CN109742873A - 一种电动汽车用分块双定子开关磁阻电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电动汽车用分块双定子开关磁阻电机，N _s 个内分块定子沿非导磁内定子套环外壁的圆周方向均匀布置，N _s 个内分块定子外有间隙同轴心套有N _r 个内侧分块转子，非导磁转子套环外壁上沿圆周方向均匀布置N _r 个外侧分块转子，N _r 个外侧分块转子外有间隙同轴心套有N _s 个外分块定子，每个外分块定子径向截面都是M型，外定子轭部的两端向内延伸两个外定子辅助齿、中间向内延伸一个外定子分叉激励齿，外定子分叉激励齿上绕有外绕组，外定子分叉激励齿的内端沿径向向内延伸出两个外定子分叉齿，内分块定子和外分块定子的拓扑结构相同，内外定子产生的闭合磁路相互独立不受干扰，位于中间的激励齿设置成分叉结构，解决了齿间局部磁密过大的问题。

Description

一种电动汽车用分块双定子开关磁阻电机

技术领域

本发明属于电机制造应用技术领域，具体是一种开关磁阻电机，适用于需要频繁启停的电动汽车。

背景技术

开关磁阻电机以其结构简单、鲁棒性好、启动转矩大、启动电流小、效率较高等诸多优点而电动汽车中得到应用。然而传统的开关磁阻电机因其呈双凸极的定转子结构而存在着转矩脉动和振动噪声相对较大的固有问题，且相比较于永磁同步电机，其转矩密度也较低。这些缺点制约着传统开关磁阻电机在电动汽车领域的推广。

针对这一问题提出了双定子结构的开关磁阻电机，如中国专利公开号为CN106329860A的文献中提出了一种无外壳双定子开关磁阻电机，利用外定子将电机做成无壳化，其主要解决了传统带机座的开关磁阻电机外壳因定子振动而噪声大的问题，但实际上，由于该电机采用的仍是传统的双凸极定转子结构，所以定子振动的问题并没有得到根本的解决，且由于内外定子与转子产生的闭合回路在转子中重叠在一起，使得磁链过饱和，甚至内外定子的磁回路会产生相互干扰从而使得电机的实际运行效率大大降低，也不利于后期磁链、转矩的计算而增加控制难度。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有双定子结构的开关磁阻电机存在的问题，提出一种能改善双定子开关磁阻电机的定转子振动、提高电机磁回路的利用率、提升电机转矩和效率的电动汽车用分块双定子开关磁阻电机。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：本发明最中间是转轴，转轴外同轴心套有内定子支撑件，内定子支撑件外同轴心紧密套有非导磁内定子套环，N _s 个内分块定子沿非导磁内定子套环外壁的圆周方向均匀布置，N _s 个内分块定子外有间隙同轴心套有N _r 个内侧分块转子，N _r 个内侧分块转子沿圆周方向均匀布置在一个非导磁转子套环的内壁上，非导磁转子套环的外壁上沿圆周方向均匀布置N _r 个外侧分块转子，N _r 个外侧分块转子外有间隙同轴心套有N _s 个外分块定子，N _s 个外分块定子1沿圆周方向均匀布置在一非导磁外定子套环的内壁上；每个外分块定子的径向截面都是M型，包括圆弧型的外定子轭部，外定子轭部的两端向内延伸两个相同的外定子辅助齿、中间向内延伸一个外定子分叉激励齿，外定子分叉激励齿上绕有外绕组，外定子分叉激励齿的内端沿径向向内延伸出两个外定子分叉齿，两个外定子分叉齿呈开口朝向内端的V型布置；内分块定子和外分块定子的拓扑结构相同，两者采用对面的方式布置，内分块定子的内定子分叉激励齿上绕有内绕组。

进一步地，N _s 个外分块定子、N _s 个内分块定子、N _r 个外侧分块转子、N _r 个内侧分块转子的个数满足式，LCM为取最小公倍数，m为电机相数。

进一步地，外侧分块转子和内侧分块转子的拓扑结构相同，均由转子扇形块是转子矩形嵌块组成，两者采用背靠背方式布置。

本发明的有益之处在于：

1、本发明利用分块的定转子结构，使内外定子产生的闭合磁路相互独立不受干扰，非导磁转子套环接受来自内外侧分块转子传递来的转矩，叠加后通过转轴输出，大大提高了输出转矩。相比于传统双定子结构，也减少了转子上的磁链过饱和，提高了电磁利用率，改善电机效率。

