CN109698595A - 一种轮毂式外转子三相永磁磁化开关磁阻电机 - Google Patents

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陈东豪
毛先柏
黄运生
罗桂娥
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Abstract

本发明专利公开了一种轮毂式外转子三相永磁开关磁阻电机，包括轮毂式外壳，定子和转子。定子结构包括：定子轴、定子磁轭、定子磁极、定子铁芯以及定子磁极绕组，定子轴用于固定定子铁芯，定子铁芯四周均匀分布有定子磁轭和定子磁极；转子包括：转子磁轭、永磁体和转子磁极，永磁体均匀分布在转子磁轭中间，相邻永磁体近端的极性相同。本发明运行时，有2/3的转子磁极和定子磁极工作，功率密度大，结构简单，维修保养方便。

Description

一种轮毂式外转子三相永磁磁化开关磁阻电机
技术领域
本发明属于电机制造应用技术领域，具体是一种用于驱动电动单车或者电动汽车的轮毂式外转子三相永磁开关磁阻电机。
背景技术
目前小型的电动摩托和电动单车实用越来越广，在出行方式上基本上代替了自行车。由于电动摩托和电动单车需要电机具有体积小，重量轻，调速灵活等特点。所以采用轮毂式外转子永磁磁化开关磁阻电机的优势在于：轮毂式外转子三相永磁开关磁阻电机比普通开关磁阻电机的功率密度更高，所以在相同的输出功率的要求下，轮毂式外转子三相永磁开关磁阻电机能做到体积更小，输出转矩更大；由电动摩托和电动单车对于电机的噪声要求比较低，转速比较慢。因此永磁开关磁阻电机的噪声相对大的缺点成为了次要因素；轮毂式外转子三相永磁磁化开关磁阻电机的调速更加平缓，速度响应更加快。
轮毂式三相永磁开关磁阻电机采用外转子形式比较于内转子的形式可以省去车辆大量的传动部件，优化整车结构，从而降低电动车的设计工艺，减小电动车的体积和降低复杂性。轮毂式三相永磁开关磁阻电机采用外转子的形式，相对于内转子开关磁阻电机，同等尺寸和输出功率下，外转子输出转矩更大。
发明内容
本发明的目的是提供一种轮毂式外转子三相永磁开关磁阻电机，本发明充分利用开关磁阻电机的结构特点，达到小体积、高功率密度、结构简单、调速方便的优良特性。
本发明包括轮毂式外壳，定子和转子，轮毂式外壳为非导磁材料，紧密固定在电机外转子铁芯外表面，轮毂外壳侧面端盖通过轴承与定子轴连接，所述定子结构包括：用于与外部机械连接的空心圆柱形的定子轴、定子磁轭、定子磁极、定子铁芯以及定子磁极绕组，定子轴用于固定定子铁芯，定子磁极绕组的进线端穿过定子轴，定子磁极绕组为对称星型连接，定子铁芯四周均匀分布有定子磁轭和定子磁极；所述转子结构包括：转子磁轭、厚度充磁的永磁体和转子磁极，转子磁轭和转子磁极组成转子铁芯，永磁体均匀分布在转子磁轭中间，相邻永磁体近端的极性相同，使得转子磁极沿圆周依次N，S交叉分布；定子绕组电流方向和通断由三相H桥IGBT模块控制，改变电流换相规律，实现电机的正转、反转运行。
定子相同相磁极绕组由两组或多组绕组并联，定子三相绕组星形连接，根据电流换相规律，三相绕组的其中两相同时供电。任何工作瞬间，工作的转子磁极受到电磁拉力和推力两个作用力的驱动。
在定子铁芯圆心位置固定一根空心定子轴与外部机械结构连接，同时在定子轴上安装轴承，轴承表面固定在轮毂两侧外壳圆心位置。
轮毂套在非导磁衬套上，再由隔磁衬套紧密套在外转子铁芯上，或者直接采用非导磁轮毂直接紧密固定在外转子铁芯上。
本发明具有的有益之处在于：
1、转子磁极中内嵌有厚度方向充磁的永磁体，每个转子磁极都被两个永磁体磁化，增大电机的功率密度和输出转矩，同时缩小电机体积。
2、定子磁极绕组的特殊排列方式使得除了定转子磁极相对齐的地方外，其余各相绕组都在工作。使得电机的利用率提高，同时简化电机的驱动方式。
3、本发明采用外转子的形式，简化电机在电动车方面应用时的传动机构。另外，本发明专利电机结构简单，易于保养和修理。
4、本发明采用相同相绕组并联的方式，可采用低压大电流的方式驱动电机，契合了电动车电压等级低的特点。在同等电压的情况下，绕组上可以流过更大的电流，使得电机有更大的输出功率。
附图说明
图1是本发明轮毂式外转子三相永磁磁化开关磁阻电机横截面结构示意图；
图2是图1的定子磁极绕组结构示意图；
图3是相绕组连接示意图；
图4是三相绕组的功率部分的供电示意图；
图5是定子A相绕组与转子N极磁极对齐时电机顺时针方向旋转时通电方向示意图；
图6是定子C相绕组和转子S极磁极对齐时电机顺时针方向旋转时通电方向示意图；
图7是定子B相绕组和转子N极磁极对齐时电机顺时针方向旋转时通电方向示意图；
图8是定子A相绕组和转子S极磁极对齐时电机顺时针方向旋转时通电方向示意图；
图9是定子C相绕组和转子N极磁极对齐时电机顺时针方向旋转时通电方向示意图；
图10是定子B相绕组和转子S极磁极对齐时电机顺时针方向旋转时通电方向示意图。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
具体实施方式
