CN113162350A - 高扭矩电动机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高扭矩电动机，包括定子，定子的外表面和内表面是齿块以及缠绕在每个齿块或者定子磁路背面的线圈绕组，定子悬臂固定在轮毂上，轮毂固定在固定轴上两个轴承支撑件的中间，固定轴固定在车架上用作电动机转子的旋转中心；内转子位于定子的内圆周侧且悬臂固定在端面支撑盖板上，端面支撑盖板箍住轴承组件，轴承组件固定在固定轴上；与单转子电动机相比，本发明的高扭矩电动机定子上铜绕组的体积和重量既可以与单转子电动机相当，也可以增大到它的两倍，磁体的体积和厚度可以与单转子电动机中磁体的体积和厚度相当或者是它的两倍，与单转子电动机相比，可以提高电动机的扭矩，本发明高力矩电动机的平均比扭矩提高60％～70％。

Description

高扭矩电动机

技术领域

本发明涉及电动机技术领域，具体说涉及一种高扭矩电动机。

背景技术

随着清洁能源的不断发展，高扭矩电动机越来越受到人们的重视。现有的电动机由于高次谐波而引起功率损耗，从而导致电动机转矩低，应用范围受限。

因此，有必要提供一种应用范围广并且扭矩高的电动机。

新型永磁电机得到广泛应用的主要前提条件是：

——高比能稀土永磁体成本下降的趋势；

——可靠的半导体整流电路和逆变电路以及高速工业微控制器得到广泛应用，从而可以实现对阀门机械的实时有效控制；

——出现价格相对便宜、比容量高达200瓦·小时/千克的蓄电池，可以制造配备机动轮的轻型电动汽车。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种高扭矩双转子电动机。

为了实现上述目的中的部分或全部或者其他目的，本发明提供了一种高扭矩电动机，其包括：

定子磁路，通过高磁导率材料制成，所述定子磁路由多个定子齿块组成，并在所述定子磁路上设有多相线圈绕组，所述线圈绕组中每一个线圈均缠绕在单独的所述定子齿块上；或者，所述线圈绕组中每一个线圈缠绕在所述定子磁路的背面；一个相组中的多个线圈反向相连；

转子，包括两个转子，所述转子的磁极使用固定在其表面的转子永磁体，朝向所述定子齿块，且具有交替极性，所述转子的铁芯使用高磁导率的材料制成并且相互固定连接；

支撑盖板，能够相对于所述定子旋转，所述支撑盖板从不同方向箍住轴承组件，所述轴承组件固定在作为旋转中心的固定轴上；

所述定子齿块设置在所述铁芯上，或者支撑在隔离器上，再或者通过定子磁路的背面连接，而所述线圈绕组由λ个串联的线圈组成；一个定子线圈绕组中线圈的数量λ为正整数；同相线圈绕组的数量d、定子齿块的数量Z和永磁体转子极对数p之间的关系如下：

1<Z/p<4；

同时，Z/p≠2，并且

p/d＝k；

式中：k为正整数，或者与正整数相差0.5；同时，每极每相的凹槽数q接近1/3，

但永远不等于这个数。

可选地，当d>1时，电枢绕组的同相线圈组串联连接。

可选地，当d>1时，电枢绕组的同相线圈组并联连接。

可选地，所述定子磁路两个转子形成的磁场方向一致，磁场穿过定子；或者，所述定子磁路两个转子形成的磁场方向相反，磁场经所述定子磁路的背部闭合。

本发明实施例的有益效果是：

与单转子电动机相比，安装两个转子，电动机就有两个气隙、两个转子，而定子上线圈绕组的体积和重量既可以与单转子电动机相当，也可以提高到它的两倍，因为与单转子电动机的设计不同的是，在保持定子磁路的齿块数量相当的前提下，可以增大双转子电动机凹槽的面积，这样可以提高马达的功率、额定转矩并且为定子绕组的冷却创造更佳条件，因为与单转子电动机一样，在线圈绕组的重量相当的前提下，凹槽中电流容量下降一半，同时转子活性钢的重量增大41％。

在磁体其他尺寸相当的前提下，磁体的体积和厚度既可以与单转子电动机中磁体的体积和厚度相当，在其他尺寸相当的前提下，也可以将厚度增大一倍。与单转子电动机相比，可以提高电动机的扭矩。本发明所述高力矩电动机的比扭矩更高，与单转子电动机相比，平均比扭矩可以提高60％～70％。