2、本发明内外定子采用M型的分块结构，并将位于中间的激励齿设置成分叉结构，两侧为辅助齿，解决了齿间局部磁密过大的问题。梯形分块转子每两个与一个分块定子形成两个闭合短磁路，使得外定子与外侧分块转子形成闭合磁路，内定子与内侧分块转子形成闭合磁路，使得磁回路更加的合理，缩短了励磁回路，提升了电机磁回路利用效率，减小了磁漏和损耗。相比于传统双凸极的结构，本发明所述电机在最大电感位置处减小了齿间的局部位置饱和现象，在相同的励磁条件下提高了最大电感值，进而提升了电机输出转矩。

3、本发明利用非导磁的外定子套环作为外壳而不需要传统电机在定子外另加一个壳体结构，这就消除了因定子振动而在外壳上产生的噪声。如果所选用的非导磁材料具有较好的韧性，从而可以吸收分块定子传来的振动，则电机噪声将进一步减小。

4、分块定转子之间气隙的存在可以起到隔离的作用，有效地实现了磁路、电路、温度之间的隔离，也为电机的冷却散热提供了空间。且分块结构的固有特性也使得当电机某一分块发生故障时，便于拆卸更换。

附图说明

图1是本发明一种电动汽车用分块双定子开关磁阻电机结构的径向截面示意图；

图2是图1中单个外分块定子和两个外侧分块转子布置结构放大示意图；

图3是图1中两个外分块定子和单个内分块定子布置结构放大示意图；

图4图1中外侧分块转子和内侧分块转子布置结构放大示意图；

图5是本发明中所述电机处于最大电感位置时外侧定转子构成的励磁回路示意图；

图6是本发明中所述电机处于最大电感位置时内侧定转子构成的励磁回路示意图；

图7是本发明中所述电机其中一相剖面放大结构中绕组串联方式及处于最大电感位置时的励磁回路示意图。

图中标号及名称为：1、外分块定子；1-1、外定子分叉激励齿；1-1-1、外定子分叉齿；1-2、外定子辅助齿；1-3、外定子轭部；1-4、外定子梯形嵌块；2、非导磁外定子套环；3、外侧分块转子；3-1：转子扇形块；3-2、转子矩形嵌块；

4、非导磁转子套环；5、内侧分块转子；6、内分块定子；6-1、内定子分叉激励齿；6-1-1、内定子分叉齿；6-2、内定子辅助齿；6-3、内定子轭部；6-4、内定子梯形嵌块；7、非导磁内定子套环；8、外绕组；9、内绕组；10、内定子支撑件；11、转轴。

具体实施方式

参见图1，本发明包括N _s 个外分块定子1、N _s 个内分块定子6、N _r 个外侧分块转子3、N _r 个内侧分块转子5、1个内定子支撑件10和1个转轴11。N _s 个外分块定子1、N _s 个内分块定子6、N _r 个外侧分块转子3和N _r 个内侧分块转子5均由硅钢片叠压而成。

本发明最中间是转轴11，转轴11外同轴心地套有内定子支撑件10，转轴11和内定子支撑件10具有相同的轴心线并且之间不接触有间隙。在内定子支撑件10外同轴心地紧密套有非导磁内定子套环7，非导磁内定子套环7内壁紧密贴合在内定子支撑件10外壁上，非导磁内定子套环7通过内定子支撑件10与电机壳体固定连接。N _s 个内分块定子6沿非导磁内定子套环7外壁的圆周方向均匀布置，一个非导磁内定子套环7和N _s 个分块内定子6固定连接成一个整体，形成内定子部件。