如图1所示，轮毂式外转子三相永磁磁化开关磁阻电机，其中包括轮毂5紧密固定套在转子铁心4上，轮毂5使用不导磁材料制成。转子磁轭3中嵌入厚度方向充磁的永磁体2，永磁体磁化相邻的两个转子磁极1。永磁体具体安装方式是：相邻永磁体同极靠近，沿转子圆周方向嵌入转子磁轭中。这种放置方式使转子磁极同时被相邻两个永磁体的同极性端磁化。转子磁极极性N、S交叉分布。如图2、图3所示，同相磁极绕组线圈绕制方向相同、匝数相同、线径相同。各磁极绕组的同名端用“*”表示，并命名同名端为首端，首端分别用“a”,“b”,“c”表示。异名端为末端，末端分别用“x”,“y”,“z”表示。
转子部分在轮毂两侧安装端盖，端盖通过轴承与定子轴相连接，固定定转子。在本实施例6/4极电机中，转子磁极1的弧度为32°，定子磁极7的弧度数为30°。
如图3所示，同相磁极绕组首端与首端相连，末端与末端相连，以并联的方式构成相绕组，三相绕组星型连接。如图4所示，三相绕组通过三相H桥IGBT模块驱动，并且相绕组首端A，B，C与IGBT模块输出端U，V，W连接。
定转子磁极位置决定三相绕组A，B，C换相电流方向。位置检测用位置传感器实现。三相绕组电流换相原则为：电机任意一相定转子磁极对齐后，开始电流换相。具体电流换相规律如表1所示，设电机起始位置为图5所示，电机定子A相绕组与转子N极对齐，其中A1与N1对齐，A2与B2对齐。设正向电流为电流从同名端流进。反向电流为电流从异名端流进。下面按照图5至图10的示意图进一步说明三相绕组换相时轮毂式外转子三相永磁开关磁阻电机工作过程：
(一)如图5所示，电机定子绕组A相和转子N极磁极中心线重合。其中定子磁极A1与转子磁极N1对齐，定子磁极A2与转子磁极N2对齐。由图4所示，T2、T6同时导通，其余四管截止。定子磁极绕组B1、B2通正向电流，由图5所示，根据右手螺旋定则，B1、B2产生S极性，对相邻的转子磁极S极产生排斥力，推动转子顺时针旋转。定子磁极绕组C1、C2通反向电流，根据右手螺旋定则，C1、C2产生N极性，对相邻转子磁极S产生吸引力，推动转子顺时针旋转。因此在定子磁极B与定子磁极C的电磁力共同作用下产生的电磁转矩拖动转子顺时针旋转。
(二)如图6所示，电机定子绕组C相和转子S极磁极的中心线重合。其中定子磁极C1与转子磁极S1对齐，定子磁极C2与转子磁极S2对齐。由图4所示，T2、T4同时导通，其余四管截止，定子磁极绕组B1、B2通正向电流。由图6所示，根据右手螺旋定则，B1、B2产生S极性，对相邻的转子磁极N极产生吸引力，推动转子顺时针旋转。定子磁极绕组A1、A2通反向电流，根据右手螺旋定则，A1、A2产生N极性，对相邻转子磁极N极产生排斥力，推动转子顺时针旋转。因此在定子磁极A与定子磁极B的电磁力共同作用下产生的电磁转矩拖动转子顺时针旋转。
(三)如图7所示，电机定子绕组B相和转子N极磁极的中心线重合。其中定子磁极B1与转子磁极N1对齐，定子磁极B2与转子磁极N2对齐。由图4所示，T3、T4同时导通，其余四管截止。定子磁极绕组C1、C2通正向电流，由图7所示，根据右手螺旋定则，C1、C2产生S极性，对相邻的转子磁极S极产生排斥力，推动转子顺时针旋转。定子磁极绕组A1、A2通反向电流，根据右手螺旋定则，A1、A2产生N极性，对相邻转子磁极S产生吸引力，推动转子顺时针旋转。因此在定子磁极C与定子磁极A的电磁力共同作用下产生的电磁转矩拖动转子顺时针旋转。
(四)如图8所示，电机定子绕组A相和转子S极磁极的中心线重合。其中定子磁极A1与转子磁极S2对齐，定子磁极A2与转子磁极S1对齐。由图4所示，T3、T5同时导通，其余四管截止。定子磁极绕组C1、C2通正向电流，由图8所示，根据右手螺旋定则，C1、C2产生S极性，对相邻的转子磁极N极产生吸引力，推动转子顺时针旋转。定子磁极绕组B1、B2通反向电流，根据右手螺旋定则，B1、B2产生N极性，对相邻转子磁极N产生排斥力，推动转子顺时针旋转。因此在定子磁极B与定子磁极C的电磁力共同作用下产生的电磁转矩拖动转子顺时针旋转。
(五)如图9所示，电机定子绕组C相和转子N极磁极的中心线重合。其中定子磁极C1与转子磁极N1对齐，定子磁极C2与转子磁极N2对齐。由图4所示，T1、T5同时导通，其余四管截止。定子磁极绕组A1、A2通正向电流，由图9所示，根据右手螺旋定则，A1、A2产生S极性，对相邻的转子磁极S极产生排斥力，推动转子顺时针旋转。定子磁极绕组B1、B2通反向电流，根据右手螺旋定则，B1、B2产生N极性，对相邻转子磁极S产生吸引力，推动转子顺时针旋转。因此在定子磁极B与定子磁极A的电磁力共同作用下产生的电磁转矩拖动转子顺时针旋转。
(六)如图10所示，电机定子绕组B相和转子S极磁极的中心线重合。其中定子磁极B1与转子磁极S2对齐，定子磁极B2与转子磁极S1对齐。由图4所示，T1、T6同时导通，其余四管截止。定子磁极绕组A1、A2通正向电流，由图10所示，根据右手螺旋定则，A1、A2产生S极性，对相邻的转子磁极N极产生吸引力，推动转子顺时针旋转。定子磁极绕组C1、C2通反向电流，根据右手螺旋定则，C1、C2产生N极性，对相邻转子磁极N产生排斥力，推动转子顺时针旋转。因此在定子磁极A与定子磁极C的电磁力共同作用下产生的电磁转矩拖动转子顺时针旋转。
(七)电机顺时针方向后续换相步骤是第1～6步依次循环重复换相。实现电机连续顺时针方向旋转，带动负载，把电能转换为机械能。
电机的逆时针方向旋转和顺时针方向旋转电流换相规律详见换相表1电机顺时针和逆时针电流换相表。
表1电机顺时针和逆时针电流换相表

