CN114243973A - 一种永磁牵引电机及电动轮车 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种永磁牵引电机，永磁同步电机的发热量相对较小，可采用全封闭式结构，通过定子外壳开设的冷却水道实现冷却，防止外界的杂质进入内部降低可靠性；转子铁芯由若干转子冲片层叠形成；转子冲片关于圆心呈中心对称设置若干个磁极区域，每磁极区域对称设置第一磁钢孔和第二磁钢孔，使永磁体呈对称放置，设置外端大内端小的水滴形隔磁孔，隔磁孔分别与第一磁钢孔、第二磁钢孔形成内隔磁桥，通过两个内隔磁桥分担受力，更好地适用于车辆满载的工况，实现力学与电学性能的平衡，在满载下扭矩更大，起动性能更好，并且可实现更快的行驶车速。本发明提供的电动轮车通过永磁电机驱动电动车轮转动实现车辆行走，可以实现相同的技术效果。
Description
技术领域
本发明涉及工程机械领域，更进一步涉及一种永磁牵引电机。此外，本发明还涉及一种电动轮车。
背景技术
钢铁和煤炭是世界经济发展必须的基础材料和能源矿产，其开采、运输工作与矿产资源的高效开发利用息息相关。随着国内外大型露天矿山规模的不断扩大，矿用电动轮自卸车在年开采量1000万吨级以上大型露天矿山的运输设备中起着举足轻重的作用。目前大型电矿用电动轮自卸车作为大型露天矿山的主要运输工具，承担着世界上40％的煤、90％的铁矿的开采运输量。
电动轮自卸车是大型露天矿山的骨干运输工具，也是矿山最大耗能终端，是高排放的源头。电动轮自卸车牵引电机均为异步电机；牵引电机由车载变频器供电，牵引电机将电能转变成机械能，再通过行星轮减速机构将动力传递给主动车轮(通常为后轮)实现动力传递。电动轮自卸车牵引电机安装在轮毂上，通过电机机壳与轮边座套配合，固定在电动轮座套内；电动轮自卸车牵引电机具有较高的发热量，电动轮自卸车异步牵引电机采用强迫风冷，牵引电机配有独立的冷却风机和冷却风路，冷却风由车辆外部吸入，经过过滤后从电机一端进入电机内部，在电机另一端排出至车辆外，电机内部各发热部件产生的热量由贯通电机内部的冷却风带走。
该类牵引电机具有如下设计瓶颈：在电动轮自卸车安装空间与冷却方式的约束下，采用异步牵引电机技术路线很难进一步提升电机运行效率；现电动轮自卸车异步牵引电机功率密度要求很高，解决电机的冷却方式只能采用强迫风冷，该类型冷却方式易导致电机转动时吸入的沙粒，进而会使定子绕组端部线圈的绝缘受损。
对于本领域的技术人员来说，如何进一步提升电机的效率和可靠性，以适应恶劣的工作环境，是目前需要解决的技术问题。
发明内容
本发明提供一种永磁牵引电机，提升电机的效率和可靠性，更好地适用于大型机械，具体方案如下：
一种永磁牵引电机，包括定子外壳和电机转子，所述电机转子包括转轴和转子铁芯，所述转子铁芯由若干转子冲片层叠形成；
所述转子冲片关于圆心呈中心对称设置若干个磁极区域，每个磁极区域包括关于中心轴呈V字型轴对称布置、并相互独立的第一磁钢孔、第二磁钢孔，以及自身关于中心轴呈轴对称设置的隔磁孔；
所述第一磁钢孔和所述第二磁钢孔分别安装永磁体；所述隔磁孔位于所述第一磁钢孔和所述第二磁钢孔的内端之间，所述隔磁孔的外端部圆弧半径大于内端部圆弧半径，两段圆弧之间为两条直线相切，形成外端大内端小的水滴形；所述隔磁孔和所述第一磁钢孔、所述隔磁孔和所述第二磁钢孔分别形成内隔磁桥；
所述定子外壳为全封闭式结构，其内开设用于流通冷却水的冷却水道。
可选地，所述内隔磁桥的两条侧边相互平行。
