CN110365132B - 一种电动汽车用变支路模块化永磁内置式外转子轮毂电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动汽车用变支路模块化永磁内置式外转子轮毂电机，涉及电机技术领域。本发明定子铁芯由Ns个定子齿模块与定子轭构成，定子齿模块包括一个定子齿与绕制于定子齿上的一个绕组线圈，定子绕组采用分数槽集中绕组结构，形成m相绕组，其中每一相由k个绕组支路构成；具有k个绕组支路的m相绕组分别由t个m相直‑交变频器控制，所述转子由轮辋与2p个转子铁芯模块构成。本发明具有转矩/功率密度高、磁阻转矩大、具有变路控制能力从而拓宽调速范围、能够实现模块化制造与自动化生产等优点。

Description

一种电动汽车用变支路模块化永磁内置式外转子轮毂电机

技术领域

本发明涉及电机技术领域，更具体地说涉及一种电动汽车用轮毂电机，尤其涉及一种电动汽车用变支路模块化永磁内置式外转子轮毂电机。

背景技术

随着经济水平的快速发展，生活质量需求的持续提高，汽车已成为不可或缺的交通工具，在工业、物流、生产与日常生活中都扮演至关重要的角色。当前，技术成熟的燃油汽车依然占据了汽车工业的绝对主力，但其缺点也日益显著：其一，汽油或柴油等燃料依靠石油等不可再生能源生产，与可持续发展的现代经济理念不符；其二，燃油汽车排放的含有二氧化碳、氮氧化物、硫化物的尾气导致全球变暖与大气污染，给环境与生态保护带来了极大的困难；其三，燃油汽车驱动系统的灵活性与可操纵性有限，与自动驾驶等未来方向的融合度有限。为了弥补上述缺点，兼具节能、环保、操作灵活和优秀控制特性的电动汽车成为了政府、工业界与学术界高度重视的汽车工业发展方向。

电机是电动汽车驱动系统中关键部件，电动汽车驱动电机的选型与设计由其驱动系统的工作原理与需求决定。目前主流的技术路线包括采用单电机或双电机驱动的主驱方案与采用双电机或四电机驱动的轮毂方案。其中，主驱方案中的电机一般置于汽车底盘，通过传动装置驱动车轮主轴，而轮毂方案采用轮毂电机，又称车轮内装式电机，是电机直接驱动车轮的技术路线。相比于主驱方案，轮毂电机能够大幅度减少传动系统中的机械传动装置、提高车内空间利用率，同时利用各驱动轮直接独立控制提高了控制的自由度，显著改善车辆动力学性能，特别是改善了路况较为恶劣情况下的行驶性能。

轮毂电机动力系统有减速驱动与直接驱动两种技术路线。减速驱动采用电机转子轴与齿轮箱串联的连接方式，能够采用高转速的内转子电机，从而减少电机体积，但其缺点在于需要额外的减速机构，降低了驱动系统的可靠性与响应速度。而直驱方案一般采用外转子电机，使得电机转子与轮胎的轮辋实现一体化，不仅省去了减速机构，还减少了传动流程，从而简化了驱动系统并提高了其可靠性，同时改善了传动效率。直接驱动（以下简称直驱）是目前轮毂电机主要的研究方向。目前，直驱轮毂电机主要采用外转子结构。

永磁电机的生产过程需要实现永磁体的放置与充磁，对于极数较多的电机结构，其永磁体用量相应增加，使得工艺流程复杂，自动化生产难度增大，降低了结构的经济效益。采用模块化设计的永磁电机能够显著简化工艺流程，特别是通过采用自动化生产提高生产效率、降低制造成本，具有较高的工程与经济价值。

变支路技术能够在不降低绕组利用率、不改变电机热负荷的前提下改变绕组串联匝数与并绕根数，从而改变绕组电压与电流，使得电机能够适应不同运行工况的要求。

目前的轮毂电机一般采用外转子开关磁阻电机、横向磁通永磁电机、磁通切换永磁电机、表贴式永磁电机和整体型转子内置式永磁电机等。

外转子开关磁阻电机转矩密度、功率因数与效率均低于同等情况下的永磁电机。开关磁阻电机气隙磁场谐波特性复杂，转矩脉动、电磁振动、噪声等特性均较为严重且难以解决。此外，开关磁阻电机控制算法复杂、成熟工业产品少、控制成本高。

