CN112383163A - 一种轨道车辆用独立轮牵引轮毂电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轨道车辆用独立轮牵引轮毂电机，包括定子、转子、不等宽不等厚Halbach轴向环形部分分段永磁体阵列、转轴和电枢绕组；转子安装于定子内，转子固定在转轴上，电枢绕组安装在所述定子上，不等宽不等厚Halbach轴向环形部分分段永磁体阵列安装在所述转子上且位于所述转子与所述定子之间，每个磁极由三块极性相同的永磁体组成，永磁体采用Halbach充磁方式，三块永磁体包括一块主磁极和两块边界磁极，主磁极采用轴向环形部分分段结构，两块边界磁极位于主磁极的两侧，同时与主磁极既不等宽也不等厚。本发明提出一种应用于轮毂内的不等宽不等厚Halbach轴向环形部分分段永磁同步电机，其气隙磁场谐波畸变率小，永磁体利用率高，转矩脉动低，永磁体涡流损耗小。

Description

一种轨道车辆用独立轮牵引轮毂电机

本发明涉及电机技术领域，特别涉及一种轨道车辆用独立轮牵引轮毂电机。

背景技术

轮毂电机驱动系统的特点是将轮毂电机、减速器和制动器等整合到轨道车辆的轮毂中，提高了轨道车辆的空间利用率和灵活性。根据轨道车辆用独立轮牵引轮毂电机的特点和行驶要求，具有以下优点：

(1)轮毂电机具有较高的功率密度；

(2)轮毂电机具有峰值转矩输出能力来满足轨道车辆的起动、加速以及爬坡的需求；轮毂电机具有较宽的恒功率运行速度范围，且在恒功率运行范围内，轮毂电机具有较高的效率。

(3)为降低轨道车辆中由轮毂电机的转矩波动引起的振动和噪声，电机的转矩波动应尽量减小。

(4)轮毂电机应具有良好的散热和冷却能力，以便实现电机的高功率密度。与其他类型电机相比，永磁同步电动机具有高效率、高转矩密度、低转矩波动等优点，因此十分适合作为轮毂电机使用。

Halbach充磁通过将磁化方向各异的永磁体依照某一固定顺序排列，从而得到更高正弦性分布的合成气隙磁场。这种永磁体排列方式的合成结果是使永磁体其中一侧的磁场大幅增强，与此同时另一侧磁场大幅减弱，气隙磁场产生自屏蔽效应，并使气隙磁密的幅值大幅提升。

永磁体采用Halbach充磁方式，并将不同充磁方向的永磁体按照一定规律排列，能够在磁体一侧汇聚磁力线，而在另一侧削弱磁力线，从而获得比较理想的单边磁场的永磁体排列。Halbach阵列永磁电机能够减小气隙磁场的谐波含量，提高永磁体的利用率，提升电机的功率密度，因而在永磁电机中得到了广泛的应用。

等宽等厚Halbach永磁同步电机采用Halbach充磁方式，主磁极与边界磁极等宽等厚。相比于表贴式永磁同步电机，等宽等厚Halbach永磁同步电机的气隙磁密波形更加正弦、电磁转矩波动更小、永磁体涡流损耗更低，其中，负载气隙磁密谐波畸变率降低约45％、电机转矩波动降低约49％、永磁体涡流损耗降低约23％。

然而，等宽等厚Halbach永磁同步电机的电磁性能仍有进步的空间，有待于进一步优化。在固定的极间间隔时，进一步优化负载气隙磁密波形、减少负载气隙谐波畸变率、降低电机转矩波动以及永磁体涡流损耗，从而提升电机的电磁性能。如图1所示为现有等宽等厚Halbach永磁同步电机的充磁模型，相邻磁极间存在极间间隔，同一磁极相邻永磁体充磁夹角为θ_。

以往对永磁同步电机Halbach永磁体阵列的研究主要侧重于改变边界磁极的高度、厚度以及充磁角度对气隙磁密谐波畸变率和电磁转矩波动的影响，未考虑将永磁同步电机的电磁性能进行统一考虑，存在一定的局限性，尤其是对于处在狭小轮毂内的永磁同步电机，其永磁体涡流损耗的抑制问题十分重要。