在N _s 个内分块定子6外有间隙同轴心地套有N _r 个内侧分块转子5，N _r 个内侧分块转子5沿圆周方向均匀布置在一个非导磁转子套环4的内壁上。非导磁转子套环4的外壁上沿圆周方向均匀布置N _r 个外侧分块转子3。N _r 个内侧分块转子5、N _r 个外侧分块转子3和非导磁转子套环4固定连接成一个整体，形成中间转子部件。内分块定子6和内侧分块转子5之间的间隙是径向内气隙。非导磁转子套环4的轴向两端固定连接在转轴11上，与转轴11同步转动。

在N _r 个外侧分块转子3外有间隙同轴心地套有N _s 个外分块定子1，N _s 个外分块定子1沿圆周方向均匀布置在一个非导磁外定子套环2的内壁上，N _s 个外分块定子1和非导磁外定子套环2固定连接成一个整体，形成外定子部件。外分块定子1和外侧分块转子3之间的间隙是径向外气隙。外分块定子1通过非导磁外定子套环2与电机壳体固定连接，保证安装的稳定性和紧固性。

本发明中非导磁外定子套环2、非导磁转子套环4以及非导磁内定子套环7加工材料为非导磁材料。

参见图2，每个外分块定子1的径向截面都是M型结构，包括圆弧型的外定子轭部1-3，外定子轭部1-3同轴心地套在非导磁外定子套环2的内侧，并且外定子轭部1-3的外壁与非导磁外定子套环2的内壁紧密贴合在一起。在外定子轭部1-3外壁的中间沿径向向外延伸一个外定子梯形嵌块1-4，该外定子梯形嵌块1-4伸在非导磁外定子套环2中并镶嵌在非导磁外定子套环2上所设的对应的梯形槽中，用于将外分块定子1固定连接在非导磁外定子套环2上。

外定子轭部1-3的两端向内延伸两个相同的外定子辅助齿1-2，中间向内延伸一个外定子分叉激励齿1-1，外定子分叉激励齿1-1位于两个外定子辅助齿1-2的正中间，两个相同的外定子辅助齿1-2分别位于外定子分叉激励齿1-1的两侧。在外定子分叉激励齿1-1上绕有外绕组8，参见图1。

外定子分叉激励齿1-1的内端沿径向向内延伸出两个外定子分叉齿1-1-1，两个外定子分叉齿1-1-1呈V型布置，V型开口朝向内端。外定子分叉激励齿1-1的个数是N _s 个，外定子分叉齿1-1-1的个数是2N _s 个，外定子辅助齿1-2的个数是2N _s 个。

每个外定子分叉齿1-1-1的齿宽度与外定子辅助齿1-2的齿宽相等，用字母a表示。外定子分叉激励齿1-1的齿宽为2a，是外定子分叉齿1-1-1、外定子辅助齿1-2的齿宽的两倍，外定子定子轭部1-3的径向厚度为b，b略大于a。为了保证外绕组8的空间大小，要保证外定子分叉激励齿1-1的径向尺寸足够大，外定子分叉齿1-1-1的径向尺寸应当在不较大影响输出转矩的情况下尽量取较小值。

相邻两个外侧分块转子3外端之间所间隔的圆弧展开弧长是e，同一外分块定子1上的两个外定子分叉齿1-1-1的内端之间所间隔的圆弧展开弧长是c，c应与e尽量相等，以确保在最大电感位置处电感顺利从外定子分叉齿1-1-1流向外侧分块转子3。

参见图3，外分块定子1和内分块定子6的拓扑结构及数目相同，不同的是尺寸大小和布置方向，内分块定子6比外分块定子1小，外分块定子1和内分块定子6在径向上采用面对面的方式布置。内分块定子6的两个内定子分叉齿6-1-1的V型开口朝向外端。在内分块定子6的内定子轭部6-3的内壁的中间沿径向向内延伸内定子梯形嵌块6-4，而内定子轭部6-3的两端向外延伸两个相同的内定子辅助齿6-2和一个内定子分叉激励齿6-1，也就是延伸方向相反，在内定子分叉激励齿6-1绕的是内绕组9，参见图1所示。外分块定子1和内分块定子6沿圆周方向布置时错开360/2N _s 度。内定子辅助齿6-2的齿宽a _i 与外分块定子1的外定子辅助齿1-2的齿宽a比a _i /a等于内分块定子6的外壁半径与外分块定子1的内壁半径之比R _si / R _so 。

