CN110690803B - 一种电动车驱动用低成本交替极永磁轮毂电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电动车驱动用低成本交替极永磁轮毂电机，属于电机本体设计及制造领域。包括同轴外转子1和内定子2；所述外转子上的永磁体采用交替极结构，永磁体的充磁方向沿径向相同，即统一的沿径向指向或者背离圆心，永磁体之间的凸极铁心充当虚拟极，永磁体和虚拟极在外转子的内圆周上交替均匀分布，所述内定子2包含电枢齿5和齿靴6；本发明电机的电磁性能和常规N‑S极阵列的永磁电机性能相当，并且永磁体的使用量大量减少，有效降低了电机成本。

Description

一种电动车驱动用低成本交替极永磁轮毂电机
技术领域
本发明属于电机设计领域，具体涉及一种电动车轮毂驱动用交替极永磁旋转电机。
背景技术
由于传统化石能源日益枯竭以及环境的日益恶化，靠消耗化石能源的内燃机车逐步被新兴的电动驱动工具所取代。而直驱电机以其可靠性高、震噪小等优点，在工业设备应用以及交通工具领域中得到了越来越广泛的应用。然而，由于高转矩密度要求，直接驱动电机的重量和体积都很大，因此制约了其推广应用。近年来，永磁电机以其卓越的转矩密度，高效率等特点，受到越来越广泛的关注。然而，永磁体价格昂贵限制了永磁电机的进一步推广使用。并且，为了追求电动车辆乘坐的舒适性，对电机的转矩脉动有严格的限制。因此降低永磁电机的成本，减少电机的转矩脉动，对推广电动车辆驱动用永磁电机，提升其竞争力具有十分重要的意义。
文献IEEE Transactions on magnetics,52(7),July,2016.Art.ID 8104804.(Design and Analysis of Low-Cost Tubular Fault-Tolerant Interior Permanent-Magnet Motor)提出了一种采用混合励磁材料的方法以降低电机的成本，即将一半的永磁体替换为铁氧体。但是由于整个电机励磁材料的励磁性能下降，此种方法很大程度上会降低电机的输出性能。上述方法存在一定的局限性。因此，如何保持电机性能的同时还能大量减少永磁体的使用量具有重要的意义。中国发明专利申请号为201811288504.2的专利《一种双调制交替极永磁游标电机及其应用》针对减少电机成本而提出了一种采用交替极永磁体阵列结构的直线电机。与传统表贴式永磁电机相比较，永磁体用量大大降低，从而降低了电机的成本。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有电动车辆(如电动自行车、电动汽车、电动拖拉机)的轮毂驱动用永磁电机的稀土永磁材料用量大、成本高，提高反电势的正弦度，减小转矩脉动，提高运行稳定性，提出一种基于交替极结构的外转子永磁轮毂电机。
本发明采用的技术方案是：一种电动车驱动用低成本交替极永磁轮毂电机，包括同轴外转子1和内定子2；所述外转子上的永磁体采用交替极结构，永磁体的充磁方向沿径向相同，即统一的沿径向指向或者背离圆心，永磁体之间的凸极铁心充当虚拟极，永磁体和虚拟极在外转子的内圆周上交替均匀分布；
所述内定子2包含电枢齿5和齿靴6；所述永磁体、虚拟极、齿靴6有三种组合方式：
第一种为采用面包型永磁体31和面包型虚拟极41；所述面包型永磁体和面包型虚拟极在气隙侧凸起，齿靴6的端部都均匀分布在同一空间圆周上；所述面包型永磁体和面包型虚拟极满足如下关系：0.5≤t1＝h1/H1≤1，0≤t2＝h2/H2≤1，R1≥R2，H1≥H2，t1和t2相互独立，即t1可以不等于t2；所述面包型永磁体沿圆周所跨弧度l1与面包型虚拟极沿圆周所跨弧度l2的关系满足l1>l2，且保证面包型永磁体与面包型虚拟极距离定子的最小气隙厚度相等；
