子的径向分为N段磁钢，1<N<4，N为整数，N段磁钢的相邻两段磁钢之间设有导磁桥，每段磁钢都是相同的Halbach阵列结构；每间隔一个V型定子凸极的外端部设有朝向定子槽的靴部，在同一个V型定子凸极的两个靴部之间固定镶嵌有一个靴部永磁磁钢，靴部永磁磁钢沿径向向内充磁；在未设靴部的V型定子凸极的内端设置有圆弧形的内端永磁磁钢，内端永磁磁钢将相邻的两个分段永磁磁钢内端连接在一起，内端永磁磁钢沿径向充磁。

进一步地，每个所述的Halbach阵列结构都由第一辅助永磁磁钢、主励磁永磁磁钢和第二辅助永磁磁钢沿径向从外向内依次连接组成，第一辅助永磁磁钢的充磁方向是沿径向向内，外端为S极，内端为N极，第二辅助永磁磁钢的充磁方向与第一辅助永磁磁钢的充磁方向相反，主励磁永磁磁钢是沿定子切向充磁，相邻两个主励磁永磁磁钢的充磁方向相反。

本发明采用上述技术方案后具有以下有益效果：

1、本发明中相邻V型定子凸极中间所嵌的永磁磁钢采用径向分段设计，且相邻两段永磁磁钢段之间设有导磁桥。通过采用该设计，电机运行过程中的铁芯磁密的变化范围获得了有效拓宽，从而增强了电机的弱磁扩速能力。

2、本发明相邻V型定子凸极中间所嵌的沿定子径向分段的永磁磁钢采用Halbach永磁阵列磁化方式的不等宽磁钢块体径向排布，此外，两端的磁钢块体为径向充磁，通过引导磁路走向，有效降低沿定子径向分段的永磁磁钢两端的漏磁，从而获得提高电机永磁利用率的效果。

3、本发明定子上的沿定子径向分段的永磁磁钢、靴部永磁磁钢以及弧形永磁磁钢通过V型定子凸极、导磁环以及转子形成混联磁路，一方面，混联磁路中的并联式磁路能够增加磁路磁势，提升了电机的转矩输出能力；另一方面，串联式磁路能够提高永磁体的抗退磁能力，增加了电机可靠性运行。

4、本发明靴部永磁磁钢端部采用燕尾型设计，方便固定靴部永磁磁钢，有效增加了电机的机械强度。

5、本发明中沿定子径向分段的永磁磁钢在圆周方向上交替切向充磁，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和功率密度。

6、本发明中电枢绕组采用集中式绕组，绕组的端部小导致了较小的绕组相电阻，从而有效降低了电机的铜耗。

附图说明

图1是本发明的径向结构示意图；

图2是图1中的转子结构图；

图3是图1中的定子结构图；

图4是图3中局部结构和局部尺寸标注放大图；

图5是图3中单个分段永磁磁钢的局部尺寸标注放大图；

图6是图3中单个V型定子凸极和靴部的结构及其局部尺寸标注放大图；

图7是图6中靴部的局部尺寸标注放大图；

图8是图3中单个V型定子凸极和内端永磁磁钢的结构及其局部尺寸标注放大图；

图9是本发明电机运行磁通示意图；

图中：1.转子；2.定子；3.转轴；4.集中式绕组；

1.1.转子轭；1.2.转子凸极；1.3.转子槽；

2.1.导磁环；2.2.V型定子凸极；2.3.靴部；2.4.分段永磁磁钢；2.5.导磁桥；2.6.靴部永磁磁钢；2.7内端永磁磁钢；

2.4.1.第一辅助永磁磁钢；2.4.2.第二辅助永磁磁钢；2.4.3.主励磁永磁磁钢。

具体实施方式

参见图1，本发明包括转子1、定子2、转轴3以及集中式绕组4。定子2同轴位于转子1内部，定子2的中心用于安放转轴3。转子1内壁与定子2外壁之间具有气隙，气隙的厚度与电机的功率等级、所选取的永磁材料以及转子1、定子2加工和装配工艺有关，转子1与定子2都是由0.35mm厚度的硅钢片叠压而成，叠压系数为0.95。

