CN112671192B - 一种汽车用磁齿轮永磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽车用磁齿轮永磁电机，包括定子、外转子和内转子；定子上设置有12个电枢齿，电枢齿上设置有定子绕组，定子绕组共有六相；电枢齿的末端部设置有梳形槽，梳形槽与所在电枢齿同侧的极靴边缘平行；外转子一侧均布有10个外扇形凸极，每个外扇形凸极内隔相同的距离设置有外扇形凸极盆形槽；内转子一侧设置有10个内扇形凸极，每个内扇形凸极内隔相同的距离设置有内扇形凸极盆形槽；内转子上有12个内转子齿，每个内转子齿上都有内转子绕组，内转子绕组共有六相；每个外扇形凸极内有两个永磁体，且充磁方向相同；内转子内有12个永磁体，均为切向充磁。本发明能够有效提高电机的空间利用率，提高电机的输出转矩，降低了电机的转矩脉动。

Description

一种汽车用磁齿轮永磁电机

技术领域

本发明属于低速大转矩传动电机领域，具体涉及一种汽车用磁齿轮永磁电机。

背景技术

传统的传动系统一般是机械齿轮传动，机械齿轮属于直接接触式传动，在运行过程中，会出现断齿、磨损、摩擦以及润滑等问题，维护成本高，产生的噪声和润滑油泄露也会造成严重的污染。

磁齿轮永磁电机能够实现无接触式传动，具有无摩擦、无磨损以及无需润滑等优点。运行时，磁齿轮电机具有较高的功率密度、转矩密度和低速大转矩的特性，已经广泛地应用于汽车、机器人等领域。

早期的磁齿轮结构与机械齿轮非常相似，用小的驱动轮带动大的从动轮运行，但每一时刻只有一对永磁体相互作用，因此永磁体的利用率很低，实用性不强。随着磁齿轮电机的发展，有人提出一种新型磁齿轮结构，其主要原理在于调节两转子上的磁场，使调制磁场相互作用，从而达到主动轮带动从动轮运行的目的。由于稀土永磁材料的出现，磁齿轮电机的工作效率有了明显的提升，但还存在着转矩波动大、永磁体易脱落等问题。

如中国专利号201711308185.2提出了一种磁齿轮复合电机的新型结构，该电机在定子上开槽，槽内绕制电枢绕组，在槽的端部嵌有径向充磁的主永磁体和切向开槽的辅助永磁体，在提高了转矩密度的同时，还有效地解决了磁漏的问题。但同样面临着永磁体不易固定、永磁体利用率低的问题。

因此，提高永磁体的利用率，提高磁齿轮电机的效率，减少永磁体的用量是磁齿轮电机正在面临的问题。

发明内容

针对现有技术上的不足，现提出一种汽车用磁齿轮永磁电机，其目的在于，通过在外转子和定子上开槽、永磁体内置在内转子内的结构，实现降低转矩脉动的目的，同时还能够减小电机运行过程中的振动、噪声，缓解永磁体不易固定的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种汽车用磁齿轮永磁电机，其结构包括基座、定子、外转子和内转子，定子上设置有电枢齿，电枢齿上设置定子绕组，相隔180°机械角度的定子绕组串联为一相，定子绕组共分为六相；在电枢齿的末端部设置有梳形槽，每个电枢齿上梳形槽的数目均为4-8，且成对称分布，每个电枢齿的中轴线附近不设置梳形槽，梳形槽与所在电枢齿同侧的极靴边缘平行。

所述的外转子包含外扇形凸极、内扇形凸极和转子套，外扇形凸极和内扇形凸极在朝向转子套的一侧均成燕尾形嵌入转子套中。

进一步地，在外扇形凸极内隔相同的距离设置有外扇形凸极盆形槽，外扇形凸极盆形槽由三段气隙组成，2-4个同心的外扇形凸极盆形槽组成一组外扇形凸极盆形槽，每个外扇形凸极内有一组外扇形凸极盆形槽；设外扇形凸极盆形槽的三段气隙分别为底边气隙N₁、左侧边气隙N₂和右侧边气隙N₃，左侧边气隙N₂和右侧边气隙N₃与底边气隙N₁的夹角为90°-180°。

进一步地，在内扇形凸极内隔相同的距离设置有内扇形凸极盆形槽，内扇形凸极盆形槽由三段气隙组成，1-2个同心的内扇形凸极盆形槽组成一组内扇形凸极盆形槽，每个内扇形凸极内有一组内扇形凸极盆形槽，内扇形凸极盆形槽的三段气隙分别为底边气隙W₁、左侧边气隙W₂和右侧边气隙W₃，内扇形凸极盆形槽的左侧边气隙W₂和右侧边气隙W₃与底边气隙W₁的夹角为90°-180°。