可选地，所述第一磁钢孔和所述第二磁钢孔形成的夹角内侧关于中心轴呈V字型轴对称布置、并相互独立的第三磁钢孔和第四磁钢孔。
可选地，所述第一磁钢孔、所述第二磁钢孔、第三磁钢孔和第四磁钢孔各自的外端部平行于所述转子冲片的外边缘，并与所述转子冲片的边缘形成外隔磁桥。
可选地，所述第一磁钢孔、所述第二磁钢孔、第三磁钢孔和第四磁钢孔靠内侧的长边凸出设置用于定位卡放永磁体的定位卡块；所述永磁体放置到位后，两端存在间隙。
可选地，所述第三磁钢孔和所述第四磁钢孔的内端之间形成中间隔磁桥。
可选地，所述转子冲片关于圆心呈中心对称设置若干应力调整孔；所述转轴和所述转子冲片采用过盈装配，并通过键连接。
可选地，每个磁极区域对应设置一个所述应力调整孔，所述应力调整孔关于磁极区域的中心轴呈轴对称设置。
可选地，所述应力调整孔的内边缘与外边缘为同心圆弧，所述应力调整孔的侧边为半径线，夹角为圆弧；
所述定子外壳和所述转轴之间采用迷宫密封结构；所述定子外壳与三相引出线之间采用防水葛兰连接。
本发明还提供一种电动轮车，包括上述任一项所述的永磁牵引电机。
本发明提供一种永磁牵引电机，永磁同步电机的发热量相对较小，可采用全封闭式结构，通过定子外壳开设的冷却水道实现冷却，从而防止外界的杂质进入电机内部降低使用可靠性；永磁电机的转子铁芯由若干转子冲片层叠形成；转子冲片关于圆心呈中心对称设置若干个磁极区域，每磁极区域对称设置第一磁钢孔和第二磁钢孔，使永磁体呈对称放置，设置外端大内端小的水滴形隔磁孔，隔磁孔分别与第一磁钢孔、第二磁钢孔形成内隔磁桥，通过两个内隔磁桥分担受力，更好地适用于车辆满载的工况，实现力学与电学性能的平衡，在满载下扭矩更大，起动性能更好，并且可实现更快的行驶车速。本发明提供的电动轮车通过永磁电机驱动电动车轮转动实现车辆行走，可以实现相同的技术效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为永磁电机的半幅剖面结构示意图；
图2为转子冲片的结构示意图；
图3为隔磁孔和第一磁钢孔、第二磁钢孔部分的局部放大图；
图4A为本发明的转子冲片的局部结构示意图；
图4B至图4D分别为隔磁孔采用三角形、圆形、圆角矩形的结构示意图；
图5为外隔磁桥部分的局部结构示意图；
图6A为本发明转子冲片的应力调整孔位置的局部放大图；
图6B为两个应力调整孔关于磁极区域的中心轴呈轴对称分布的结构示意图；
图6C为不设置应力调整孔的结构示意图。
图中包括：
定子外壳1、冷却水道11、防水葛兰12、电机转子2、转轴21、转子铁芯22、转子冲片221、第一磁钢孔222、第二磁钢孔223、隔磁孔224、内隔磁桥225、第三磁钢孔226、第四磁钢孔227、中间隔磁桥228、应力调整孔229、外隔磁桥2210、定位卡块2211。
具体实施方式
本发明的核心在于提供一种永磁牵引电机，提升电机的效率和可靠性，更好地适用于大型机械。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图及具体的实施方式，对本发明的永磁牵引电机及电动轮车进行详细的介绍说明。
如图1所示，为永磁电机的半幅剖面结构示意图；永磁电机包括定子外壳1和电机转子2，电机转子2包括转轴21和转子铁芯22，转子铁芯22套装固定于转轴21，转子铁芯22由若干转子冲片221层叠形成，每块转子冲片221采用相同的结构，相互平行层叠构成一个完整的柱体结构，转子冲片221的板面方向与转轴21相垂直。