参见图2，转子1在结构上属于凸极结构，转子1上既无永磁体也无绕组。转子1由转子轭1.1、N _r 个转子凸极1.2和转子槽1.3组成，N _r 个转子凸极1.2沿圆周方向均匀分布在转子轭1.1的内壁上。为了避开单边磁拉力给电机性能带来的影响，N _r 取值应为偶数。相邻两个转子凸极1.2之间形成转子槽1.3，相邻两个转子凸极1.2之间的极距所占弧度为β _r ，极距所占弧度β _r 与转子凸极1.2的数量N _r 满足β _r =2π/N _r 。转子凸极1.2的极弧所占弧度为β _ra ，满足β _ra =k _r *β _r ，其中k _r 为转子凸极1.2的极弧系数。转子凸极1.2的半径为R _ry ，转子槽1.3的槽顶部的槽宽所占弧度为β _ry ，槽宽所占弧度β _ry 与极弧所占弧度β _ra 、极距所占弧度β _r 的关系满足β _ry +β _ra =β _r 。转子1的外壁半径为R _ro ，内壁半径为R _ri ，R _ro 和R _ri 的值与电机功率大小有关。

参见图3，定子2由一个导磁环2.1和N _s 个V型定子凸极2.2组成，最中间是导磁环2.1，导磁环2.1环套于转轴3外部。Ns个V型定子凸极2.2在导磁环2.1的外壁沿圆周方向均匀分布。V型定子凸极2.2的V型开口朝外，每个V型开口形成一个定子槽，定子槽中是集中式绕组4。

V型定子凸极2.2数量Ns满足Ns=2*m，m为电机相数。同时，V型定子凸极2.2数量Ns与转子凸极1.2数量应满足Nr=k ₁*Ns+k ₃，其中k ₁与k ₂为正整数。相邻的两个V型定子凸极2.2之间固定镶嵌有分段永磁磁钢2.4，分段永磁磁钢2.4的两侧壁与V型定子凸极2.2紧密贴合。分段永磁磁钢2.4的外径等于V型定子凸极2.2的外径。

每个分段永磁磁钢2.4都沿定子的径向分为N段磁钢，1<N<4，N为整数，相邻两段磁钢之间设有导磁桥2.5，通过导磁桥2.5连接两段。每段磁钢都采用相同的Halbach阵列结构设计，也就是相邻两Halbach阵列结构之间通过导磁桥2.5连接。每个Halbach阵列结构都由第一辅助永磁磁钢2.4.1、主励磁永磁磁钢2.4.3和第二辅助永磁磁钢2.4.2沿直径方向从外向内依次连接组成。第一辅助永磁磁钢2.4.1和第二辅助永磁磁钢2.4.2径向厚度相同，主励磁永磁磁钢2.4.3的径向厚度大于第一辅助永磁磁钢2.4.1和第二辅助永磁磁钢2.4.2径向厚度，所用的磁钢量较多，但三种磁钢的切向宽度相同，也就是两侧宽度相同。第一辅助永磁磁钢2.4.1的充磁方向是沿径向向内，外端为S极，内端为N极。第二辅助永磁磁钢2.4.2的充磁方向与第一辅助永磁磁钢2.4.1的充磁方向相反，是沿径向向外，内端为S极，外端为N极；而主励磁永磁磁钢2.4.3是沿定子切向充磁，相邻主励磁永磁磁钢2.4.3的充磁方向相反。

在V型定子凸极2.2的外端部，沿圆周方向每间隔一个V型定子凸极2.2的外端部就设有朝向定子槽的靴部2.3，即相邻两个V型定子凸极2.2的外端有且只有一个靴部2.3。在一个V型定子凸极2.2的两个靴部2.3之间固定镶嵌有靴部永磁磁钢2.6，靴部永磁磁钢2.6沿定子径向充磁，充磁方向沿径向向内。靴部2.3采用燕尾型设计。同一个V型定子凸极2.2的两个靴部2.3不接触，之间留有间隙，在间隙处嵌圆弧形的靴部永磁磁钢2.6。靴部永磁磁钢2.6的外径等于V型定子凸极2.2的外径，靴部永磁磁钢2.6在定子槽的外端部。

在未设靴部2.3的V型定子凸极2.2的内端，位与导磁环2.1的中间处设置有圆弧形的内端永磁磁钢2.7，内端永磁磁钢2.7连接于相邻的两个分段永磁磁钢2.4的内端，将相邻的两个分段永磁磁钢2.4连接在一起。内端永磁磁钢2.7沿定子径向充磁，充磁方向沿径向向外。内端永磁磁钢2.7的内径等于分段永磁磁钢2.4的内径，也就是等于第二辅助永磁磁钢2.4.2，但内端永磁磁钢2.7的外径小于第二辅助永磁磁钢2.4.2的外径。