Claims (3)

1.一种轮毂式外转子三相永磁开关磁阻电机，其特征在于：包括轮毂式外壳(5)，定子和转子，轮毂式外壳(5)为非导磁材料，紧密固定在电机外转子铁芯外表面，轮毂外壳侧面端盖通过轴承与定子轴连接，所述定子结构包括：用于与外部机械连接的空心圆柱形的定子轴(8)、定子磁轭(9)、定子磁极(7)、定子铁芯(10)以及定子磁极绕组(6)，定子轴(8)用于固定定子铁芯(10)，定子磁极绕组(6)的进线端穿过定子轴(8)，定子磁极绕组为对称星型连接，定子铁芯(10)四周均匀分布有定子磁轭(9)和定子磁极(7)；所述转子结构包括：转子磁轭(3)、厚度充磁的永磁体(2)和转子磁极(1)，转子磁轭(3)和转子磁极(1)组成转子铁芯(4)，永磁体(2)均匀分布在转子磁轭(3)中间，相邻永磁体近端的极性相同，使得转子磁极(1)沿圆周依次N，S交叉分布；定子绕组(6)电流方向和通断由三相H桥IGBT模块控制，改变电流换相规律，实现电机的正转、反转运行。
2.根据权力要求1所述的一种轮毂式外转子三相永磁开关磁阻电机，其特征在于：三相永磁开关磁阻电机是6/4极三相电机，或者是12/8极三相电机，或者是18/12极三相电机。
3.根据权力要求1所述的一种轮毂式外转子三相永磁开关磁阻电机，其特征在于：定子相同相磁极绕组由两组或多组绕组并联。
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