CN115378155A - 一种混合表嵌-辐条式永磁非对称磁轴偏移电机 - Google Patents

一种混合表嵌-辐条式永磁非对称磁轴偏移电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种混合表嵌‑辐条式永磁非对称磁轴偏移电机，包括外侧定子铁心和内侧混合表嵌‑辐条式永磁转子，定子铁心上的三相电枢绕组以及位于电机中轴线的转轴。所述转子包括转子凸极齿、转子轭、表嵌式永磁、辐条式永磁、转子外槽以及转子内槽。其中，所述表嵌式永磁偏置于转子外槽中，所述辐条式永磁嵌于非对称斜向转子内槽中。本发明在表嵌式永磁电机和辐条式永磁电机结构简单、高永磁转矩密度的基础上，采用混合磁极的设计可以提供更高的磁阻转矩；进一步运用转子内的不对称设计实现磁轴的偏移，使得永磁和磁阻转矩分量峰值在相近的电流角下达到最大值，提升转矩分量利用率，从而提高转矩密度。

Description

一种混合表嵌-辐条式永磁非对称磁轴偏移电机
技术领域
本发明涉及永磁电机领域，具体涉及一种混合表嵌-辐条式永磁非对称磁轴偏移电机。
背景技术
随着电动汽车的受众面越来越广，用户对其需求也不断提高，内置式永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Machine，PMSM)因为其高功率密度、高效率以及更好的控制精度被广泛应用于电动汽车中。
永磁电机中使用的昂贵稀土永磁材料不利于电动汽车的推广和发展，因此提高永磁利用率至关重要。传统内置式电机能够提供较高的磁阻转矩，但相对传统表面式永磁电机，其永磁转矩相对较低，且其转子通常采用对称的结构，永磁转矩和磁阻转矩的d轴相差大致45度电角度，导致两者的利用率较低，限制了电机整体的功率密度。为此，一类磁轴偏移永磁电机被提出，此类电机可以令永磁转矩与磁阻转矩的d轴差角减小，从而实现转矩密度的提升。但为了弥补偏移过程中转矩峰值的下降，此类电机的磁阻结构日益复杂，提升了电机的设计分析与制造难度。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种混合表嵌-辐条式永磁非对称磁轴偏移电机。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种永磁电机，包括：中间部分隔有气隙的定子铁心、转子、设置于所述定子铁心上的三相电枢绕组与被所述转子环绕的转轴；
所述的定子铁心包括定子轭与多个定子齿；多个所述定子齿均匀分布于所述定子轭内端，且相邻定子轭之间形成了定子槽，用于设置三相电枢绕组；
所述转子包括转子凸极齿、转子轭、多个表嵌式永磁体与辐条式永磁体，所述转子轭外周设有多个由相邻转子凸极齿形成的的转子外槽，用于容纳所述表嵌式永磁体；多个所述表嵌式永磁体围绕转子轭的外周面均匀分布；多个所述辐条式永磁体均嵌于所述转子轭之间的转子内槽内且成对布置，成对的两个所述辐条式永磁体关于转子轭中心呈中心对称，所述辐条式永磁体布置于两相邻表嵌式永磁体之间，所述的表嵌式永磁体的中轴线与所述转子外槽的中轴线之间存在夹角。
可选地，所述辐条式永磁体布置在所述转子内槽中，所述的转子内槽将两个相邻的所述转子外槽之间的转子凸极齿划分为不对称的两个部分。
可选地，所述辐条式永磁体相对于所述转子轭的径向具有夹角。
可选地，所述辐条式永磁体不完全地填充在所述转子内槽中。
可选地，所述表嵌式永磁体不完全地填充在所述转子外槽中，且永磁体的一侧紧贴所述转子凸极齿。
可选地，所述转子凸极的不对称的两个部分，分别占据β1和β2的角度；所述的表嵌式永磁体的中轴线与所述转子外槽的中轴线之间的夹角为α，电机极对数为pr，所述转子中的设计满足：
pr×[α+(β2-β1)/2]＝45°。
一种用于机动车的调节驱动装置，其带有上述的永磁电机。
本发明为了使得永磁转矩和磁阻转矩的最大值对应的电流角接近相同的角度，通过在混合磁极下永磁体的偏置使得永磁磁轴，即永磁转矩对应的d轴产生偏移，朝着磁阻磁轴，即磁阻转矩对应的d轴的方向移动，从而实现电机永磁转矩、磁阻转矩利用率以及总转矩峰值的提升。
永磁表嵌式电机具有结构简单、永磁转矩高的优势，但磁阻转矩相对欠缺，通过结合辐条式永磁结构，可以在不过度增加电机复杂度的基础上增大电机的凸极率，从而实现磁阻转矩的提升。由于永磁表嵌式电机与辐条式永磁电机两者结构精简，因此本发明采用了结合永磁表嵌式和辐条式永磁的混合磁极式电机，实现电机“高转矩密度精简化”设计。
本发明的有益效果：
1、本发明可以基于具有高永磁转矩的表嵌式永磁电机，结合辐条式永磁结构，进一步拓展电机的磁阻转矩，为电机的弱磁调速提供进一步的优势。同时，相对于现存的众多具有复杂结构的内置式永磁电机，本发明电机仅仅结合了两种简单磁极结构，较少的磁障可以降低永磁磁通以及永磁转矩的削弱程度。因此，本发明电机具备的高永磁转矩与磁阻转矩峰值有益于提升电机的总转矩密度。
2、传统对称电机两转矩分量的最大值对应的电流角相差45度电角度，而本发明在一定永磁体用量的前提下，运用永磁体及转子槽的多种不对称分布设计使得永磁转矩和磁阻转矩分量可以在相近的电流角下达到最大值，提高转矩分量利用率，提升转矩输出能力。