通过优化设计定子的新结构、凹槽形状和提高电动机定子凹槽的填充系数，并且由于本发明所提供的电流负荷增大了，在保持定子组件镗孔外径的同时，可以增加线圈绕组的体积。这样可以在不降低整体能效的同时，提高电动机的功率，因为当线圈绕组的匝数增加时，绕组的电流密度下降，从而减少加热时的能量损失。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面将对说明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，下面的描述仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来说，无需付出创造性就能根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明的高扭矩电动机的立体图；

图2为图1所示高扭矩电动机的分解图；

图3为图2所示分解图中定子、内转子和外转子的部分结构分解图；

图4为图3所示定子、内转子和外转子的其余部分分解图；

图5为定子、内转子和外转子实施例的端面视图；

图6为图5中A处的放大图；

图7为高扭矩电动机的电机盖板一种实施例的示意图；

图8为高扭矩电动机轮毂实施例的示意图；

图9为根据本发明的高扭矩电动机第二种实施例的分解图；

图10为图9所示定子、内转子和外转子实施例的部分构造分解图；

图11为定子磁路第一种实施方式的示意图；

图12为定子磁路第二种实施方式的示意图；

图13为气隙中磁感应强度与永磁体高度的关系曲线；

图14为定子磁路第一种实施方式对应的电动机磁力线分布图；

图15为定子磁路第二种实施方式对应的电动机磁力线分布图；

图16为电动机性能的波形图；

图17为当转速为400转/分钟、IGBT桥键自然环流且由48伏电池给电动机供电时的计算波形图。

附图中：1-定子组件；11-隔离器环；12-定子齿块；13-定位销；2-内转子；21-内转子永磁体；22-转子环状内轭；3-外转子；31-外转子永磁体；32-转子环状外轭；33-电机盖板；331-车槽；332-第一螺纹孔；333-第二螺纹孔；334-盖板本体；4-固定轴；5-线圈绕组；6-轴承组件；7-轮毂；71-轮毂芯；72-轮毂底座；73-通风孔；74-环形孔；75-环形固定孔；8-轮圈。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清晰、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，如果本发明实施例中出现了方位指示(如上、下、左、右、前、后等)，方位指示仅用于解释其在某个位置(根据附图)。如下所示)，元件之间的相对位置关系、运动等，如果具体位置发生变化，则方向指示也做相应变化。

另外，在本发明实施例中如涉及“第一”、“第二”等的描述，则涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或者后果。其相对重要性或者间接说明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”和“第二”的功能可以明示或者隐含地包括至少一种该功能。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或者无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

图1为本发明的高扭矩电动机的立体图，图2为图1中高扭矩电动机的分解图，图3为图2所示分解图中定子、内转子和外转子的部分结构分解图，图4为图3所示定子、内转子和外转子的其余部分分解图，参照图1至4，高扭矩电动机包括：定子组件1、内转子2和外转子3，固定轴4被用作与机动脚踏两用车的车架固定的轴，外转子3和内转子2相互固定，并且可以围绕悬臂固定在轮毂7上的固定定子组件1旋转，形成双转子电动机的一体化结构。定子组件1包括：隔离器环11，隔离器环11格子中的多块定子齿块12。定子齿块12与凹槽交替布置。在内转子2的外表面上设置有内转子永磁体21，这些永磁体具有交替极性，并与设置在外转子3的内表面上的外转子永磁体31的极性一致。

隔离器环11是一种镰刀形的一体化结构，用于通过轮毂7将定子组件1与固定轴4紧固，镰刀形隔离器11的另一端通过数组定位销13连接，而定位销13具有限动杆(凹槽槽楔)的作用，该限动杆可防止导线从凹槽中脱落。组装过程中，将隔离器环11插入定子的相邻定子齿块12之间，插入凹槽极窄的槽口中，以确保正面部分所需空间，将定子组件1的叠置薄板与组件夹紧并进行固定。

缠绕线匝绕组5时，既可以将导线缠到定子组件1的每一块定子齿块12上，在另一种实施例中，也可以缠到定子组件1的磁路背面。这样可以使定子齿块12和线圈绕组5的结构更加紧凑，空间利用率更高。