结合图2所示，为转子冲片221的结构示意图；转子冲片221关于圆心呈中心对称设置若干个磁极区域，图2中的虚线方框表示其中一个磁极区域，其中的竖直虚线表示该磁极区域的中心轴，各个磁极区域的结构相同；每个磁极区域包括第一磁钢孔222、第二磁钢孔223、隔磁孔224等结构，其中第一磁钢孔222、第二磁钢孔223相互独立设置，两者关于中心轴呈V字型轴对称布置，第一磁钢孔222、第二磁钢孔223均为贯通设置，形成V型结构，第一磁钢孔222和第二磁钢孔223的内端部相互靠近，外端部靠近转子冲片221的边缘。隔磁孔224自身关于中心轴呈轴对称设置的隔磁孔224，隔磁孔224为贯通孔。
第一磁钢孔222和第二磁钢孔223分别安装永磁体；隔磁孔224位于第一磁钢孔222的内端和第二磁钢孔223的内端之间，隔磁孔224的外端部圆弧半径大于内端部圆弧半径，两段圆弧之间为两条直线相切，形成外端大内端小的水滴形结构；结合图3所示，隔磁孔224的上方为外端部，即靠近转子冲片221外边缘的一侧，下方为内端部，上方的宽度大于下方的宽度；隔磁孔224的上方为较大的圆弧，下方为较小的圆弧，两段圆弧之间为两条直线相切，由两段圆弧和两条直线段共同形成隔磁孔224。
结合图3所示，为隔磁孔224和第一磁钢孔222、第二磁钢孔223部分的局部放大图；隔磁孔224和第一磁钢孔222之间、隔磁孔224和第二磁钢孔223之间分别形成内隔磁桥225，
内隔磁桥225的宽度越窄，其电学性能更好，在低转速下输出更大的扭矩，具有更好的加速性能，通过设置隔磁孔224使内隔磁桥225的宽度尽可能减小；内隔磁桥225的强度越高，其力学性能越好，更不易发生损坏，本发明设置两个内隔磁桥225提升了结构强度，使受力分布更加均匀，在离心力相同的条件下，单个内隔磁桥225的宽度能够最大程度地降低，以达到最佳的电学性能。
结合图4A所示，为本发明的转子冲片221的局部结构示意图；
图4B至图4D分别为隔磁孔采用三角形、圆形、圆角矩形的结构示意图；各个图中对应于内隔磁桥的尺寸相等，以d表示。将上述四组模型分别施加相同的工况条件，分别进行有限元仿真模拟，模拟结果按照最大应力的数值，从小到大依次为图4A、图4D、图4B、图4C。由上述仿真结果可以看出，在相同的尺寸下，本发明采用的水滴造型结构对应的内隔磁桥受到的应力最小，受力更为合理。
在工作时，转子铁芯22旋转产生离心力，内隔磁桥225主要承受离心力，本发明采用的结构形式的受力分布更为均匀，降低了内隔磁桥225处承受的应力，内隔磁桥可设置为较小的宽度，实现力学性能与电学性能的平衡，更好地适用于车辆在满载时的工况，力学与电学性能的平衡带来的两个好处，第一，扭矩更大，在满载工况下起动性能更好；第二，电动轮车有更快的行驶车速。
本发明所采用的电动车轮为具有永磁电机式电动车轮结构，将永磁电机集成到电动车轮当中，该永磁电机1为全封闭式结构，其定子外壳1开设用于流通冷却水的冷却水道11，永磁电机的发热量相对较小，通过水冷的方式对电机进行降温，能够满足工作要求，相比于传统的风冷降温方式，可有效地防止灰尘颗粒的影响，提高电机工作的稳定性。
在上述方案的基础上，本发明的内隔磁桥225的两条侧边相互平行，如图3所示，内隔磁桥225的宽度各处相等。可选的一种设置形式为：内隔磁桥225的长度延伸方向与对应永磁体产生离心力的方向一致；当转子工作转动时，永磁体对转子冲片221产生离心力，由内隔磁桥225承受一部分离心力，因内隔磁桥225的长度方向与离心力的方向一致，因此内隔磁桥225主要承受拉应力，根据第四强度理论，切应力约等于0.6倍拉应力，内隔磁桥225的受力方向沿长度方向，尽量让其承受拉力而不是剪力，在相同的尺寸下可以承受更大的作用力。