3、非对称磁轴偏移电机面临着不对称结构带来的转矩脉动提升风险，辐条式永磁结构采用的斜极设计，能够在一定程度上抑制转矩脉动，通过斜极的倾斜角度设计，可以将转矩脉动抑制在理想范围内。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明的电机横截面结构示意图；
图2为本发明的电机空载磁力线分布及永磁d轴与磁阻d轴示意图；
图3为本发明的电机辐条式永磁单元设计示意图；
图4为本发明的电机转矩分离图。
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楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请结合图1所示，本发明的一些实施例中，公开了一种混合表嵌-辐条式永磁非对称磁轴偏移电机，包括中间部分隔有气隙的定子铁心1和混合表嵌-辐条式永磁转子2，设置于定子铁心1上的三相电枢绕组3以及被转子环绕且位于电机中轴线的转轴4。
所述定子铁心1包括定子电枢齿1.1、定子轭1.2以及相邻定子齿1.1形成的定子槽1.3；定子齿1.1一端靠近转子2，定子齿1.1远离转子2的一端由定子轭1.2相连接，相邻定子齿1.1之间形成定子槽1.3，且定子齿1.1与定子槽1.3绕定子中心轴线均匀分布；三相电枢绕组3为双层分布绕组，穿过定子槽1.3缠绕在定子齿1.1上。
所述混合表嵌-辐条式永磁转子2包括转子凸极齿2.1、转子轭2.2、表嵌式永磁2.3、辐条式永磁2.4、转子外槽2.5以及转子内槽2.6，这些结构共同构成了表嵌式5以及辐条式6两类永磁单元结构。
其中，混合表嵌-辐条式永磁转子2的表嵌式永磁单元5包括转子凸极齿2.1、表嵌式永磁体2.3以及转子外槽2.5。所述表嵌式永磁体2.4偏置于所述转子外槽2.5，表嵌式永磁体2.3中轴线与转子外槽2.5的中轴线之间存在角度α，且表嵌式永磁体2.3不完全填充转子外槽2.5，转子外槽2.5中非永磁部分介质为空气，转子外槽2.5位于两相邻转子凸极齿之间。所述表嵌式永磁体2.3采用径向充磁方式，且相邻的表嵌式永磁体2.3充磁方向相反。
所述混合表嵌-辐条式永磁转子2的辐条式永磁单元6包括了转子凸极齿2.1、转子轭2.2、辐条式永磁2.4以及转子内槽2.6。转子内槽2.6由转子凸极齿2.1和转子轭2.2包围而成，相对于径向倾斜γ角度，且转子内槽2.6将转子凸极齿2.1分为不对称的两个部分，分别占据β1和β2的角度，使永磁磁轴产生进一步的偏移，辐条式永磁2.4不完全填充于转子内槽2.6当中。所述辐条式永磁体2.4介于两相邻表嵌式永磁体2.3之间，且采用切向充磁方式，与相邻表嵌式永磁体2.3构成的磁路方向一致。辐条式永磁单元6在一定程度上减小了该电机设计的直轴电感，使该电机具备更高的凸极率，从而提供高磁阻转矩。
表嵌式永磁单元5以及辐条式永磁单元6构成了两类非对称永磁结构单元，两类非对称永磁结构单元协同作用实现了电机的磁轴偏移，有益于转矩提升。
转轴4被混合表嵌-辐条式永磁转子2围绕并贯穿于电机中心。
在本实施例中，表嵌式永磁体2.3与辐条式永磁体2.4的数量均为四块，相应的，转子外槽2.5和转子内槽2.6的数量也为四个，采用的永磁体为钕铁硼永磁，定子槽1.3的数量为二十七个，电枢绕组3为双层分布式设计。
请结合图2、图3和图4，本实施例的混合表嵌-辐条式永磁非对称磁轴偏移电机的运行原理如下：
对于永磁磁场部分，永磁磁通的磁路由表嵌式永磁体N极依次到达气隙、定子齿、定子轭、定子齿、气隙、永磁体S极、转子轭、辐条式永磁体，再通过转子轭部回到永磁N极形成闭合通路；由于转子旋转，该磁路会随转子旋转；同时定子通入三相电流能够形成与转子相等转速的旋转磁场，定、转子磁场的相互作用产生永磁转矩，推动转子恒定旋转。同时，对于磁阻部分，由于转子交、直轴磁路的不同导致交直轴电感差异较大，从而产生磁阻转矩。
在传统对称永磁电机理论中，永磁转矩与磁阻转矩的大小均随着电流角的改变成正弦变化，且电流角为0°时取得永磁转矩峰值，电流角为45°时取得磁阻转矩峰值。本发明通过表嵌式永磁体在转子外槽中的偏移以及辐条式永磁单元的不对称设计实现上述取得两峰值转矩时对应电流角的靠近，实现转矩利用率的提升以及总转矩的提高。
相较于传统的表嵌式永磁电机，本发明电机中增设的不对称辐条式永磁在避免过多削弱永磁转矩前提下，显著增加了磁阻转矩分量峰值。同时，利用不对称设计进一步增强了磁轴偏移效应，并且，辐条永磁的斜极设计对于抑制转矩脉动具有重要作用。请结合图2，其中，β1和β2分别为辐条式永磁左侧和右侧转子凸极齿对应的角度，γ为辐条形永磁的倾斜角度。
本发明中通过转子外槽中偏置的表嵌式永磁体使得永磁磁轴向逆时针方向偏移，与磁阻磁轴靠近，请结合图3，其中，l1表示原永磁中轴，l2表示新永磁中轴，α为永磁中轴线的偏移角度，本发明能够保障在相同永磁体用量的情况下输出更大的转矩，如图4所示。
在本发明的永磁电机能够应用在一些需要转动动力源的设备中，例如加工设备、交通工具、手持式电工工具、家电产品等领域。在本发明的一些具体的实施例中，上述的永磁电机能够应用于机动车的驱动设备中，可以是电动汽车的动力总成，还可以是后盖驱动装置、摇窗机驱动装置、伺服驱动装置、或座椅调节驱动装置等等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (8)