参见1和图4，外侧分块转子3和内侧分块转子5的拓扑结构及数目相同，不同的是尺寸大小和布置方向，内侧分块转子5比外侧分块转子3小。外侧分块转子3和内侧分块转子5均由转子扇形块3-1是转子矩形嵌块3-2组成。外侧分块转子3的转子扇形块3-1在转子矩形嵌块3-2外侧，内侧分块转子5的转子扇形块3-1在转子矩形嵌块3-2内侧，在径向上采用背靠背方式布置。

转子矩形嵌块3-2用于嵌入在非导磁转子套环4上所开的对应矩形槽中，使得外侧分块转子3和内侧分块转子5固定在非导磁转子套环4上。外侧分块转子3的扇形块3-1的径向高度h _o 应不小于外定子辅助齿1-2的齿宽a，内侧分块转子5的径向高度h _i应不小于内定子辅助齿6-2的齿宽a _i ，且内侧分块转子5和外侧分块转子3的径向高度比值h _i/h _o 等于内侧分块转子5的内壁半径与外侧分块转子3的外壁半径之比R _ri /R _ro 。

同侧相邻的外侧分块转子3、内侧分块转子5之间的夹角为360/N _r 度，外侧分块转子3和内侧分块转子5之间错开360/2N _r 度，从而使得整个非导磁转子套环4上的分块转子均匀分布。

本发明中，外分块定子1和内分块定子6的拓扑结构及数目相同，外侧分块转子3和内侧分块转子5的拓扑结构及数目相同，N _s 个外分块定子1、N _s 个内分块定子6、N _r 个外侧分块转子3、N _r 个内侧分块转子5的个数关系满足下式：

，

式中，LCM为取最小公倍数，m为电机相数。

参见图1，外绕组8和内绕组9中的 “+”号表示电流方向垂直于纸面向内，“-”号表示电流方向垂直于纸面向外，相对的两个分叉激励齿构成电机的一相，由于本发明为双定子结构，内外侧的分块转子以及内外分块定子分别错开360/2N _r 度和360/2N _s ，外绕组8与相应的内绕组9串联在一起共同构成一相绕组。

参见图1、图5和图6所示，当一相绕组通电时，电机处于最大电感位置时，外侧定转子、内侧定转子构成的励磁回路分别如图5、图6所示。外定子分叉激励齿1-1上的外绕组8回路在外定子分叉齿1-1-1处分为两个回路，内定子分叉激励齿6-1上的内绕组9在内定子分叉齿6-1-1处分为两个回路，两个回路对称。其中当外绕组8受激励后，其与外侧分块转子3及外气隙构成外励磁回路依序为：外定子分叉激励齿1-1、外定子轭部1-3、外定子辅助齿1-2、外气隙、外侧分块转子3、外气隙、外定子分叉齿1-1-1、外定子分叉激励齿1-1。与此同时，同一相的内定子上的内绕组9也受到激励，并与其对应的内侧分块转子5及内气隙构成内励磁回路依序为：内定子分叉激励齿6-1、内定子分叉齿6-1-1、内气隙、内侧分块转子5、内气隙、内定子辅助齿6-2、内定子轭部6-3、内定子分叉激励齿6-1。

由于本发明中的定子采用了分叉结构，避免了定子齿端的磁密过度饱和，在最大电感位置处减小了原本未分叉结构与转子套环间的磁阻值，进而增加了最大电感，提高了输出转矩。

参见图7，以电机的某一相为例，将原电机剖成只包含一相定转子的结构示意图来说明内外绕组的串联方式以及在电流激励下该相处于最大电感位置时的内外励磁回路情况。其中，串联方式为外绕组8的“-”端与内绕组9’的“+”端相连，内绕组9的“-”端与外绕组8的“+”端相连。电流依次经过外绕组8、内绕组9并在内外定转子中形成励磁回路，由于内外励磁回路相互独立不受干扰，其作用在相应分块转子上的转矩通过非导磁转子套环4叠加后通过转轴11输出，有效地提高了输出转矩。本发明与传统的开关磁阻电机工作原理类似，利用磁阻最小原理不断按顺序通关电源可以实现转子的转动，但本发明通过分块和双定子结构可在相同电流激励下，大大提高输出转矩。若实现内外绕组串联模式和独立运行模式可自由切换，则可进一步提高电机的容错性和增加电机的调速范围，以更加满足电动汽车动驱动电机的性能要求。