进一步地，在内转子上有12个内转子齿，每个内转子齿上设置有内转子绕组，相隔180°机械角度的两个内转子齿上的内转子绕组串联为一相，内转子绕组共有六相。

进一步地，每个外扇形凸极中心线上均有两个永磁体，且分别位于底边气隙N₁的两侧，同一个外扇形凸极内的两个永磁体的充磁方向相同，相邻的两个外扇形凸极内的四个永磁体的充磁方向相反；在内转子内有12个永磁体，均为切向充磁，相邻的两个永磁体充磁方向相反，该12个永磁体均布在内转子轭内，且位于内转子槽中心线上。

进一步地，上述的一种汽车用磁齿轮永磁电机的一种应用，固定定子，内转子产生转矩，外转子作为转矩输出端，实现内外转子运动方向相同的一种转矩和转速传输变换的装置。具体工作方式为：内转子绕组通电产生的电磁转矩驱动内转子旋转，内转子在旋转的过程中，内转子永磁体在外转子内形成调制磁场，与外转子永磁体形成的磁场相互作用，从而达到驱动外转子运动的目的。

总体而言，本发明的技术方案与现有的技术条件相比，具有以下有益效果：

（1）本发明提供的一种汽车用磁齿轮永磁电机，通过在外转子上设置盆形槽的结构，在外转子内设置气隙磁障，从而达到了限制磁通路径的目的，使磁力线不能在外转子内随意作用。同时梳形槽还能够减小外转子与定子之间的交轴磁通，能够允许直轴上有更大的磁通通过。

（2）本发明提供的一种汽车用磁齿轮永磁电机，通过在定子上开梳形槽的结构，增大了开槽区域相应的气隙磁阻，使得本应从该区域垂直进入外转子的磁力线朝着磁阻更小的方向运动，将原本的径向磁通分解到径向和切向两个分量上。通过定子齿的开槽结构能够降低定子和外转子之间的径向磁密，增大了切向磁密，降低了造成电机振动的有效径向力，从而减轻了电机在运行过程中造成的振动和噪声，同时减轻了电机的质量，提高电机的空间利用率。

附图说明

为了更清晰地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例作出如下附图作简单的介绍：

图1为本发明实施例提供的一种汽车用磁齿轮永磁电机装置示意图；

图2为本发明实施例提供的定子示意图；

图3为本发明实施例提供的外转子示意图；

图4为本发明实施例提供的定子梳形槽局部示意图；

图5为本发明实施例提供的外转子盆形槽局部示意图；

在所有的附图中，相同的标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1为定子，2为外扇形凸极，3为转子套，4为外扇形凸极永磁体，5为内扇形凸极；

6为内转子，7为定子绕组，8为转轴，9为内转子绕组，10为内转子永磁体；

11为梳形槽开槽区，12为梳形槽未开槽区，13为盆形槽底边气隙；

14为盆形槽右侧边气隙，15为盆形槽未开槽区，16为盆形槽左侧边气隙。

具体实施方式

以下结合具体实施例，更清楚、完整地描述本发明的目的、技术方案以及优点。所描述的实施例仅是应用本发明的一个实施例，并非全部的实施例。

如图1所示，一种汽车用磁齿轮永磁电机，包括基座、定子1、外转子和内转子6，所述定子1安装在基座内，定子1上设置有电枢齿，共有12个电枢齿，电枢齿上设置定子绕组7，每个电枢齿上都设置定子绕组7，相隔180°机械角度的两个定子绕组7串联为一相，定子绕组分为六相。

电枢齿的末端部开梳形槽，每个电枢齿上都有梳形槽，数目均为8，且成对称分布，每个电枢齿的中轴线附近不开槽，梳形槽与所在电枢齿同侧的极靴边缘平行。通过开梳形槽的方式，改变了进入外转子的磁力线的方向，由未开槽时的垂直进入变为开槽时的倾斜进入，从而改变了定子与外转子之间气隙磁密，减小了径向磁密，从而减小了电机振动的有效径向力，降低了电机运行时的振动。

所述的外转子包含外扇形凸极、内扇形凸极和转子套，外扇形凸极和内扇形凸极朝向转子套的一侧均成燕尾形嵌入转子套中。

所述的外转子上共有十个外扇形凸极，在每个外扇形凸极内隔相同的距离设置有外扇形凸极盆形槽，每个外扇形凸极盆形槽均由三段气隙组成，设外扇形凸极盆形槽左侧边气隙为N₂、右侧边气隙为N₃和底边气隙为N₁，外扇形凸极盆形槽的左侧边气隙N₂和右侧边气隙N₃与底边气隙N₁的夹角为135°；两个同心的外扇形凸极盆形槽组成一组外扇形凸极盆形槽，每个外扇形凸极内有一组外扇形凸极盆形槽。通过在外扇形凸极内开槽的方式，改变了外扇形凸极内磁力线的走向，使外扇形凸极内的磁力线只能分布在既定的路径上，从而增大了未开槽部分的磁势，从而增大了与调制磁场作用时的作用力。