高扭矩电动机还包括轴承组件6、固定轴4、轮圈8和轮毂7。内转子2和外转子3借助端面盖板33相连，并可绕着定子组件1旋转。电动机两侧均配备有电机盖板33，且电机盖板33通过螺钉与外转子3和内转子2固定，同时起到壳体和保护盖的作用，支撑在轴承组件6上。轮圈8与外转子3相连，固定轴4则通过端面盖板33与内转子2和外转子3相连。端面盖板33通过安装在固定轴4上的轴承组件6可以围绕轴4旋转。端面盖板33和轮圈8形成一个密闭的内部保护空间，里面设置有定子组件1、轮毂7、内转子2和外转子3以及设置在内转子2和外转子3表面的永磁体。

图5为定子、内转子和外转子实施例的端面视图，图6为图5中A处的放大图，参考图5和图6，环形内转子2的转子环状内轭22，内转子2的外表面设置有内转子永磁体21，外转子的内表面32上设有内转子永磁体21。

图7为高扭矩电动机的电机盖板一种实施例的示意图，参照图7，车槽331用于安装轴承组件6，电机盖板33用作保护盖，可形成电动机壳体，以及外转子3和内转子2的紧固件及其在轴承组件6上的支撑。为了固定转子，设置了多个用于安装固定内转子的第一螺纹孔332，以及多个用于安装固定外转子的第二螺纹孔333。第一螺纹孔332用于安装和连接内转子2，而第二螺纹孔333可用于安装和连接外转子3。

图8为高扭矩电动机轮毂的实施例示意图，参照图8，轮毂7用于悬臂固定图4所示的定子组件1，轮毂7总体呈圆盘形结构，轮毂底座72用于固定到固定轴4上，交替设置的环形孔74用作安装孔，用于引出绕组线圈、转子位置传感器的导线以及各相导线的端头。通风孔73用于减轻轮毂7的重量和确保电动机内部空气循环。轮毂芯71为环形槽结构。

图9为本发明高力矩电动机第二种实施例的分解图，图10为图9所示定子、内转子和外转子实施例的部分结构分解图，图11为定子磁路第一种实施方式的示意图，图12为定子磁路第二种实施方式的示意图，参考图9至图12，高扭矩电动机包括定子1、内转子2和外转子3。与第一种实施例相比，定子组件的组装特点在于，穿过磁路背面交替设置的环形固定孔75插入细长螺钉，通过螺纹连接施力，将定子的叠置薄片与定子组件夹紧。第二种实施例的定子1强度很好，更易于制造。紧固螺钉与定子磁路片隔离。螺钉同样用于将定子组件1与轮毂7进行悬臂固定。除此之外，将电动机的所有部分装配成一个整体，使用的方法与前面介绍的第一种结构方案的电动机相同。

定子组件1由薄片叠置而成，由多个交替设置的凹槽和磁路齿块和多相线圈绕组组成，其中每个线圈均缠绕在单独的定子齿块上(如图11)，或者在另一种情况下缠绕在定子磁路的背面(如图12)，一个相组中的多个线圈反向相连，而一个线圈组则由λ个串联的线圈组成。

为了避免电动机出现“粘连”的可能性，必须使用下面所列比率。

一个定子线圈组中线圈的数量λ＝2、3、4、5、6……为正整数，通常大于或等于2。同相线圈组的数量d、定子齿块的数量Z和永磁体转子极对数p之间的关系如下，可防止电动机“粘连”：

1<Z/p<4，(1)

同时，Z/p≠2，并且

p/d＝k，(2)

式中：k＝1、1.5、2、2.5、3、3.5…为正整数，或者与正整数相差0.5。同时，每极和每相的凹槽数q接近1/3，但永远不等于这个数。

当同相线圈组的数量d>1时，同相绕组可以串联连接或并联连接。

这种设计采用了径向设置永磁体，因为这些结构形式比定子外径超过180～200毫米的其他结构形式的高力矩电动机具有更多优势。

双转子电动机磁钢的体积和厚度可以等于单转子电动机磁钢的体积和厚度或者是它的两倍。当磁钢的体积和厚度增大一倍，铜绕组的容量相同，并且定子齿块上的线圈相同时，可以增大磁通量并提高电动机功率。同样地，当铜绕组的容量增大，但磁钢的体积等量时，可以提高电动机功率。同时，双转子电动机与单转子电动机在外形尺寸和效率上可以相提并论，尺寸和能效具有可比性。

一个重要的特性是主要由定子呈齿形以及转子永磁体之间的绝缘间隙所引起的电阻的“固有”力矩。将永磁体做成斜面是一种有效降低固有力矩的方法。为了在负载电流为零的情况下最大限度地减小马达的“固有”力矩，必须对外永磁体和内永磁体的斜面大小进行优化。最理想的方案是使转子外电感器和内电感器磁铁的斜面分别与定子外侧和内侧凹槽的槽孔宽度近似。