横向磁通永磁电机结构复杂、永磁体用量多，设计难度与工艺要求高，生产与加工难度大且生产成本高。漏磁现象较为严重，导致永磁体用量较低，进一步提高了成本、降低了经济效益。此外，横向磁通电机功率因数低，需配置大容量变频控制设备。

磁通切换永磁电机定子铁芯利用率相对较低，导致其定子饱和度高、功率密度低。大部分磁通切换永磁电机采用定子永磁结构，大幅度降低了定子绕组电感，影响了电枢反应效果，从而削弱了电机的过载能力。此外，还有一种采用切向永磁体结构的转子永磁型磁通切换电机（CN 106602822），尽管其转子永磁结构规避了定子永磁所带来的问题，但切向永磁体结构不仅聚磁效应较差，也显著降低了交轴电感（Lq），从而同时减小了永磁转矩与磁阻转矩，使得该类电机难以达到内置式永磁电机的转矩密度。

表贴式永磁电机是最为常见的轮毂电机类型。表贴式永磁电机永磁体宽度受限，无法通过聚磁效应提高永磁转矩；直轴电感较小，削弱了电枢反应效果，降低了电机的弱磁扩速运行能力，限制了电机的调速范围；交直轴电感接近，无法利用磁阻转矩增大电机的转矩密度；永磁体需要通过粘接、捆扎、护套等方式固定，增加了工艺流程。

整体型转子内置式永磁电机可以采用V型、U型、一型等多种永磁体槽结构，并通过合理的组合形成一层或多层永磁体槽。然而整体型内置式转子不具备模块化转子所具备的生产优势。此外，内置式转子聚磁效果较强，定子绕组空载感应反电动势幅值较高，在常规定子绕组设计下，将会严重地限制电机的调速范围、降低电机运行效率。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷和不足，本申请提供了一种电动汽车用变支路模块化永磁内置式外转子轮毂电机，本申请的发明目的在于解决上述现有技术中存在的问题，提供一种具有转矩/功率密度高、磁阻转矩大、具有变路控制能力从而拓宽调速范围、能够实现模块化制造与自动化生产等优点的电动汽车用变支路模块化永磁内置式外转子轮毂电机。

为了解决上述现有技术中存在的问题，本申请是通过下述技术方案实现的：

本发明提供的电动汽车用变支路模块化永磁内置式外转子轮毂电机，包括定子和转子，所述定子位于电机内侧，所述定子由定子铁芯和定子绕组构成，其特征在于：所述定子铁芯由Ns个定子齿模块与定子轭构成，所述定子齿模块包括一个定子齿与绕制于定子齿上的一个绕组线圈，定子模块底部设置有燕尾结构；所述定子轭为环形结构，其顶部开有与定子齿底部燕尾结构配合的对称分布的Ns个燕尾槽，使得定子齿模块固定在定子轭上；所述定子绕组由绕组线圈通过端部集电装置连接而成，定子绕组采用分数槽集中绕组结构，形成m相绕组，其中每一相由k个绕组支路构成；具有k个绕组支路的m相绕组分别由t个m相直-交变频器控制，其中t是k的因数，即k=n*t，其中n为正整数；所述转子由轮辋与2p个转子铁芯模块构成，其中p为电机极对数，所述转子铁芯模块包括转子铁芯与永磁体，其中转子铁芯由开有两个内置式永磁体槽的硅钢片叠压制成，永磁体槽形成V型结构，永磁体放置于永磁体槽内。