在第一磁钢孔222和第二磁钢孔223形成的夹角内侧设置第三磁钢孔226和第四磁钢孔227，第三磁钢孔226和第四磁钢孔227相互独立设置，并且第三磁钢孔226和第四磁钢孔227关于中心轴呈V字型轴对称布置。
结合图2所示，第三磁钢孔226和第四磁钢孔227形成一个较小的V字型，第一磁钢孔222和第二磁钢孔223形成一个较大的V字型形状，较小的V字型形状在较大的V字型形状的内侧。两个V字型形状的两个边可以相互平行，也可以不平行，根据具体的情况设定。
转子冲片221采用双V型设计，在局部通过调整转子磁极结构尺寸，对电机d轴与q轴磁路进行针对性优化设计，使电动轮自卸车永磁电机得到到合理的凸极比(凸极比＝Lq/Ld)，进而使电机在低速运行阶段获得最大磁阻转矩与电机在高速运行阶段弱磁电流最小之间达到平衡，解决电动轮自卸车永磁牵引电机的电气性能难点。
第一磁钢孔222、第二磁钢孔223、第三磁钢孔226和第四磁钢孔227各自的外端部平行于转子冲片221的外边缘，并与转子冲片221的边缘形成外隔磁桥2210，结合图5所示，为外隔磁桥2210部分的局部结构示意图；外隔磁桥2210的宽度越窄，其电学性能越好，需要最大化地减小外隔磁桥2210的宽度。
第一磁钢孔222、第二磁钢孔223、第三磁钢孔226和第四磁钢孔227靠内侧的长边凸出设置用于定位卡放永磁体的定位卡块2211；通过两端设置的定位卡块2211限定永磁体的位置，永磁体放置到位后，两端与第一磁钢孔222、第二磁钢孔223、第三磁钢孔226和第四磁钢孔227的端部之间存在间隙。
本发明图2所展示的实施例中，第三磁钢孔226和第四磁钢孔227之间形成中间隔磁桥228，中间隔磁桥228由第三磁钢孔226和第四磁钢孔227之间的实体结构形成，中间隔磁桥228的宽度需要在满足力学性能的情况下尽量减小。
需要注意的是，若有需要，也可在第三磁钢孔226和第四磁钢孔227之间设置隔磁孔，以进一步提升整体的电学与力学性能。
在上述方案的基础上，本发明的转子冲片221关于圆心呈中心对称设置若干应力调整孔229；转轴21和转子冲片221采用过盈装配，并通过键连接；应力调整孔229为贯通孔，应力调整孔229相对于第一磁钢孔222、第二磁钢孔223更靠近圆心，由于采用的避空结构，采取过盈装配时，应力调整孔229可发生微小幅度的弹性变形，以便于装配。
具体地，每个磁极区域对应设置一个应力调整孔229，应力调整孔229关于磁极区域的中心轴呈轴对称设置，因每个应力调整孔229正对第一磁钢孔222和第二磁钢孔223，装配时可减小对第一磁钢孔222和第二磁钢孔223等其他结构的影响。
具体地，本发明中的应力调整孔229的内边缘与外边缘为同心圆弧，应力调整孔229的侧边为半径线，夹角为圆弧，应力调整孔229不存在尖锐的过度夹角。
如图6A所示，为本发明转子冲片221的应力调整孔229位置的局部放大图；图6B为两个应力调整孔关于磁极区域的中心轴呈轴对称分布的结构示意图；图6C为不设置应力调整孔的结构示意图；以上三组模型在相同的工况条件下分别进行有限元仿真模拟，最大应力按照从小到大的次序排列依次为：图6A、图6B、图6C。由上述仿真结果可知，本发明通过合理地布置应力调整孔229的位置及形状，可以有效地降低内隔磁桥225所承受的应力。