1.一种永磁电机，包括：中间部分隔有气隙的定子铁心、转子、设置于所述定子铁心上的三相电枢绕组与被所述转子环绕的转轴；
所述的定子铁心包括定子轭与多个定子齿；多个所述定子齿均匀分布于所述定子轭内端，且相邻定子轭之间形成了定子槽，用于设置三相电枢绕组；
所述转子包括转子凸极齿、转子轭、多个表嵌式永磁体与辐条式永磁体，所述转子轭外周设有多个由相邻转子凸极齿形成的的转子外槽，用于容纳所述表嵌式永磁体；多个所述表嵌式永磁体围绕转子轭的外周面均匀分布；多个所述辐条式永磁体均嵌于所述转子轭之间的转子内槽内且成对布置，成对的两个所述辐条式永磁体关于转子轭中心呈中心对称，所述辐条式永磁体布置于两相邻表嵌式永磁体之间，所述的表嵌式永磁体的中轴线与所述转子外槽的中轴线之间存在夹角。
2.根据权利要求1所述的永磁电机，其特征在于，所述辐条式永磁体布置在所述转子内槽中，所述的转子内槽将两个相邻的所述转子外槽之间的转子凸极齿划分为不对称的两个部分。
3.根据权利要求1所述的永磁电机，其特征在于，所述辐条式永磁体相对于所述转子轭的径向具有夹角。
4.根据权利要求2所述的永磁电机，其特征在于，所述辐条式永磁体不完全地填充在所述转子内槽中。
5.根据权利要求1所述的永磁电机，其特征在于，所述表嵌式永磁体不完全地填充在所述转子外槽中，且永磁体的一侧紧贴所述转子凸极齿。
6.根据权利要求2所述的永磁电机，其特征在于，所述转子凸极的不对称的两个部分，分别占据β1和β2的角度；所述的表嵌式永磁体的中轴线与所述转子外槽的中轴线之间的夹角为α，电机极对数为pr，所述转子中的设计满足：
pr×[α+(β2-β1)/2]＝45°。
7.根据权利要求1所述的永磁电机，其特征在于，所述三相电枢绕组为双层分布绕组，穿过定子槽缠绕在定子齿上。
8.一种用于机动车的驱动装置，其带有权利要求1～7任一所述的永磁电机。
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CN116742856A (zh) * 2023-07-03 2023-09-12 山东理工大学 一种带有圆弧形隔磁障的磁场分布可调电机
CN116742856B (zh) * 2023-07-03 2024-05-31 山东理工大学 一种带有圆弧形隔磁障的磁场分布可调电机

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