CN113922541A - 外转子内置式永磁同步电机 - Google Patents

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CN113922541A CN202111232198.2A CN202111232198A CN113922541A CN 113922541 A CN113922541 A CN 113922541A CN 202111232198 A CN202111232198 A CN 202111232198A CN 113922541 A CN113922541 A CN 113922541A
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Abstract

一种外转子内置式永磁同步电机，涉及电机技术领域，该电机包括机座，及分别安装在机座上的内定子、外转子，所述外转子内置有对称布设的多个永磁单元，所述永磁单元包括V型磁钢组或双层一字磁钢组；所述V型磁钢组由两个V形布设的一字型磁钢构成，并且在每个磁钢的近q轴端设置有隔磁槽，所述双层一字磁钢组由沿外转子的径向由内至外间隔布设的两个一字型磁钢构成，并且每个磁钢的两端都设置有隔磁槽。本发明提供的电机，弱磁扩速能力好。

Description

外转子内置式永磁同步电机
技术领域
本发明涉及电机技术，特别是涉及一种外转子内置式永磁同步电机的技术。
背景技术
外转子电机气隙直径比内转子电机大，具有更大的输出转矩和转动惯量，力矩波动较小，适合低速、大转矩和直接驱动场合的应用。
如图7所示，现有外转子电机都是表面安装式永磁同步电机（SPMSM），主要由内定子72，及环形的外转子71组成，内定子位于外转子的环孔内，内定子与外转子为间隙配合，在外转子71的内环面均布有径向向内突出的表贴式瓦型磁钢73，这种表面安装式外转子永磁同步电机由于永磁体的磁导率接近空气，交、直轴气隙均匀，交、直轴电感相等（Ld=Lq），属于隐极磁路，不产生磁阻转矩，而且由于等效气隙较大，难以解决弱磁扩速，必须在定子绕组中通入很大的直轴电流，达到弱磁扩速的目的，这种方法会减小转矩，增加定子损耗，降低驱动系统效率，并可能导致永磁体不可逆退磁危险，弱磁扩速能力差是阻碍SPMSM发展的根本原因。
发明内容
针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种弱磁扩速能力好的外转子内置式永磁同步电机。
为了解决上述技术问题，本发明所提供的一种外转子内置式永磁同步电机，包括机座、内定子，及环形的外转子，所述外转子以可转动方式安装在机座上，所述内定子固定在机座上，并且内定子位于外转子的环孔内，内定子与外转子为间隙配合，其特征在于：所述外转子内置有多个永磁单元，各个永磁单元围绕外转子的转轴对称布设；所述永磁单元包括V型磁钢组或双层一字磁钢组；
所述V型磁钢组由两个V形布设的一字型磁钢构成，并且在每个磁钢的朝向q轴的一端设置有隔磁槽，V型磁钢组相对d轴对称布设；
所述双层一字磁钢组由两个一字型磁钢构成，两个磁钢沿外转子的径向由内至外间隔布设，并且每个磁钢的两端都设置有隔磁槽，每个磁钢都相对d轴对称布设。
进一步的，所述永磁单元包括V型磁钢组，V型磁钢组在d轴上设置有中部磁障槽。
进一步的，所述永磁单元中包含有两个V型磁钢组，并且两个V型磁钢组沿外转子的径向由内至外间隔布设。
进一步的，所述V型磁钢组中，在每个磁钢的朝向d轴的一端都设置有隔磁槽，并且外侧的V型磁钢组在d轴上设置有梯形的中部磁障槽。
进一步的，所述V型磁钢组在d轴上设置有U形的内侧磁障槽，内侧磁障槽位于中部磁障槽的内侧。
本发明提供的外转子内置式永磁同步电机，外转子采用凸极结构，在外转子上内置V型磁钢组或双层一字磁钢组，使得交轴电感大于直轴电感，具有凸极效应，使得电机在永磁转矩的基础上迭加了磁阻转矩，磁阻转矩的存在有助于弱磁扩速，具有弱磁扩速能力好的特点，能提高电机的起动特性、过载能力和功率密度，扩大恒功率范围运行。进一步在d轴上设置磁障槽，可以增大交直轴电感差值，获得更好的弱磁扩速能力。
附图说明
图1是本发明第一实施例的外转子内置式永磁同步电机的定转子径向截面示意图；
图2是本发明第二实施例的外转子内置式永磁同步电机的转子径向截面示意图；
图3是本发明第三实施例的外转子内置式永磁同步电机的转子径向截面示意图；
图4是本发明第四实施例的外转子内置式永磁同步电机的转子径向截面示意图；
图5是本发明第五实施例的外转子内置式永磁同步电机的转子径向截面示意图；
图6是本发明第六实施例的外转子内置式永磁同步电机的转子径向截面示意图；
图7是现有表面安装式外转子永磁同步电机的定转子径向截面示意图；
图8是现有外转子表贴式永磁同步电机、本发明第一实施例、第五实施例的转矩-转速特性曲线比较图。
具体实施方式
以下结合附图说明对本发明的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围，本发明中的顿号均表示和的关系。
如图1所示，本发明第一实施例所提供的一种外转子内置式永磁同步电机，包括机座（图中未示）、内定子15，及环形的外转子13，所述外转子13以可转动方式安装在机座上，所述内定子15固定在机座上，并且内定子位于外转子的环孔内，内定子与外转子为间隙配合，其特征在于：所述外转子13内置有多个永磁单元，各个永磁单元围绕外转子的转轴对称布设；
所述永磁单元包括一个V型磁钢组，所述V型磁钢组由两个V形布设的一字型磁钢11构成，并且在每个磁钢11的朝向q轴（极间中心线）的一端设置有隔磁槽12，并且在d轴（磁极中心线）上设置有中部磁障槽16，V型磁钢组相对d轴对称布设，V型磁钢组与极靴14构成永磁磁极。