当在电机控制过程中，注入负直轴电流（-Id）时，相较于磁钢的非分段设计电机，本发明具有较宽的可漏磁区域，即电机具有较强的弱磁能力与调速范围。为了保证电机弱磁能力的同时减少电机空载漏磁，提高电机效率与转矩输出能力，参见图4和图5，沿定子径向分段的分段永磁磁钢2.4所分段数N应当满足约束条件：1<N<4。为了最大化V型定子凸极2.2能够通过的磁力线的同时扩大电机集中式绕组4空间使得电机获得最大输出转矩，分段永磁磁钢2.4所占的弧度β _spm 和V型定子凸极2.2的凸极部分所占的弧度β _st 需满足约束条件：0.95≤β _spm /β _st ≤1.05。为了提高电机弱磁能力的同时不增加相邻磁钢段之间漏磁降低电机永磁利用率，导磁桥2.5的径向厚度h _mb 与导磁桥2.5至分段永磁磁钢2.4外端部的径向厚度h _spm 需要满足约束条件：3.95≤h _spm /h _mb ≤4.15。为了保证电机径向磁势以确定最大转矩输出能力的同时规范磁路以降低端部永磁磁钢自漏磁，第一辅助永磁磁钢2.4.1的径向厚度h _pm1，主励磁永磁磁钢2.4.3的径向厚度h _pm2，第二辅助永磁磁钢2.4.2的径向厚度hpm3应当满足约束条件：h _pm1=h _pm3，5.6≤h _pm2/h _pm1≤5.8。

参见图6和图7，为了减少靴部永磁磁钢2.6漏磁的同时增大定子2与转子1接触面积以减小分段永磁磁钢2.4端部漏磁，进而提高电机永磁利用率，靴部2.3所占的最小弧度β _sv1和靴部2.3所占最大弧度β _sv2需满足约束条件：1.8≤β _sv1/β _sv2≤2.3。为了保证靴部永磁磁钢2.6易于固定以提高电机的运行稳定性与可靠性对的同时，减少靴部永磁磁钢2.6两端漏磁以保证电机永磁利用率，靴部永磁磁钢2.6的靠近气隙处的内壁所占弧度β _ss1，靴部永磁磁钢2.6中间处所占最小弧度β _ss2与外壁部所占弧度β _ss3应当满足约束条件：0.85≤β _ss2/β _ss3≤0.95；0.8≤β _ss2/β _ss1≤0.9。

参见图8，在未设有靴部2.3的V型定子凸极2.2内端的导磁环2.1中间处放置有内端永磁磁钢2.7，为了减少定子径向分段永磁磁钢2.4的端部漏磁，避免导磁环2.1出现磁饱和现象的同时提高永磁磁钢抗退磁能力，内端永磁磁钢2.7在径向上的厚度与导磁环2.1的径向厚度应当满足约束条件：0.47≤h _sypm /h _mc ≤0.55。

参见图9，本发明工作时，在电机运行过程中，获得的磁路a，磁路b，磁路c和磁路d这4条磁路并联运行。其中，常规的磁路a的磁通路径如下:从主励磁永磁磁钢2.4.3出发，依次经过V型定子凸极2.2、转子1、靴部永磁磁钢2.6、靴部2.3、V型定子凸极2.2回到主励磁永磁磁钢2.4.3，由此形成一个完整的磁路。相似的，常规的磁路b从靴部永磁磁钢2.6出发，依次经过靴部2.3、V型定子凸极2.2、导磁环2.1、弧形永磁磁钢2.7，V型定子凸极2.2、转子1回到靴部永磁磁钢2.6。由于向内充磁的第一辅助永磁磁钢2.4.1以及向外充磁的第二辅助永磁磁钢2.4.2的存在，电机中的磁通存在与其他电机不同的磁路，分别为磁路c与磁路d。磁路c从主励磁永磁磁钢2.4.3出发，依次经过V型定子凸极2.2、转子1，第二辅助永磁磁钢2.4.2回到主励磁永磁磁钢2.4.3；磁路d从主励磁永磁磁钢2.4.3出发，依次经过V型定子凸极2.2、转子1、靴部永磁磁钢2.6、靴部2.3、V型定子凸极2.2、导磁环2.1、第一辅助永磁磁钢2.4.1回到主励磁永磁磁钢2.4.3。在上述的每一条磁路中，均有两组永磁体串联，这样的永磁体组摆放形式可以类比如电路中串联的电压源，能够同时为磁路提供磁势，以提高电机的转矩输出能力同时提高永磁体的抗退磁能力。四个磁路之间相互并联，在提高电机硅钢片利用率的同时能够提高电机转矩输出能力。同时，由于磁路c与磁路d的存在，使得沿定子径向分段的分段永磁磁钢2.4端部漏磁大大减少，从而提高电机的永磁利用率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种永磁利用率高的外转子磁通切换电机，定子（2）同轴位于转子（1）内部，其特征是：定子（2）由一个导磁环（2.1）和N _s 个V型定子凸极（2.2）组成，Ns=2*m，m为电机相数，Ns个V型定子凸极（2.2）在导磁环（2.1）的外壁沿圆周方向均匀分布，V型定子凸极（2.2）的V型开口朝外，每个V型开口形成一个定子槽，定子槽中是集中式绕组（4）；相邻的两个V型定子凸极（2.2）之间固定镶嵌分段永磁磁钢（2.4），每个分段永磁磁钢（2.4）都沿定子的径向分为N段磁钢，1<N<4，N为整数，N段磁钢的相邻两段磁钢之间设有导磁桥（2.5），每段磁钢都是相同的Halbach阵列结构；每间隔一个V型定子凸极（2.2）的外端部设有朝向定子槽的靴部（2.3），在同一个V型定子凸极（2.2）的两个靴部（2.3）之间固定镶嵌有一个靴部永磁磁钢（2.6），靴部永磁磁钢（2.6）沿径向向内充磁；在未设靴部（2.3）的V型定子凸极（2.2）的内端设置有圆弧形的内端永磁磁钢（2.7），内端永磁磁钢（2.7）将相邻的两个分段永磁磁钢（2.4）内端连接在一起，内端永磁磁钢（2.7）沿径向充磁。

