CN116436182A - 一种磁场调制型低速直驱轮毂电机 - Google Patents

一种磁场调制型低速直驱轮毂电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种磁场调制型低速直驱轮毂电机，包括转子、定子、轴承和支撑轴，转子同轴心套设在定子外侧，定子固定在支撑轴上，支撑轴与转子通过轴承转动连接，转子与定子之间设置气隙，转子包括“┌”形转子铁心单元、轭部永磁体和磁极永磁体，轭部永磁体位于转子轭部，且固定嵌接在两相对放置的转子铁心单元间，磁极永磁体嵌在两背向放置的转子铁心单元间，定子包括定子铁心和电枢绕组，电枢绕组绕制在定子铁心上。本发明具有转子永磁式磁通切换结构，可有效抑制定子永磁式磁通切换结构的磁路饱和及永磁体温升问题，提高轮毂电机的转矩密度，节约永磁体用量。

Description

一种磁场调制型低速直驱轮毂电机
技术领域
本发明涉及电机技术，尤其涉及一种磁场调制型低速直驱轮毂电机。
背景技术
近年来，能源问题和环境污染日益严重，电动汽车成为汽车工业的研发焦点，其中轮毂电机作为未来电动汽车的理想驱动形式，是汽车领域研究的重难点，受到了国内外学者的广泛关注。
与感应式电机和开关磁阻电机相比，永磁电机以其高功率密度、高效率等优点成为直驱式系统的首选。学者们针对提高直驱式永磁轮毂电机的低速大转矩性能进行了积极探索，如东南大学、南京航空航天大学等对磁场调制型电机进行了研究，该结构可提升输出转矩，且被证实具有较宽调速范围。与普通永磁轮毂电机相比，磁场调制式轮毂电机显示出更强的低速转矩输出能力。作为定子永磁型电机的代表，永磁磁通切换电机应用于电动汽车驱动系统的研究受到学者关注，研究表明其定子上永磁体切向交替充磁的聚磁式拓扑结构可获得比永磁同步电机和双凸极定子永磁电机更高的转矩密度，然而由于永磁体位于定子，挤压了电枢绕组和定子齿空间，导致定子齿磁饱和程度较高，降低了电机过载能力，且易造成电机定子温升较高，导致永磁体不可逆退磁。如何将“磁场调制”电机概念与磁通切换结构相结合，提高轮毂电机的转矩输出特性是重要的研究方向。
发明内容
发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种转矩输出能力更高、温升更低的磁场调制型低速直驱轮毂电机。
技术方案：本发明所述的磁场调制型低速直驱轮毂电机包括转子、定子、轴承和支撑轴，转子同轴心套设在定子外侧，定子固定在支撑轴上，支撑轴与转子通过轴承转动连接，转子与定子之间设置气隙，转子包括“┌”形转子铁心单元、轭部永磁体和磁极永磁体，轭部永磁体位于转子轭部，且固定嵌接在两相对放置的转子铁心单元间，磁极永磁体嵌在两背向放置的转子铁心单元间，定子包括定子铁心和电枢绕组，电枢绕组绕制在定子铁心上。
进一步的，所述转子铁心单元轭部永磁体转子铁心单元构成周向对称且开口朝向定子的“U”形转子单元，相邻的两个“U”形转子单元的相邻面平行，磁极永磁体嵌在相邻的两个”U”形转子单元的相邻面之间。所述磁极永磁体的内、外端面分别在转子的内、外圆周面上。转子共设24个“U”形转子单元，沿圆周均匀间隔布置。所述磁极永磁体和其两侧的“U”形转子单元侧翼构成一个转子磁极，整个转子上共形成24个外转子磁极。所述轭部永磁体和磁极永磁体均为矩形，且其长度方向沿轴心指向放置，相邻轭部永磁体和磁极永磁体极性相反，且沿切向交替充磁。
进一步的，所述定子铁心包括定子轭和若干沿着定子轭外圆周均匀分布的定子齿，所述定子齿包括齿颈和齿靴，相邻两个齿颈之间形成定子槽，电枢绕组分布于定子槽内且绕制于齿颈上。所述定子铁心具有9个定子齿和9个定子槽。每个所述齿靴上凸设三个调磁凸齿，三个调磁凸齿之间形成两个调制齿槽。
进一步的，所述转子的永磁体的永磁磁场极对数与所述电枢绕组的电枢磁场极对数满足如下关系：Pa＝|Pm±Ns|，其中，Pm为转子的永磁磁场极对数，Ns为定子上调磁凸齿的数量，Pa为电枢绕组的电枢磁场极对数。
有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：
1)与现有磁场调制概念电机不同的是，本发明在转子磁极及极间轭部均嵌入切向交替充磁永磁体，具有转子永磁式磁通切换结构，可有效抑制定子永磁式磁通切换结构的磁路饱和及永磁体温升问题，利用其双极性正弦磁链及高气隙磁密，提高轮毂电机的转矩密度，节约永磁体用量，有助于实现电机的小型轻量化；
2)与常规磁通切换电机不同的是，本发明将永磁体与绕组进行分离，分别位于转子和定子上，可进一步有效抑制定子永磁式磁通切换结构的磁路饱和及永磁体温升问题；