所述绕组线圈由多匝导体线绕制而成。

所述定子齿由硅钢片叠压制成，所述定子轭由硅钢片叠压制成。

所述转辋由不导磁材料制成，其内侧有2p个凸台，形成2p个轮辋齿与2p个轮辋槽，所述轮辋齿与轮辋槽内侧均开有燕尾槽。

每个永磁体槽中装设一块永磁体，即每个转子铁芯模块中装设2块永磁体，转子共有4p块永磁体。

所述永磁体为方形，充磁方向垂直于其长边。

转子铁芯模块外侧与轮辋齿及轮辋槽内侧接触，转子铁芯模块的高度超过轮辋槽的深度。

转子铁芯模块外侧有燕尾结构，使得转子铁芯模块通过轮辋凹槽及燕尾槽固定在轮辋表面。

当n=1时，t=k，表示每相绕组的k个支路分别连接到k个变频器；当n>1时，表示每相绕组分别有n个支路连接到每一个m相变频器。

t个m相变频器的直流侧经开关盒与电池和车内供电系统连接，通过开关盒中开关的状态的变化，t个m相变频器之间的串联与并联关系发生变化，从而改变了电机端电压与电流。

在t≥2的情况下，t套变频器共同工作或独立工作。

与现有技术相比，本申请所带来的有益的技术效果表现在：

1、通过V型内置式转子结构，与转子铁芯模块高度超过轮辋槽高度使得轮辋齿顶部有导磁铁芯的设计，既增强了聚磁效应，从而增大永磁转矩，又增大了交轴电感，从而提高电机凸极比，增大磁阻转矩，使得电机同时具有高转矩/功率密度和高磁阻转矩比例（磁阻转矩占总转矩比例）的性能优势。

2、转子铁芯模块与轮辋通过轮辋凹槽与燕尾槽的方式直接机械连接，提高了转矩传输的效率。

3、定子绕组采用分数槽集中绕组，每个定子齿上仅绕一个绕组，一方面能够实现自动化绕线与装配，另一方面减少了绕组端部长度、降低了绕组电阻、提高了线圈导体材料的使用率。

4、通过“变支路设计”，使得电机系统电路拓扑结构在运行过程可以调整变化，大幅度拓宽了电机运行的速度范围，提高了电机的最高转速，降低了对电池系统的性能需求，并改善了电机系统在全运行域内的效率。

5、“变支路设计”中的多套变频器拓扑结构使得电机具备了容错运行的能力，提高电机系统的可靠性与车辆的安全性。

6、转子由轮辋与多个相同的转子铁芯模块构成、定子由定子轭与多个相同的定子齿模块构成，转子铁芯模块与定子齿模块均可实现模块化加工与装配，可以采用以大规模自动化生产与装配为主、人工操作为辅的生产方式，从而显著提高生产效率。

附图说明

图1 是本发明提供的轮毂电机系统的原理框图；

图2 是本发明实施例提供的轮毂电机定转子示意图；

图3 是本发明实施例提供的电机单个转子铁芯模块示意图；

图4 是本发明实施例提供的电机转子轮辋图；

图5 是本发明实施例提供的电机单个定子齿模块示意图；

图6 是本发明实施例提供的电机定子轭环示意图；

图7 是本发明实施例提供的电机定子绕组的排列方式图；

图8 是本发明实施例提供的电机定子绕组星型矢量图；

图9 是本发明实施例提供的电机系统电路拓扑结构图；

图10 是本发明实施例提供的电机转矩-转速特性图；

附图标记：1、外转子轮毂电机，2、第一套交直变频器，3、第二套交直变频器，4、电路切换控制器，5、车内母线；1-1、转子，1-2、定子铁芯，1-3第一套定子绕组，1-4、第二套定子绕组，2-1、轮辋，2-2、转子铁芯模块，2-3、轮辋槽，2-4、定子齿模块，2-5、定子轭，3-1、转子燕尾结构Ⅰ，3-2、转子燕尾结构Ⅱ，3-3、永磁体槽，3-4、永磁体，4-1、轮辋齿顶槽，4-2、轮辋槽凹槽，5-1、定子齿，5-2、绕组线圈，5-3、定子燕尾结构，6-1、燕尾槽，7-1为两套定子绕组及变频器串联工作时的转矩特性，7-2为两套定子绕组及变频器并联工作时的转矩特性，7-3为采用本实施例所提出的电机及其系统设计与控制方法时的转速曲线。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1