2.根据权利要求1所述的一种永磁利用率高的外转子磁通切换电机，其特征是：每个所述的Halbach阵列结构都由第一辅助永磁磁钢（2.4.1）、主励磁永磁磁钢（2.4.3）和第二辅助永磁磁钢（2.4.2）沿径向从外向内依次连接组成，第一辅助永磁磁钢（2.4.1）的充磁方向是沿径向向内，外端为S极，内端为N极，第二辅助永磁磁钢（2.4.2）的充磁方向与第一辅助永磁磁钢（2.4.1）的充磁方向相反，主励磁永磁磁钢（2.4.3）是沿定子切向充磁，相邻两个主励磁永磁磁钢（2.4.3）的充磁方向相反。

3.根据权利要求2所述的一种永磁利用率高的外转子磁通切换电机，其特征是：第一辅助永磁磁钢（2.4.1）和第二辅助永磁磁钢（2.4.2）的径向厚度相同，主励磁永磁磁钢（2.4.3）的径向厚度大于第一辅助永磁磁钢（2.4.1）和第二辅助永磁磁钢（2.4.2）径向厚度，第一辅助永磁磁钢（2.4.1）、第二辅助永磁磁钢（2.4.2）和主励磁永磁磁钢（2.4.3）的三种磁钢的切向宽度相同。

4.根据权利要求2所述的一种永磁利用率高的外转子磁通切换电机，其特征是：靴部永磁磁钢（2.6）的外径等于V型定子凸极（2.2）的外径，内端永磁磁钢（2.7）的内径等于分段永磁磁钢（2.4）的内径，内端永磁磁钢（2.7）的外径小于第二辅助永磁磁钢（2.4.2）的外径。

5.根据权利要求1所述的一种永磁利用率高的外转子磁通切换电机，其特征是：分段永磁磁钢（2.4）所占的弧度β _spm 和V型定子凸极（2.2）的凸极部分所占的弧度β _st 需满足约束条件：0.95≤β _spm /β _st ≤1.05。

6.根据权利要求2所述的一种永磁利用率高的外转子磁通切换电机，其特征是：第一辅助永磁磁钢（2.4.1）的径向厚度h _pm1、主励磁永磁磁钢（2.4.3）的径向厚度h _pm2、第二辅助永磁磁钢（2.4.2）的径向厚度h _pm3应当满足约束条件：h _pm1=h _pm3，5.6≤h _pm2/h _pm1≤5.8。

7.根据权利要求1所述的一种永磁利用率高的外转子磁通切换电机，其特征是：导磁桥（2.5）的径向厚度h _mb 与导磁桥（2.5）至分段永磁磁钢（2.4）外端部的径向厚度h _spm 需要满足约束条件：3.95≤h _spm /h _mb ≤4.15。

8.根据权利要求1所述的一种永磁利用率高的外转子磁通切换电机，其特征是：内端永磁磁钢（2.7）在径向上的厚度与导磁环（2.1）的径向厚度应当满足约束条件：0.47≤h _sypm /h _mc ≤0.55。

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