发明内容

为了克服背景技术中的问题，本发明提出一种轨道车辆用独立轮牵引轮毂电机，其气隙磁场谐波畸变率小，电机的转矩脉动小，永磁体涡流损耗小。

为了实现上述目的，本发明是按照以下方式实现的：一种轨道车辆用独立轮牵引轮毂电机，包括定子、转子、不等宽不等厚Halbach轴向环形部分分段永磁体阵列、转轴和电枢绕组；所述转子安装于所述定子内，并且转子固定在所述转轴上，不等宽不等厚Halbach轴向环形部分分段永磁体阵列安装在所述转子上且位于所述转子与所述定子之间，电枢绕组安装在所述定子上，不等宽不等厚Halbach轴向环形部分分段永磁体阵列的每个磁极由三块极性相同的永磁体组成，三块永磁体采用Halbach充磁方式，三块永磁体分别为一块主磁极和两块边界磁极，主磁极采用轴向环形部分分段结构，两块边界磁极位于主磁极的两侧，同时与主磁极既不等宽也不等厚。

优选地，所述不等宽且不等厚边界磁极的厚度为主磁极厚度的一半，一块边界磁极的圆心角为8°，主磁极采用轴向环形部分分段结构，轴向部分分段深度为电机轴向长度的1/3，环形结构宽度为主磁极厚度的1/2，长度的圆心角为每极极弧宽度的1/3。在该优选技术方案中，不等宽不等厚Halbach轴向环形部分分段结构既能够降低电机的气隙磁密谐波畸变率和永磁体涡流损耗，又不妨碍Halbach永磁体阵列中各永磁体磁场叠加所形成的单边磁场的磁场强度。

优选地，所述不等宽不等厚Halbach轴向环形部分分段永磁体阵列每极下主磁极均匀贴装在所述转子的表面，边界磁极固定在主磁极的两侧(永磁体采用表贴式结构，而非内置式结构)。通过该优选技术方案，Halbach永磁体阵列的设置比较方便，所形成的单边磁场更接近定子上的电枢绕组，电枢绕组处的磁场强度更高。

优选地，所述不等宽不等厚Halbach轴向环形部分分段永磁体阵列有4对极，所述定子上有9个电枢线槽。在该优选技术方案中，4对极的不等宽不等厚Halbach轴向环形部分分段永磁体阵列与9个电枢线槽的定子相配合的结构，齿槽转矩的转矩脉动更小，转矩特性更优越，电磁转矩也更稳定。

优选地，所述不等宽不等厚Halbach轴向环形部分分段永磁体阵列4中每极有3块永磁体，相邻永磁体的充磁夹角为50°，相邻磁极之间有极间间隔。在该优选技术方案中，当每个磁极由三块永磁体组成时，气隙磁密波形更加正弦。同时，每极由3块永磁体组成以及相邻磁极间的极间间隔可以减小加工成本、精度以及气隙磁场的谐波含量。

优选地，所述不等宽不等厚Halbach轴向环形部分分段永磁体阵列各永磁体均为钕铁硼永磁体，钕铁硼永磁体的磁能积在27-50MG-OG之间，是目前磁性最高的永磁材料。使用钕铁硼永磁体能够形成更高的磁场强度。

本发明的有益效果：

本发明的不等宽不等厚Halbach轴向环形部分分段永磁同步电机，边界磁极与主磁极既不等宽也不等厚，优化了Halach永磁阵列，减小了气隙磁密谐波畸变率、降低了齿槽转矩和电磁转矩波动；同时，主磁极采用轴向环形部分分段结构，极大地降低了永磁体涡流损耗，进一步提升了电机的电磁性能。

在等宽等厚Halbach结构的基础上，所提出的不等宽不等厚Halbach轴向环形部分分段结构的永磁体体积降低了19.7％，不可避免的降低了11％的电磁转矩，但所提结构的永磁体利用率提高了30％；同时，不等宽不等厚Halbach轴向环形部分分段永磁同步电机的负载气隙磁密谐波畸变率基本不变、永磁体涡流损耗降低约55％。