本发明第一实施例适用于电动汽车的动力电机，可以在低速恒转矩、高速恒功率调速范围运行。
本发明第一实施例中，交轴电感大于直轴电感（Lq＞Ld），具有凸极效应，其凸极率（Lq/Ld）＞1，使得电机在永磁转矩的基础上迭加了磁阻转矩，磁阻转矩的存在有助于弱磁扩速，并提高电机的起动特性、过载能力和功率密度，扩大恒功率范围运行，而且在磁钢两端设置的隔磁槽及在d轴上的中部磁障槽能形成空气磁通屏障（磁障），能起到良好隔磁、抑制漏磁通的作用。而现有的外转子表贴式永磁同步电机（SPMSM），由于交轴电感与直轴电感相等（Ld=Lq），不会产生磁阻转矩，因此难以解决弱磁扩速。
如图2所示，本发明第二实施例的结构与第一实施例类似，第二实施例的外转子23上的永磁单元也包括V型磁钢组，V型磁钢组也由两个V形布设的一字型磁钢21构成，并且在每个磁钢21的朝向q轴（极间中心线）的一端设置有隔磁槽22。
第二实施例与第一实施例的区别在于：第二实施例的V型磁钢组中，在d轴（磁极中心线）上未设置中部磁障槽，使得外转子上的位于两个磁钢21的相邻端之间的区域形成导磁桥，该导磁桥在空载时对永磁磁通呈磁路饱和状态，使得永磁磁通难以通过该导磁桥，而在电机负载时，在定子电流作用下，电枢反应的去磁，会使一部分永磁磁通流向磁钢间的导磁桥，成为漏磁通，使通过气隙的磁通密度减少。调节导磁桥的宽度，即可调节导磁桥的磁路饱和程度，从而调控途径导磁桥的永磁磁通（形成漏磁通），调控气隙磁密的降低程度。由于导磁桥能随着负载变化起到调控漏磁通的关键作用，因此能获得比现有表贴式永磁电机更宽广的恒功率速度范围，能实现高功率密度、宽调速、快响应、频繁启动和平稳运行。一方面能调节磁路饱和，调控漏磁通，提供了附加磁通路径，提高了电机高速区恒功率扩速能力，另一方面相当于转子的加强筋，能抗高速离心力，提高过载能力，有利于电机频繁启动。
本发明第二实施例中，V型磁钢组中的两个一字型磁钢21之间的夹角在170度至180度之间，使得两个一字型磁钢21的布设形状接近于一字型，可以降低电机运行时的转矩波动。
如图3所示，本发明第三实施例与第二实施例的区别在于：第三实施例的永磁单元中包含有两个V型磁钢组，并且两个V型磁钢组沿外转子33的径向由内至外间隔布设（朝向内定子一侧为内侧）。
本发明第三实施例的V型磁钢组的结构与第二实施例类似，每个V型磁钢组都由两个V形布设的一字型磁钢31构成，并且在每个磁钢31的朝向q轴（极间中心线）的一端设置有隔磁槽32，在d轴上未设置中部磁障槽，使得外转子上的位于两个磁钢31的相邻端之间的区域形成导磁桥。
本发明第三实施例采用双层V型磁钢组，相对单层V型磁钢组具有更好的聚磁效应，能提高功率密度，降低高速時的铁芯损耗，提高弱磁扩速能力和减少供电逆变器电流。
如图4所示，本发明第四实施例的结构与第三实施例类似，第四实施例的永磁单元中也包含有两个V型磁钢组，并且两个V型磁钢组也沿外转子43的径向由内至外间隔布设（朝向内定子一侧为内侧），每个V型磁钢组都由两个V形布设的一字型磁钢41构成；
第四实施例与第三实施例的区别在于：第四实施例的V型磁钢组中，在每个磁钢41的朝向q轴（极间中心线）的一端及朝向d轴（磁极中心线）的一端都设置有隔磁槽42，并且外侧的V型磁钢组在d轴上设置有梯形的中部磁障槽44，中部磁障槽44用于增加磁阻。
本发明第四实施例相比第三实施例，增加了中部磁障槽，并在磁钢朝向d轴的一端也设置了隔磁槽，交直轴电感相差比第三实施例更大，凸极率和磁阻转矩也更大，由于永磁磁场磁密较低，电枢磁场的弱磁扩速能力更强。
如图5所示，本发明第五实施例的结构与第一实施例类似，第五实施例的外转子53上的永磁单元也包括V型磁钢组，V型磁钢组也由两个V形布设的一字型磁钢51构成，并且在每个磁钢51的朝向q轴（极间中心线）的一端设置有隔磁槽52，并且在d轴（磁极中心线）上设置有中部磁障槽55。
第五实施例与第一实施例的区别在于：第五实施例的V型磁钢组中，在d轴上还设置有U形的内侧磁障槽54，内侧磁障槽54位于中部磁障槽55的内侧，内侧磁障槽54及中部磁障槽55都用于增加磁阻。
本发明第五实施例相比第一实施例，增加了中部磁障槽、内侧磁障槽，交直轴电感相差比第一实施例更大，凸极率和磁阻转矩也更大，由于永磁磁场磁密较低，电枢磁场的弱磁扩速能力更强。
如图6所示，本发明第六实施例与第一实施例的区别在于：第六实施例的永磁单元包括双层一字磁钢组，所述双层一字磁钢组由两个一字型磁钢61构成，两个磁钢61沿外转子63的径向由内至外间隔布设（朝向内定子一侧为内侧），并且每个磁钢61的两端都设置有隔磁槽62，每个磁钢都相对d轴对称布设。
本发明第六实施例采用双层一字磁钢组，能显著增加磁阻转矩，提高电机气隙磁密、凸极率和弱磁扩速能力，减少供电逆变器电流和实现电机小型轻量化，获得比现有外转子表贴式永磁同步电机（SPMSM）更高的转矩密度、功率密度和过载能力，更宽广的恒功率速度范围、满足电动、混合动力汽车驱动要求。
图8是额定功率为6.2KW的现有外转子表贴式永磁同步电机、本发明第一实施例、第五实施例的转矩-转速特性曲线比较图。
图8中的横坐标轴为转速数值轴，纵坐标轴为转矩数值轴，曲线S1为现有外转子表贴式永磁同步电机的转矩-转速特性曲线，曲线S2为本发明第一实施例的转矩-转速特性曲线，曲线S3为本发明第五实施例的转矩-转速特性曲线，Tn为电机额定转矩，Tmax为电机最大转矩，Nn为电机额定转速，额定转速以下为恒转矩区，额定转速以上为恒功率区。
从图8可以看出，本发明第一实施例的最高转速为4250r/min，高于现有外转子表贴式永磁同步电机的最高转速3100r/min，本发明第五实施例的最高转速为5200r/min，是现有外转子表贴式永磁同步电机的1.67倍。