本发明的定子外壳1和转轴21之间采用迷宫密封结构，结合图1所示，形成多个密封接触面，提升密封效果。定子外壳1与三相引出线之间采用防水葛兰12连接，提升密封效果。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理，可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种永磁牵引电机，其特征在于，包括定子外壳(1)和电机转子(2)，所述电机转子(2)包括转轴(21)和转子铁芯(22)，所述转子铁芯(22)由若干转子冲片(221)层叠形成；
所述转子冲片(221)关于圆心呈中心对称设置若干个磁极区域，每个磁极区域包括关于中心轴呈V字型轴对称布置、并相互独立的第一磁钢孔(222)、第二磁钢孔(223)，以及自身关于中心轴呈轴对称设置的隔磁孔(224)；
所述第一磁钢孔(222)和所述第二磁钢孔(223)分别安装永磁体；所述隔磁孔(224)位于所述第一磁钢孔(222)和所述第二磁钢孔(223)的内端之间，所述隔磁孔(224)的外端部圆弧半径大于内端部圆弧半径，两段圆弧之间为两条直线相切，形成外端大内端小的水滴形；所述隔磁孔(224)和所述第一磁钢孔(222)、所述隔磁孔(224)和所述第二磁钢孔(223)分别形成内隔磁桥(225)；
所述定子外壳(1)为全封闭式结构，其内开设用于流通冷却水的冷却水道(11)。
2.根据权利要求1所述的永磁牵引电机，其特征在于，所述内隔磁桥(225)的两条侧边相互平行。
3.根据权利要求2所述的永磁牵引电机，其特征在于，所述第一磁钢孔(222)和所述第二磁钢孔(223)形成的夹角内侧关于中心轴呈V字型轴对称布置、并相互独立的第三磁钢孔(226)和第四磁钢孔(227)。
4.根据权利要求3所述的永磁牵引电机，其特征在于，所述第一磁钢孔(222)、所述第二磁钢孔(223)、第三磁钢孔(226)和第四磁钢孔(227)各自的外端部平行于所述转子冲片(221)的外边缘，并与所述转子冲片(221)的边缘形成外隔磁桥(2210)。
5.根据权利要求4所述的永磁牵引电机，其特征在于，所述第一磁钢孔(222)、所述第二磁钢孔(223)、第三磁钢孔(226)和第四磁钢孔(227)靠内侧的长边凸出设置用于定位卡放永磁体的定位卡块(2211)；所述永磁体放置到位后，两端存在间隙。
6.根据权利要求5所述的永磁牵引电机式电动轮车，其特征在于，所述第三磁钢孔(226)和所述第四磁钢孔(227)的内端之间形成中间隔磁桥(228)。
7.根据权利要求1至6任一项所述的永磁牵引电机，其特征在于，所述转子冲片(221)关于圆心呈中心对称设置若干应力调整孔(229)；所述转轴(21)和所述转子冲片(221)采用过盈装配，并通过键连接。
8.根据权利要求7所述的永磁牵引电机，其特征在于，每个磁极区域对应设置一个所述应力调整孔(229)，所述应力调整孔(229)关于磁极区域的中心轴呈轴对称设置。
9.根据权利要求7所述的永磁牵引电机，其特征在于，所述应力调整孔(229)的内边缘与外边缘为同心圆弧，所述应力调整孔(229)的侧边为半径线，夹角为圆弧；
所述定子外壳(1)和所述转轴(21)之间采用迷宫密封结构；所述定子外壳(1)与三相引出线之间采用防水葛兰(12)连接。
10.一种电动轮车，其特征在于，包括权利要求1至9任一项所述的永磁牵引电机。
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