第二种为采用瓦片状永磁体32和瓦片状虚拟极42，瓦片状永磁体和瓦片状虚拟极的厚度相等，且l1>l2；齿靴6被切削处理成凸极状，L1、L2、Rs1、Rs2之间的关系为：0<L1/L2≤2.5，Rs1<Rs2；
第三种为采用瓦片状永磁体32和瓦片状虚拟极42，且l1>l2，瓦片状永磁体厚度和瓦片状虚拟极的厚度相等，齿靴6的端部不经过切削，且都均匀分布在同一圆周空间上，气隙厚度在圆周空间上均匀分布；
其中，H1为面包型永磁体的最大厚度，h1为面包型永磁体两边的楞长，H2为面包型虚拟极的最大厚度，h2为面包型虚拟极两边的楞长，R1，R2分别为面包型永磁体和面包型虚拟极切削圆弧的半径，l1，l2分别为永磁体和虚拟极所跨弧度，L1为齿靴端部的切削厚度，L2为齿靴端部的原始厚度，Rs1为切削圆弧的半径，Rs2为内定子的外半径。
进一步，当t1＝t2＝1时，此时永磁体和虚拟极都为瓦片状。
进一步，当H1>H2时，面包型永磁体的最大厚度大于面包型虚拟极的最大厚度，为了保证面包型永磁体31和面包型虚拟极41距离定子的最小气隙厚度相等，将高出面包型虚拟极41部分的面包型永磁体31嵌入转子轭中。
进一步，当采用面包型永磁体31时，使用一整块永磁体切削加工得到，或采用多个块状梯形永磁体311拼接而成。
进一步，当采用瓦片状永磁体32结构时，采用多个块状矩形永磁体331拼接而成。
进一步，永磁体的极弧系数范围设置0.5-0.7。
进一步，定子槽口宽度范围设置为2mm至4mm。
进一步，内定子和外转子之间的最小气隙范围设置为0.3mm至1mm。
进一步，电机的单元电机槽极配合满足公式Z0＝2P0±2，其中Z0和P0分别为单元电机的槽数和极对数。
本发明具有以下有益效果：
1.本发明电机采用交替极结构，即采用相同励磁方向的永磁体，相比较于常规N-S阵列的永磁体，本发明电机的电磁性能和常规N-S极阵列的永磁电机性能相当，并且永磁体的使用量大量减少，有效降低了电机成本。
2.采用面包型永磁体和面包型虚拟极，或对齿靴进行切削处理，可改善气隙磁密的正弦度，从而可改善电机空载反电势的正弦度，有效降低电机的转矩脉动。
3.采用外转子结构且外转子轭部和虚拟极均采用Q235钢，不但方便永磁体散热，降低永磁体因温度过高引起的退磁风险，而且有效消除了定转子安装过程中因定转子之间的拉力导致的转子铁心硅钢片开裂，提高了电机的可靠性。
4.外转子铁心用Q235钢以取代硅钢片，减少了冲片叠压工艺，简化生产工艺，降低成本。
5.采用多个块状永磁体拼接以代替整块永磁体，不但可以降低永磁体加工难度和电机的制作成本，而且降低了永磁体的涡流损耗。
6.电机采用分数槽集中绕组，同时槽极配比满足公式Z0＝2P0±2，不仅可以获得一个较高的绕组因数，而且可以减少电机绕组空载反电势的谐波分量，提高电机可靠性。
7.采用分数槽集中绕组，不但减少绕组边端长度，而且降低了电机相电阻，提高了电机效率。
8.分数槽集中绕组、面包型永磁体分块形式，面包型虚拟极，以及交替极结构，不但降低了涡流损耗和铜耗，提高了电机运行效率；而且抑制了反电势谐波，提高了反电势幅值和输出转矩；更为重要的是提高了电机的容错运行能力，降低了永磁体用量，进而降低了电机成本，提高了可靠性。
附图说明：
图1是本发明实例电机Ⅰ的结构图；
图2是本发明实例电机Ⅰ的局部放大图；
图3是本发明实例电机Ⅱ的结构图；
图4是本发明实例电机Ⅱ的局部放大图；
图5是本发明实例电机Ⅲ的结构图；
图6是本发明实例电机Ⅲ的局部放大图；
图7是本发明实例电机Ⅳ的结构图；
图8是本发明实例电机Ⅳ的局部放大图；
图9是传统电机的结构图；
图10是传统电机的局部放大图；
图11是空载反电势波形图；
图12是电磁转矩波形图；
图中：1.外转子；2.内定子；31.面包型永磁体；311.块状梯形永磁体；32.瓦片状永磁体；33.矩形状永磁体；331：块状矩形永磁体；41.面包型虚拟极；42.瓦片状虚拟极；5.电枢齿；6.齿靴；7.绕组。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方案，为了能够更加清楚、完善地说明本发明电机的结构特点和有益效果，将结合三相交替极永磁体轮毂电机进行详细分层的表述。