作为本发明一较佳实施例，参照说明书附图1-10，本实施例公开了：

本实施例提供的变支路模块化永磁内置式外转子轮毂电机1，包括定子与转子1-1。所述定子位于电机内侧，由定子铁芯1-2与定子绕组1-3、1-4构成，所述定子铁芯1-2由Ns个定子齿模块2-4与定子轭2-5构成。所述定子齿模块2-4包括一个定子齿5-1与绕制于定子齿5-1上的一个绕组线圈5-2，由硅钢片叠压制成，其底部设计为燕尾结构5-3；所述绕组线圈5-2由多匝导体线绕制而成。由于每个定子齿5-1上只绕一个线圈，定子齿模块2-4可以实现线圈的自动绕线与自动装配。所述定子轭2-5为环形结构，由硅钢片叠压制成，其顶部开有与定子齿底部燕尾结构5-3配合的对称分布的Ns个燕尾槽6-1，从而使得定子齿模块2-4可以在定子轭2-5上固定。定子自动装配的顺序为：首先制成模块化定子齿5-1，随后进行线圈自动绕线并由定子齿5-1底部装入，再将定子齿5-1与线圈一体化的模块，即定子齿模块2-4安装固定到定子轭2-5。所述定子绕组，即第一套定子绕组1-3、第二套定子绕组1-4由绕组线圈通过端部集电装置连接而成，采用分数槽集中绕组结构，形成m相绕组，其中每一相由k个绕组支路构成。

所述转子1-1由轮辋2-1与2p个转子铁芯模块2-2构成，其中p为电机极对数。所述轮辋2-1由不导磁材料制成，其内侧有2p个凸台，形成2p个轮辋齿与2p个轮辋槽2-3，所述轮辋齿与轮辋槽2-3内侧均开有燕尾槽，即轮辋齿顶槽4-1和轮辋槽凹槽4-2。所述转子铁芯模块2-2包括转子铁芯与永磁体3-4，其中转子铁芯由开有两个内置式永磁体槽3-3的硅钢片叠压制成，永磁体槽3-3形成V型结构。所述永磁体3-4放置于永磁体槽3-3内，每个永磁体槽3-3中装设一块永磁体3-4，即每个转子铁芯模块2-2中装设2块永磁体，转子共有4p块永磁体。所述永磁体3-4为方形，充磁方向垂直于其长边。转子铁芯模块2-2外侧与轮辋齿及轮辋槽2-3内侧接触，转子铁芯模块2-2的高度超过轮辋槽2-3的深度，使得轮辋齿顶部有也导磁的铁芯，其目的是增大了交轴电感和电机凸极比，从而增大磁阻转矩、提高电机功率密度。转子铁芯模块2-2外侧有燕尾结构，即转子燕尾结构Ⅰ3-1和转子燕尾结构Ⅱ3-2，使得转子铁芯模块2-2通过轮辋槽凹槽4-2及燕尾槽（轮辋齿顶槽4-1）固定在轮辋2-1表面。

所述具有k个绕组支路的m相绕组分别由t个m相直-交变频器2/3（DC-ACconverter）控制，其中t是k的因数，即k=n*t，其中n为正整数。当n=1时，t=k，表示每相绕组的k个支路分别连接到k个变频器；当n>1时，表示每相绕组分别有n个支路连接到每一个m相变频器，此时，这n个支路可以根据需求穿并联，但在电机运行过程中，其连接方式不予变化。t个m相变频器的直流侧经开关盒与电池和车内供电系统连接，通过开关盒中开关的状态的变化，t个m相变频器之间的串联与并联关系发生变化，从而改变了电机端电压与电流，实现“变支路设计”。在电机低速运行区，电机转速较慢，绕组感应反电动势较低，通过变频器的串联，提高了电机端电压，降低了同等功率输出下的电机电流，从而降低了电池系统的损耗。在电机高速运行区，电机转速较快，绕组感应反电动势较大，通过变频器的并联，降低了电机的端电压，从而提高了使得相同电压等级的电池系统能够支持电机正常运行的最大转速，拓宽了电机的运行范围，同时提高了电机的运行效率。