附图说明

图1为现有的极间隔断Halbach永磁体阵列示意图；

图2为是本发明的结构示意图；

图3为是本发明轨道车辆用独立轮牵引轮毂电机永磁体的放大图；

图4为表贴式结构、T型Halbach部分分段结构、等宽等厚Halbach结构的负载气隙磁密对比图；

图5为表贴式结构、T型Halbach部分分段结构、等宽等厚Halbach结构的电磁转矩对比图；

图6为表贴式结构、T型Halbach部分分段结构、等宽等厚Halbach结构的永磁体涡流损耗对比图。

图中，1-定子、2-转子、3-气隙、4-T-Halbach轴向环形部分分段永磁体阵列、5-转轴、6-电枢绕组；

100-主磁极、200-边界磁极。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚、明白，下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的说明，以方便技术人员理解。

如图2所示，本发明的轨道车辆用独立轮牵引轮毂电机，包括定子1、转子2、不等宽不等厚Halbach轴向环形部分分段永磁体阵列4、转轴5和电枢绕组6。

转子2固定在转轴5上，转子2能够随转轴5一起在定子1内转动。不等宽不等厚Halbach轴向环形部分分段永磁体阵列4设置在转子2上，且位于转子2与定子1之间。当转子2在定子1内转动时，能够带动不等宽不等厚Halbach轴向环形部分分段永磁体阵列4在定子1内转动。在不等宽不等厚Halbach轴向环形部分分段永磁体阵列4和定子1之间预留有气隙3，方便不等宽不等厚Halbach轴向环形部分分段永磁体阵列4与定子1之间的相对转动。

不等宽不等厚Halbach轴向环形部分分段永磁体阵列4包括多个充磁方向不同的永磁体，该永磁体组成内转子结构的Halbach阵列(不同充磁方向的永磁体组成不等宽不等厚Halbach轴向环形部分分段永磁体阵列，且本电机为内转子结构)，以使得不等宽不等厚Halbach轴向环形部分分段永磁体阵列4的磁场在不等宽不等厚Halbach轴向环形部分分段永磁体阵列4内侧相互抵消，而在不等宽不等厚Halbach轴向环形部分分段永磁体阵列4的外侧相互加强。

与等宽等厚的Halbach阵列不同，本发明的轨道车辆用独立轮牵引轮毂电机中，如图3所示，不等宽不等厚Halbach轴向环形部分分段永磁体阵列4的主磁极100采用轴向环形部分分段结构，边界磁极200与主磁极100不等宽且不等厚。永磁体分段可以增加涡流回路电阻，涡流损耗随着永磁体分段数的增加而减小，但当大于一定值后，涡流损耗又逐渐增大。相比于永磁体部分分段结构，永磁体完全分段结构的降耗效果更好，但永磁体完全分段结构的工艺难度较大且不能维持永磁体的完整性，具有较高的制造成本。因此，考虑到实际生产的经济性和简便性，主磁极采用轴向环形部分部分分段结构来减少永磁体涡流损耗；永磁体形状决定了永磁同步电机的磁场分布，不等宽不等厚Halbach结构在等宽等厚Halbach结构的基础上进一步降低了电机转矩波动。定子1上开有多个电枢线槽，多组电枢绕组6安装在电枢线槽内，易产生交变电磁场以驱动转子2转动。

采用不等宽不等厚Halbach轴向环形部分分段结构可以降低气隙磁场的谐波畸变、转矩波动以及永磁体涡流损耗，使得不等宽不等厚Halbach轴向环形部分分段永磁体阵列4的强侧磁场更接近理想的正弦分布。在本发明中，如图3所示，所述边界磁极的厚度为主磁极厚度的一半，边界磁极的圆心角为8°，主磁极采用轴向环形部分分段结构，轴向部分分段深度为电机轴向长度的1/3，环形结构宽度为主磁极厚度的1/2，长度的圆心角为每极极弧宽度的1/3，采用上述参数可以在抑制气隙磁场畸变的同时减小对电磁转矩的影响。

在本发明中，如图2所示，不等宽不等厚Halbach轴向环形部分分段永磁体阵列4由4对极组成，每个极由充磁方向相同，角度旋转相同的一组永磁体组成。定子1上设置了9个电枢线槽，9个电枢线槽在定子1上均匀分布。当然，在本发明中，不等宽不等厚Halbach轴向环形部分分段永磁体阵列4与9个电枢线槽的定子相配合，电机的转矩脉冲更小，转矩特性也更优越。