Claims (8)

1.一种电动汽车用分块双定子开关磁阻电机，最中间是转轴（11），转轴（11）外同轴心套有内定子支撑件（10），其特征是：内定子支撑件（10）外同轴心紧密套有非导磁内定子套环（7），N _s 个内分块定子（6）沿非导磁内定子套环（7）外壁的圆周方向均匀布置，N _s 个内分块定子（6）外有间隙同轴心套有N _r 个内侧分块转子（5），N _r 个内侧分块转子（5）沿圆周方向均匀布置在一个非导磁转子套环（4）的内壁上，非导磁转子套环（4）的外壁上沿圆周方向均匀布置N _r 个外侧分块转子（3），N _r 个外侧分块转子（3）外有间隙同轴心套有N _s 个外分块定子（1），N _s 个外分块定子（1）沿圆周方向均匀布置在一非导磁外定子套环（2）的内壁上；每个外分块定子（1）的径向截面都是M型，包括圆弧型的外定子轭部（1-3），外定子轭部（1-3）的两端向内延伸两个相同的外定子辅助齿（1-2）、中间向内延伸一个外定子分叉激励齿（1-1），外定子分叉激励齿（1-1）上绕有外绕组（8），外定子分叉激励齿（1-1）的内端沿径向向内延伸出两个外定子分叉齿（1-1-1），两个外定子分叉齿（1-1-1）呈开口朝向内端的V型布置；内分块定子（6）和外分块定子1的拓扑结构相同，两者采用对面的方式布置，内分块定子（6）的内定子分叉激励齿（6-1）上绕有内绕组（9）。

2.根据权利要求1所述的一种电动汽车用分块双定子开关磁阻电机，其特征是：N _s 个外分块定子（1）和内分块定子（6）、N _r 个外侧分块转子（3）和内侧分块转子（5）的个数满足式，LCM为取最小公倍数，m为电机相数。

3.根据权利要求1所述的一种电动汽车用分块双定子开关磁阻电机，其特征是：外侧分块转子（3）和内侧分块转子（5）的拓扑结构相同，均由转子扇形块（3-1）是转子矩形嵌块（3-2）组成，两者采用背靠背方式布置。

4.根据权利要求1所述的一种电动汽车用分块双定子开关磁阻电机，其特征是：外分块定子（1）和内分块定子（6）沿圆周方向布置时错开360/2N _s 度，外侧分块转子（3）和内侧分块转子（5）沿圆周方向布置时错开360/2N _r 度。

5.根据权利要求1所述的一种电动汽车用分块双定子开关磁阻电机，其特征是：每个外定子分叉齿（1-1-1）的齿宽度与外定子辅助齿（1-2）的齿宽相等，外定子分叉激励齿（1-1）的齿宽是外定子分叉齿（1-1-1）的齿宽的两倍。

6.根据权利要求1所述的一种电动汽车用分块双定子开关磁阻电机，其特征是：相邻两个外侧分块转子（3）外端之间所间隔的圆弧展开弧长等于同一外分块定子（1）上的两个外定子分叉齿（1-1-1）的内端之间所间隔的圆弧展开弧长。

7.根据权利要求1所述的一种电动汽车用分块双定子开关磁阻电机，其特征是：内定子辅助齿（6-2）的齿宽a _i 与外分块定子（1）的外定子辅助齿1-2的齿宽a之比a _i /a等于内分块定子（6）的外壁半径与外分块定子（1）的内壁半径之比R _si /R _so 。

8.根据权利要求1所述的一种电动汽车用分块双定子开关磁阻电机，其特征是：内侧分块转子（5）和外侧分块转子（3）的径向高度比值等于内侧分块转子（5）的内壁半径与外侧分块转子（3）的外壁半径之比。