与磁铁无斜面的电动机相比，固有电阻的扭矩减小22.5％。最大磁通匝链数仅减小4％。

直流电动机中的永磁体用于产生恒定的磁通量。恒定的磁通量与定子场相互作用后形成一个转矩，电动机产生机械功率。随着磁钢容量的增大，电动机的能量、质量尺寸和动力指标也随之增大，因为随着永磁体的厚度增大，永磁体产生的磁通量也随之增大。图13为气隙中电磁感应强度与永磁体高度的关系曲线，参考图13，当永磁体的高度从1.5毫米增加到5.5毫米时，磁感应强度会提高62％。

转子位置传感器的设置与单转子电动机中转子位置传感器的设置类似。由于电枢反应磁场集中在铁芯中，并且每一个铁芯都由一个单独的线圈覆盖，因此可以将其设置在主磁系统的外部气隙中。此外，铁芯之间的空间中凹槽散射场的磁力线两次通过凹槽。凹槽散射场集中在凹槽的槽孔部分。凹槽散射场与凹槽的轴线垂直，与霍尔传感器的最小灵敏度方向一致。因此，传感器几乎不会对凹槽散射场做出反应，从而为可靠工作和平稳旋转提供了条件。还可以将转子位置传感器设置在内部气隙中，也可以同时将传感器设置在两个气隙中，相互错开180度，这样可以更准确地确定转子的位置。

与现有的单转子电动机相比，在磁钢增大一倍并保留其他参数和尺寸的前提下，本发明提供的双转子电动机的扭矩更高。平均比扭矩高出60％～70％，而额定效率至少达到85％。图14为定子磁路第一种实施方式对应的电动机磁力线分布图，图15为定子磁路第二种实施方式对应的电动机磁力线分布图，参考图14和图15，本发明还可以提高具有两个转子电感器的电动机的总气隙，使得磁力线可以两次穿过气隙和定子铁芯之间(穿过两个气隙)，从而提高电动机效率并节省电池电量。

为了说明电动机的性能，图16示出了电动机性能的波形图，图17为当转速为400转/分钟、IGBT桥键自然环流且由48伏电池给电动机供电时的计算波形图。

上述实施例的不同技术特性可以自由组合。为了简化描述，没有描述上述实施例中各种技术性能的所有可能的组合。但是，只要在这些技术性能的组合中没有冲突，就不会描述所有可能的组合，并且应将其视为在本规范的框架之内。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种高扭矩电动机，其特征在于，包括：

定子磁路，通过高磁导率材料制成，所述定子磁路由多个定子齿块组成，并在所述定子磁路上设有多相线圈绕组，所述线圈绕组中每一个线圈均缠绕在单独的所述定子齿块上；或者，所述线圈绕组中每一个线圈缠绕在所述定子磁路的背面；一个相组中的多个线圈反向相连；

转子，包括两个转子，所述转子的磁极使用固定在其表面的转子永磁体，朝向所述定子齿块，且具有交替极性，所述转子的铁芯使用高磁导率的材料制成并且相互固定连接；

支撑盖板，能够相对于所述定子旋转，所述支撑盖板从不同方向箍住轴承组件，所述轴承组件固定在作为旋转中心的固定轴上；

所述定子齿块设置在所述铁芯上，或者支撑在隔离器上，再或者通过定子磁路的背面连接，而所述线圈绕组由λ个串联的线圈组成；一个定子线圈绕组中线圈的数量λ为正整数；同相线圈绕组的数量d、定子齿块的数量Z和永磁体转子极对数p之间的关系如下：

1<Z/p<4；

同时，Z/p≠2，并且

p/d＝k；

式中：k为正整数，或者与正整数相差0.5；同时，每极每相的凹槽数q接近1/3，但永远不等于这个数。

2.根据权利要求1所述的高扭矩电动机，其特征在于，当d>1时，电枢绕组的同相线圈组串联连接。

3.根据权利要求1所述的高扭矩电动机，其特征在于，当d>1时，电枢绕组的同相线圈组并联连接。

4.根据权利要求1所述的高扭矩电动机，其特征在于，所述定子磁路两个转子形成的磁场方向一致，磁场穿过定子；或者，

所述定子磁路两个转子形成的磁场方向相反，磁场经所述定子磁路的背部闭合。

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