3)本发明转子采用聚磁式永磁结构，节约永磁体用量，没有滑环和电刷，具有结构简单、体积小重量轻、功率密度高、效率高以及可靠性好等优点。
附图说明
图1为本发明提出的磁场调制型低速直驱轮毂电机结构示意图；
图2为图1截面示意图；
图3为图1转子结构及充磁方向示意图；
图4为图1定子截面示意图；
图5为图1电枢绕组及其连接方式示意图；
图6为图1电机转子机械角为0°时的磁场分布示意图；
图7为图1电机转子机械角为5°时的磁场分布示意图；
其中，1：转子；1-1：转子铁心单元；1-2：轭部永磁体；1-3：磁极永磁体；1-4：“U”形转子单元；2：定子；2-1：定子铁心；2-2：电枢绕组；2-3：定子轭；2-4：定子齿；2-5：齿颈；2-6：齿靴；2-7：定子槽；2-8：调磁凸齿；2-9：调磁齿槽；3：轴承；4：支撑轴，5、6、7、8、9、10、11、12、13均为电枢绕组线圈。
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。
本实施例提供一种磁场调制型低速直驱轮毂电机，如图1所示，包括转子1、定子2、轴承3和支撑轴4，转子1同轴心套设在定子2外侧，转子1与定子2之间设置气隙，支撑轴4用来固定电机定子2，转子1通过轴承3与支撑轴4转动连接。
参见图2和图3，转子1由48块“┌”形转子铁心单元1-1、24块轭部永磁体1-2和24块磁极永磁体1-3组成。轭部永磁体1-2位于转子1的磁轭上且其周向两端面平行，轭部永磁体1-2的内、外端面分别在转子磁轭的内、外端面上。转子铁心单元1-1-轭部永磁体1-2-转子铁心单元1-1相邻连接构成一个周向对称且开口朝向定子的“U”形转子单元1-4，其中两个“┌”转子铁心单元1-1周向相对放置。24个“U”形转子单元1-4沿圆周均匀分布，相邻两个“U”形转子单元1-4间的两个相对端面平行，其内嵌入磁极永磁体1-3。磁极永磁体1-3的内、外端面分别在转子的内、外圆周面上。轭部永磁体1-2和磁极永磁体1-3材料为钕铁硼，均为矩形，且其长度方向沿轴心指向放置，相邻轭部永磁体1-2和磁极永磁体1-3极性相反，且沿切向交替充磁，如图3所示。转子1上，磁极永磁体1-3和其两侧“U”形转子单元1-4侧翼构成一个转子磁极，整个转子1上一共形成24个转子磁极，由于两个相邻的轭部永磁体1-2和磁极永磁体1-3极性相反，构成一对磁极，因此，转子上永磁体形成的永磁磁场极对数Pm为24。
参见图4，定子2由定子铁心2-1和电枢绕组2-2组成。定子铁心2-1包括定子轭2-3和若干个沿着定子轭外圆周均匀分布的定子齿2-4，本实施方式以9个定子齿为例说明，定子齿2-4包括齿颈2-5和齿靴2-6，任意相邻两个齿颈2-5之间形成一个定子槽2-7，每个齿靴2-6上都凸设3个调磁凸齿2-8，3个调磁凸齿2-8之间形成两个调制齿槽2-9，因此，定子上调磁凸齿的数量Ns为3*9＝27。定子2具有9个沿着圆周均匀分布且开口朝向转子1的定子槽2-7，三相集中电枢绕组线圈5、6、7、8、9、10、11、12、13分布于9个定子槽2-7内且绕制于对应的齿颈2-5上，电枢绕组连接方式如图5所示，对应于此，电枢绕组形成的磁场极对数Pa为3，满足磁场调制电机电枢磁场极对数Pa、永磁磁场极对数Pm及调制齿Ns数量关系：Pa＝|Pm±Ns|，对应于本实施实例中，如前所述，Pm为24，Ns为27。
本实施方式中，与常规磁通切换电机不同的是，将永磁体1-2、1-3与电枢绕组2-2进行分离，分别位于转子1和定子2上，通过配置转子24槽定子6极及集中绕组布置方式，基于定子齿槽的磁场调制作用，低速运转的转子能产生高速变化的电枢磁场，因此相对于传统磁通切换电机，该结构在低速转矩输出能力方面有较大提升。如附图6-图7所示，该实施方式电机转子1在由图6到图7正向旋转5°机械角度(转子位置从A到A’)的情况下，其空间磁场反向旋转了40°机械角度(从B到B’)，电机自增速传动比Gr＝-Pm/Pa＝-24/3＝-8。说明低速运转的转子能产生高速变化的空间磁场，定子电枢绕组谐波在气隙中得到有效调制，电枢磁场中含量最大的谐波分量将与永磁体以相同转速共同作用产生转矩，从而解释了该电机输出转矩优于传统永磁同步电机的原因。
本发明提出的磁场调制型低速直驱永磁轮毂电机，采用凸极磁通切换式永磁转子结构，可有效抑制定子永磁式磁通切换结构的磁路饱和及永磁体温升问题，利用其双极性正弦磁链及高气隙磁密，提高轮毂电机的转矩密度，融合了磁场调制概念与新型磁通切换永磁外转子结构，将磁场调制电机应用领域拓宽至电动汽车直驱系统，该电机不仅继承了磁场调制电机低速高转矩输出的优点，同时可满足电机高转矩密度、高效率及小型轻量的要求。