更进一步的，在t≥2的情况下，t套变频器可以共同工作，也可以独立工作，在z套变频器或其连接的电机绕组出现故障时（z<t），剩余的t-z套变频器能让能够正常工作，使得电机能够带故障运行一定的时间长度，从而使得电机具备一定的容错能力，提高了电动汽车的控制性能与安全性。

实施例2

作为本发明又一较佳实施例，参照说明书附图1-10，本实施例提供了一台变支路模块化永磁内置式外转子轮毂电机1，其定子绕组相数m=3，每相支路数k=2，定子绕组套数t=2，每套定子绕组的每相并联支路数n=1。图1示出了本发明实施例提供的轮毂电机系统的原理框图，详述如下：

变支路模块化永磁内置式外转子轮毂电机包括一台外转子轮毂电机1, 第一套交直变频器2，第二套交直变频器3，电路切换控制器4，车内母线5。其中，外转子轮毂电机1包括：转子1-1，定子铁芯1-2，第一套定子绕组1-3与第二套定子绕组1-4.

现结合具体实施例说明如下：

如图2所示的一台变支路模块化永磁内置式外转子轮毂电机，采用外转子形式，即电机内侧为定子，外侧为转子。其中，转子由轮辋2-1与转子铁芯模块2-2构成，轮辋2-1一般采用铝合金等不导磁材料，但在必要时也可采用导磁材料。转子铁芯模块2-2采用硅钢片叠压制成。转子铁芯模块2-2嵌在轮辋槽2-3内，实现初步定位，但为保证转子铁芯固定的牢固性，如图3、4所示，通过转子铁芯模块外侧的燕尾设计，即转子燕尾结构Ⅰ3-1与转子燕尾结构Ⅱ3-2分别与轮辋齿顶、轮辋槽内侧开设的槽，即轮辋齿顶槽4-1与轮辋槽凹槽4-2的配合，实现转子铁芯模块与轮辋槽的机械连接。

如图3所示，每个转子铁芯模块内开有两个永磁体槽3-3，形成V型结构。每个永磁体槽内装设一块永磁体3-4。转子铁芯模块的高度超过轮辋槽深度，使得轮辋齿顶与转子铁芯模块外表面接触，转子内径小于轮辋齿顶内径，其目的的增大交轴电感Lq，从而增加磁阻转矩比例，减少永磁材料的使用量。轮辋齿、轮辋槽与转子铁芯模块的数量均为2p，其中p为电机极对数。转子铁芯模块的尺寸、结构完全相同，因此可以实现通过自动化加工方式模块化生产和装配。

定子由定子齿模块2-4与定子轭环2-5构成。如图5、6所示，所述定子齿模块由定子齿5-1与环绕定子齿的绕组5-2构成。定子齿5-1底部的燕尾结构5-3与定子轭环上的槽6-1相互匹配，实现定子齿模块与定子轭环的机械连接。定子齿5-1采用硅钢片叠压制成，绕组5-2采用成型集中绕组，既可采用常规绕组，也可使用扁线发卡绕组。在生产过程中，将成型绕组5-2插入定子齿5-1形成定子齿模块2-4，再将定子齿模块2-4嵌在定子轭环上。因此，定子齿模块可以通过自动化加工方式，实现模块化生产与装配。

在本实施例中，定子槽数Zs为24，电机极对数p为10，每槽导体数为2。第一套定子绕组1-3与第二套定子绕组1-4分别为一套12槽5对极定子绕组，其绕组排列方式如图7所示。两套绕组形成的定子绕组星型矢量图如图8所示，其中相带下标数字分别代表所属绕组套数。两套绕组相对应的相带间的相角差为0，因此，当两套绕组处于并联状态时，在并联的相带间不会产生因反电动势角度差导致的环流，提高了电机的工作稳定性与安全性。

本实施例中的轮毂电机电路拓扑结构图如图9所示，其中，1-3与1-4分别为第一套与第二套定子绕组，2与3分别为控制第一套与第二套定子绕组的交直变频器。4为电路切换控制器，当电机转速位于切换转速（Vs）以下时，开关k1与k2断开，k3闭合，此时两套变频控制器处于串联状态；当电机转速超过切换转速时，开关k1与k2闭合，k3断开，此时两套变频控制器处于串联状态。5为车载电力母线，与车载电池储能系统连接。