图1是本发明实例电机Ⅰ的结构图，图2是本发明实例电机Ⅰ的局部放大图，包括外转子1和内定子2。所述外转子1采用面包型永磁体31和面包型虚拟极41。所有面包型永磁体31的充磁方向沿径向相同，即都指向圆心或者背离圆心。在本发明实例Ⅰ中，所有面包型永磁体31的充磁方向沿径向背离圆心。所述转子铁心1和面包型虚拟极41采用一整块Q235钢整体加工切削而得。面包型永磁体尺寸满足关系：0.5≤t1＝h1/H1≤1；面包型虚拟极41满足关系：0≤t2＝h2/H2≤1。t1和t2相互独立，t1可以不等于t2；R1≥R2，H1≥H2，当H1>H2时，将永磁体嵌入转子轭中，保证永磁体和虚拟极距离定子的最小气隙长度相等。在本发明实例电机Ⅰ中，t1＝t2＝0.67，H1＝2.78mm，H2＝2.3mm。本发明实例Ⅰ中l1＝7.3deg，l2＝5.4deg，面包型永磁体31与面包型虚拟极41之间留有一点间隙以减少边端漏磁。所述内定子2包括电枢齿5和齿靴6，齿靴6的端部均匀分布在定子外径的空间圆周上。采用分数槽集中绕组，每个电枢齿5上都绕有绕组7。
图3是本发明实例电机Ⅱ的结构图，图4是本发明实例电机Ⅱ的局部放大图。实例电机Ⅱ与实例电机Ⅰ中相同结构部分的结构参数保持相同。在本发明实例电机Ⅱ中，t1≠t2，且t1＝0.67，t2＝0，H1＝2.78mm，H2＝2.3mm，l1＝7.3deg，l2＝5.4deg。面包型永磁体31由多个块状梯形状永磁体311相互拼接而成。各个梯形永磁体的磁化方向在径向上都保持相同，在发明实例电机Ⅱ中，都沿径向背离圆心。
图5是本发明实例电机Ⅲ的结构图，图6是本发明实例电机Ⅲ的局部放大图，包括外转子1和内定子2。所述外转子1包括瓦片状永磁体32和瓦片状虚拟极42，所有永磁体的磁化方向相同，在本发明实例中，所有瓦片状永磁体32的充磁方向沿径向背离圆心。所述转子铁心和瓦片状虚拟极42采用一整块Q235钢整体加工切削得到。整个瓦片状永磁体32和瓦片状虚拟极42厚度相同。所述内定子2包括电枢齿5和齿靴6，对所述齿靴6的端部进行切削处理，L1与L2之间的关系为：0<L1/L2≤2.5。在本发明实例Ⅲ中，L1/L2＝1。
图7是本发明实例电机Ⅳ的结构图，图8是本发明实例电机Ⅳ的局部放大图。包括外转子1和内定子2，所述外转子1包括瓦片状虚拟极42以及由两个块状矩形永磁体331拼接而成的矩形状永磁体33。所有块状矩形永磁体的充磁方向相同，即都沿径向指向或者背离圆心。在本发明实例Ⅳ中，所有块状矩形永磁体331的充磁方向都沿径向背离圆心，矩形状永磁体33的极弧系数确定为0.58。转子铁心和瓦片状虚拟极42采用钢Q235整体加工切削而成。所述内定子2包括电枢齿5和齿靴6，齿靴6的端部均匀分布在以直径为定子外径的空间圆周上，即整个气隙厚度均匀。在本发明实例电机Ⅳ中，槽口宽度设置为2.6mm以方便线圈的绕线。为了避免电枢齿的饱和，对电枢齿的宽度进行优化后设置为6.4mm。外转子1和内定子2之间留有气隙，电机的气隙厚度设置为0.5mm。
图9是已有传统电机的结构图，图10是传统电机的局部放大图。包括外转子1和内定子2。所述外转子1上包括两种极性的瓦片状永磁体32，两种极性的瓦片状永磁体32的磁化方向分别为沿径向指向圆心和背离圆心充磁。永磁体在空间圆周上交替均匀分布，厚度相等，所跨弧度相同。所述内定子2包括电枢齿5和齿靴6。所有电枢齿5和齿靴6形状相同，且在空间圆周上均匀分布。定转子之间的气隙厚度均匀。采用分数槽双层集中绕组。发明实例电机中的相同结构的参数保持不变。