Claims (5)

1.一种外转子内置式永磁同步电机，包括机座、内定子，及环形的外转子，所述外转子以可转动方式安装在机座上，所述内定子固定在机座上，并且内定子位于外转子的环孔内，内定子与外转子为间隙配合，其特征在于：所述外转子内置有多个永磁单元，各个永磁单元围绕外转子的转轴对称布设；所述永磁单元包括V型磁钢组或双层一字磁钢组；
所述V型磁钢组由两个V形布设的一字型磁钢构成，并且在每个磁钢的朝向q轴的一端设置有隔磁槽，V型磁钢组相对d轴对称布设；
所述双层一字磁钢组由两个一字型磁钢构成，两个磁钢沿外转子的径向由内至外间隔布设，并且每个磁钢的两端都设置有隔磁槽，每个磁钢都相对d轴对称布设。
2.根据权利要求1所述的外转子内置式永磁同步电机，其特征在于：所述永磁单元包括V型磁钢组，V型磁钢组在d轴上设置有中部磁障槽。
3.根据权利要求1所述的外转子内置式永磁同步电机，其特征在于：所述永磁单元中包含有两个V型磁钢组，并且两个V型磁钢组沿外转子的径向由内至外间隔布设。
4.根据权利要求3所述的外转子内置式永磁同步电机，其特征在于：所述V型磁钢组中，在每个磁钢的朝向d轴的一端都设置有隔磁槽，并且外侧的V型磁钢组在d轴上设置有梯形的中部磁障槽。
5.根据权利要求2所述的外转子内置式永磁同步电机，其特征在于：所述V型磁钢组在d轴上设置有U形的内侧磁障槽，内侧磁障槽位于中部磁障槽的内侧。
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GB2621951A (en) * 2022-08-23 2024-02-28 Univ Jiangsu More-poles fewer-slots unitized permanent-magnet in-wheel motor and collaborative control system and method thereof

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