本实施例所设计电机及系统的控制效果如图10所示，其中，7-1为两套定子绕组及变频器串联工作时的转矩特性，7-2为两套定子绕组及变频器并联工作时的转矩特性，Vs为7-1与7-2相交时的转速值，即切换转速。7-3为采用本实施例所提出的电机及其系统设计与控制方法时的转速曲线，相比于单一运行方式，低速时转矩得到了加强，高速运行时转矩增大、转速范围显著拓宽，取得了良好的效果。

本实施例只是本发明的一个实例，在应用于不同类型与不同特性要求的电动汽车中，在保持电机与电路结构思想一致的前提下，电机具体参数可能会发生改变，以满足相应工程条件的需求。

Claims (5)

1.一种电动汽车用变支路模块化永磁内置式外转子轮毂电机，包括定子和转子（1-1），所述定子位于电机内侧，所述定子由定子铁芯（1-2）和定子绕组构成，其特征在于：所述定子铁芯（1-2）由Ns个定子齿模块（2-4）与定子轭（2-5）构成，所述定子齿模块（2-4）包括一个定子齿（5-1）与绕制于定子齿上的一个绕组线圈（5-2），定子齿模块（2-4）底部设置有燕尾结构；所述定子轭（2-5）为环形结构，其顶部开有与定子齿模块（2-4）底部燕尾结构配合的对称分布的Ns个燕尾槽（6-1），使得定子齿模块（2-4）固定在定子轭（2-5）上；所述定子绕组由绕组线圈通过端部集电装置连接而成，定子绕组采用分数槽集中绕组结构，形成m相绕组，其中每一相由k个绕组支路构成；具有k个绕组支路的m相绕组分别由t个m相直-交变频器控制，其中t是k的因数，即k=n*t，其中n为正整数；当n=1时，t=k，表示每相绕组的k个支路分别连接到k个变频器；当n>1时，表示每相绕组分别有n个支路连接到每一个m相变频器；t个m相变频器的直流侧经开关盒与电池和车内供电系统连接，通过开关盒中开关的状态的变化，t个m相变频器之间的串联与并联关系发生变化，从而改变了电机端电压与电流；在t≥2的情况下，t套变频器共同工作或独立工作；

所述转子（1-1）由轮辋（2-1）与2p个转子铁芯模块（2-2）构成，其中p为电机极对数，所述转子铁芯模块（2-2）包括转子铁芯与永磁体（3-4），其中转子铁芯由开有两个内置式永磁体槽（3-3）的硅钢片叠压制成，永磁体槽（3-3）形成V型结构，永磁体（3-4）放置于永磁体槽（3-3）内；

所述轮辋由不导磁材料制成，其内侧有2p个凸台，形成2p个轮辋齿与2p个轮辋槽（2-3），所述轮辋齿与轮辋槽（2-3）内侧均开有燕尾槽；转子铁芯模块（2-2）外侧与轮辋齿及轮辋槽（2-3）内侧接触，转子铁芯模块（2-2）的高度超过轮辋槽（2-3）的深度；转子铁芯模块（2-2）外侧有燕尾结构，使得转子铁芯模块通过轮辋凹槽及燕尾槽固定在轮辋表面。

2.如权利要求1所述的一种电动汽车用变支路模块化永磁内置式外转子轮毂电机，其特征在于：所述绕组线圈（5-2）由多匝导体线绕制而成。

3.如权利要求1所述的一种电动汽车用变支路模块化永磁内置式外转子轮毂电机，其特征在于：所述定子齿（5-1）由硅钢片叠压制成，所述定子轭（2-5）由硅钢片叠压制成。

4.如权利要求1所述的一种电动汽车用变支路模块化永磁内置式外转子轮毂电机，其特征在于：每个永磁体槽（3-3）中装设一块永磁体（3-4），即每个转子铁芯模块中装设2块永磁体，转子共有4p块永磁体。

5.如权利要求1-4任意一项所述的一种电动汽车用变支路模块化永磁内置式外转子轮毂电机，其特征在于：所述永磁体（3-4）为方形，充磁方向垂直于其长边。

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