图11是空载反电势波形图，图12是电磁转矩波形图。由于等效气隙厚度的增加以及永磁体用量的减少，实例Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的空载反电势幅值以及电磁转矩稍低于传统电机、实例Ⅳ的空载反电势幅值以及电磁转矩。但是由于实例Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ改善了气隙的正弦度，空载反电势的正弦度得到了大幅度的改善，从而电磁转矩脉动也得到了大幅度的降低。
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 (7)

1.一种电动车驱动用低成本交替极永磁轮毂电机，其特征在于，包括同轴外转子(1)和内定子(2)；所述外转子上的永磁体采用交替极结构，永磁体的充磁方向沿径向相同，即统一的沿径向指向或者背离圆心，相邻两个永磁体之间的凸极铁心充当虚拟极，永磁体和虚拟极在外转子的内圆周上交替均匀分布；
所述内定子(2)包含电枢齿(5)和齿靴(6)；所述永磁体、虚拟极、齿靴(6)有三种组合方式：
其中，H1为面包型永磁体的最大厚度，h1为面包型永磁体两边的楞长，H2为面包型虚拟极的最大厚度，h2为面包型虚拟极两边的楞长，R1，R2分别为面包型永磁体和面包型虚拟极切削圆弧的半径，l1，l2分别为永磁体和虚拟极沿圆周所跨弧度，L1为齿靴端部的切削厚度，L2为齿靴端部的原始厚度，Rs1为切削圆弧的半径，Rs2为内定子的外半径；
第一种为采用面包型永磁体(31)和面包型虚拟极(41)；所述面包型永磁体和面包型虚拟极在气隙侧凸起，齿靴(6)的端部都均匀分布在同一空间圆周上；所述面包型永磁体和面包型虚拟极满足如下关系：0.5≤t1＝h1/H1≤1，0≤t2＝h2/H2≤1，R1≥R2，H1≥H2，t1和t2相互独立；所述面包型永磁体沿圆周所跨弧度l1与面包型虚拟极沿圆周所跨弧度l2的关系满足l1>l2，且保证面包型永磁体与面包型虚拟极距离定子的最小气隙厚度相等；
第二种为采用瓦片状永磁体(32)和瓦片状虚拟极(42)，瓦片状永磁体和瓦片状虚拟极的厚度相等，且l1>l2；齿靴(6)被切削处理成凸极状，L1、L2、Rs1、Rs2之间的关系为：0<L1/L2≤2.5，Rs1<Rs2；
第三种为采用瓦片状永磁体(32)和瓦片状虚拟极(42)，且l1>l2，瓦片状永磁体厚度和瓦片状虚拟极的厚度相等，齿靴(6)的端部不经过切削，都均匀分布在同一圆周空间上，气隙厚度在圆周空间上均匀分布；
当t1＝t2＝1时，此时永磁体和虚拟极都为瓦片状；
当H1>H2时，面包型永磁体的最大厚度大于面包型虚拟极的最大厚度，为了保证面包型永磁体和面包型虚拟极距离定子的最小气隙厚度相等，将高出面包型虚拟极部分的面包型永磁体嵌入转子轭中。
2.根据权利要求1所描述的一种电动车驱动用低成本交替极永磁轮毂电机，其特征在于：当采用面包型永磁体时，使用一整块永磁体切削加工得到，或采用多个块状梯形永磁体(311)拼接而成。
3.根据权利要求1所描述的一种电动车驱动用低成本交替极永磁轮毂电机，其特征在于：当采用瓦片状永磁体结构时，采用多个块状矩形永磁体(331)拼接而成。
4.根据权利要求1所描述的一种电动车驱动用低成本交替极永磁轮毂电机，其特征在于：永磁体的极弧系数范围设置0.5-0.7。
5.根据权利要求1所描述的一种电动车驱动用低成本交替极永磁轮毂电机，其特征在于：定子槽口宽度范围设置为2mm至4mm。
6.根据权利要求1所描述的一种电动车驱动用低成本交替极永磁轮毂电机，其特征在于，内定子和外转子之间的最小气隙范围设置为0.3mm至1mm。
7.根据权利要求1所描述的一种电动车驱动用低成本交替极永磁轮毂电机，其特征在于：电机的单元电机槽极配合满足公式Z0＝2P0±2，其中Z0和P0分别为单元电机的槽数和极对数。
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