在本发明中，每个极由在不等宽不等厚Halbach轴向环形部分分段永磁体阵列4中连续分布的3块永磁体组成，相邻两块永磁体的充磁夹角为50°。不等宽不等厚Halbach轴向环形部分分段永磁体阵列4通常采用≥3的奇数块极性相同的永磁体组成一个极，其中，每个极由3块永磁体组成的实施方式设置简单，形成的气隙磁场较为接近正弦分布，实施效果也更好。同样，相邻两块永磁体之间的充磁角度也可以有所差别，但相邻两块永磁体之间具有相同充磁夹角时，不等宽不等厚Halbach轴向环形部分分段永磁体阵列4产生的外侧磁场更接近正弦分布，电机的旋转稳定性也更高。

在本发明中，组成不等宽不等厚Halbach轴向环形部分分段永磁体阵列4的各永磁体均为钕铁硼永磁体，设置在转子2上(设置在转子上，即为表贴式结构)，形成符合要求的不等宽不等厚Halbach轴向环形部分分段永磁体阵列4。钕铁硼永磁铁以其超高的磁能积在不等宽不等厚Halbach轴向环形部分分段永磁体阵列4的外侧产生更高的磁场强度。

本发明的轨道车辆用独立轮牵引轮毂电机，不等宽不等厚Halbach轴向环形部分分段永磁同步电机每极下主磁极轴向环形部分分段，边界磁极不等宽且不等厚。在等宽等厚Halbach结构的基础上，采用不等宽不等厚Halbach轴向环形部分分段结构降低了负载气隙磁密THD、永磁体涡流损耗以及电磁转矩波动，使得不等宽不等厚Halbach轴向环形部分分段永磁体阵列外侧的气隙磁场分布更接近正弦分布，如图4、图5、图6所示。不等宽不等厚Halbach轴向环形部分分段永磁体阵列4的永磁体的优选设置方式在控制不等宽不等厚Halbach轴向环形部分分段永磁体阵列4设置成本的基础上进一步减小了气隙磁场畸变和转矩波动，保证了电机的平稳运行。

最后说明的是，以上所述为本发明的优选实施方式，尽管通过上述优选实施例，已经对本发明进行了详细的说明，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种改变，而不偏离本发明的权利要求书所要求的的范围。

Claims (5)

1.一种轨道车辆用独立轮牵引轮毂电机，其特征在于，包括定子、转子、不等宽不等厚Halbach轴向环形部分分段永磁体阵列、转轴和电枢绕组；转子安装于定子内，并且转子固定在转轴上，不等宽不等厚Halbach轴向环形部分分段永磁体阵列安装在所述转子上且位于所述转子与所述定子之间，电枢绕组安装在所述定子上，不等宽不等厚Halbach轴向环形部分分段永磁体阵列的每个磁极由≥3的奇数块极性相同的永磁体组成，永磁体采用Halbach充磁方式，每极下永磁体包括一块主磁极和两块边界磁极，主磁极采用轴向环形部分分段结构，边界磁极固定在主磁极的两侧，同时边界磁极与主磁极既不等宽也不等厚。

2.根据权利要求1所述的轨道车辆用独立轮牵引轮毂电机，其特征在于，所述边界磁极的厚度为主磁极厚度的一半，一块边界磁极的圆心角为8°，主磁极采用轴向环形部分分段结构，轴向部分分段深度为电机轴向长度的1/3，环形结构宽度为主磁极厚度的1/2，长度的圆心角为每极极弧宽度的1/3。

3.根据权利要求1所述的轨道车辆用独立轮牵引轮毂电机，其特征在于，所述不等宽不等厚Halbach轴向环形部分分段永磁体阵列每极下的主磁极均匀贴装在所述转子的表面，边界磁极固定在主磁极的两侧。

4.根据权利要求1所述的轨道车辆用独立轮牵引轮毂电机，其特征在于，所述不等宽不等厚Halbach轴向环形部分分段永磁体阵列有4对极，定子上有9个电枢线槽。

5.根据权利要求1所述的轨道车辆用独立轮牵引轮毂电机，其特征在于，所述不等宽不等厚Halbach轴向环形部分分段永磁体阵列中每极有3块永磁体，相邻永磁体的充磁夹角为50°，相邻磁极之间有极间间隔。

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