所述的外转子上共有十个内扇形凸极，在每个内扇形凸极内设置有内扇形凸极盆形槽，每个内扇形凸极盆形槽均由三段气隙组成，设内扇形凸极左侧边气隙为W₂、右侧边气隙为W₃和底边气隙W₁，内扇形凸极盆形槽的左侧边气隙W₂和右侧边气隙W₃与底边气隙W₁的夹角为100°，每个内扇形凸极内有一个内扇形凸极盆形槽。一个外扇形凸极对应一个内扇形凸极，一个外扇形凸极和一个内扇形凸极组成一对扇形凸极，十个外扇形凸极和十个内扇形凸极共组成十对扇形凸极，每对扇形凸极之间用非铁磁材料连接，一个外扇形凸极和它所对的内扇形凸极之间用硅钢片叠压而成的铁磁材料连接，用于形成调制磁场。非铁磁材料向外延伸与端盖连接，用于连接输出轴输出转矩。

所述的内转子有硅钢片叠压而成，内转子共有12个内转子齿，每个内转子齿上都有内转子绕组，相隔180°机械角度的两个内转子齿上的内转子绕组串联为一相，内转子绕组共有六相。

每个外扇形凸极中心线上有两个充磁方向相同永磁体，分别置于盆形槽底边气隙N₁ 的两侧，且均为切向充磁，相邻的两个外扇形凸极内的四个永磁体的充磁方向相反。每个外扇形凸极与和它临近的两个定子齿形成磁通回路。内转子上共有12个永磁体，每个内转子永磁体与和它临近的两个内转子齿形成磁通回路。

在本实施例中，内转子永磁体的极对数为P₁，外转子永磁体的极对数为P₂，转子套上铁磁材料块数为P₃，三者满足下式：

P₁₊ P₂₌ P₃（1）;

本发明提供的一种车用磁齿轮永磁电机在本实施例中的工作原理如下：

当内转子绕组通入电流后，电机绕组产生的电磁转矩驱动内转子旋转，旋转的内转子在外转子的转子套的作用下，使得内转子磁极的极对数P₁、外转子磁极的极对数P₂和外转子上转子套铁磁材料块数P₃满足公式（1），形成磁齿轮效应，内转子上的电磁转矩，通过磁齿轮效应，传递到外转子上，最终带动负载的旋转，实现转矩传递。

以上实施例仅代表应用本发明的一个实施例，并不限制本发明的应用，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种汽车用磁齿轮永磁电机，其特征是，包括基座、定子、外转子和内转子；

在所述基座内安装定子，定子上均匀设置有12个电枢齿，电枢齿上设置有定子绕组，相隔180°机械角度的两个定子绕组串联为一相，定子绕组共分为六相；

电枢齿的末端部设置有梳形槽，每个电枢齿上梳形槽的数目为4-8，且成对称分布；每个电枢齿的中轴线附近不设置梳形槽，梳形槽与所在电枢齿同侧的极靴边缘平行；

所述的外转子包含外扇形凸极、内扇形凸极和转子套，外扇形凸极和内扇形凸极朝向转子套的一侧均成燕尾形嵌入转子套中；

在外转子一侧圆周均布有10个外扇形凸极，在外扇形凸极内隔相同的距离设置有外扇形凸极盆形槽，外扇形凸极盆形槽由三段气隙组成，2-4个同心的外扇形凸极盆形槽组成一组外扇形凸极盆形槽，每个外扇形凸极内有一组外扇形凸极盆形槽；设外扇形凸极盆形槽的三段气隙分别为底边气隙 N₁、左侧边气隙N₂和右侧边气隙N₃，左侧边气隙N₂和右侧边气隙N₃与底边气隙N₁的夹角为90°-180°；

在内转子一侧圆周均布有10个内扇形凸极，内扇形凸极内隔相同的距离设置有内扇形凸极盆形槽，内扇形凸极盆形槽由三段气隙组成，1-2个同心的内扇形凸极盆形槽组成一组内扇形凸极盆形槽，每个内扇形凸极内有一组内扇形凸极盆形槽，内扇形凸极盆形槽的三段气隙分别为底边气隙W₁、左侧边气隙W₂和右侧边气隙W₃，内扇形凸极盆形槽的左侧边气隙W₂和右侧边气隙W₃与底边气隙W₁的夹角为90°-180°；

所述的内转子有12个内转子齿，每个内转子齿上有内转子绕组，相隔180°机械角度的两个内转子齿上的内转子绕组串联为一相，内转子绕组共有六相。

2.如权利要求1所述的一种汽车用磁齿轮永磁电机，其特征在于：每个外扇形凸极中心线上有两个永磁体，且分别位于底边气隙N₁的两侧，同一个外扇形凸极内的两个永磁体的充磁方向相同，相邻的两个外扇形凸极内的四个永磁体的充磁方向相反；

内转子有12个永磁体，均为切向充磁，相邻的两个永磁体充磁方向相反，该12个永磁体均布在内转子轭内，且位于内转子槽中心线上。

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