Claims (10)

1.一种磁场调制型低速直驱轮毂电机，其特征在于：包括转子(1)、定子(2)、轴承(3)和支撑轴(4)，转子(1)同轴心套设在定子(2)外侧，定子(2)固定在支撑轴(4)上，支撑轴(4)与转子(1)通过轴承(3)转动连接，转子(1)与定子(2)之间设置气隙，转子(1)包括转子铁心单元(1-1)、轭部永磁体(1-2)和磁极永磁体(1-3)，转子铁心单元(1-1)为“┌”形，轭部永磁体(1-2)位于转子(1)轭部，且固定嵌接在两相对放置的转子铁心单元(1-1)间，磁极永磁体(1-3)嵌在两背向放置的转子铁心单元(1-1)间，定子(2)包括定子铁心(2-1)和电枢绕组(2-2)，电枢绕组(2-2)绕制在定子铁心(2-1)上。
2.根据权利要求1所述的一种磁场调制型低速直驱轮毂电机，其特征在于：所述转子铁心单元(1-1)-轭部永磁体(1-2)-转子铁心单元(1-1)相邻连接构成周向对称且开口朝向定子(2)的“U”形转子单元(1-4)，相邻的两个“U”形转子单元(1-4)的相邻面平行，磁极永磁体(1-3)嵌在相邻的两个“U”形转子单元(1-4)的相邻面之间。
3.根据权利要求2所述的一种磁场调制型低速直驱轮毂电机，其特征在于：所述磁极永磁体(1-3)的内、外端面分别在转子(1)的内、外圆周面上。
4.根据权利要求2所述的一种磁场调制型低速直驱轮毂电机，其特征在于：转子(1)共设24个“U”形转子单元(1-4)，沿圆周均匀间隔布置。
5.根据权利要求1所述的一种磁场调制型低速直驱轮毂电机，其特征在于：所述轭部永磁体(1-2)和磁极永磁体(1-3)均为矩形，且其长度方向沿轴心指向放置，相邻轭部永磁体(1-2)和磁极永磁体(1-3)极性相反，且沿切向交替充磁。
6.根据权利要求1所述的一种磁场调制型低速直驱轮毂电机，其特征在于：所述轭部永磁体(1-2)和磁极永磁体(1-3)材料为钕铁硼。
7.根据权利要求1所述的一种磁场调制型低速直驱轮毂电机，其特征在于：所述定子铁心(2-1)包括定子轭(2-3)和若干沿着定子轭(2-3)外圆周均匀分布的定子齿(2-4)，所述定子齿包括齿颈(2-5)和齿靴(2-6)，相邻两个齿颈(2-5)之间形成定子槽(2-7)，电枢绕组(2-2)分布于定子槽(2-7)内且绕制于齿颈(2-5)上。
8.根据权利要求7所述的一种磁场调制型低速直驱轮毂电机，其特征在于：所述定子铁心(2-1)具有9个定子齿(2-4)和9个定子槽(2-7)。
9.根据权利要求7所述的一种磁场调制型低速直驱轮毂电机，其特征在于：每个所述齿靴(2-6)上凸设三个调磁凸齿(2-8)，三个调磁凸齿(2-8)之间形成两个调制齿槽(2-9)。
10.根据权利要求9所述的一种磁场调制型低速直驱轮毂电机，其特征在于：所述转子(1)的永磁体的永磁磁场极对数与所述电枢绕组(2-2)的电枢磁场极对数满足如下关系：Pa＝|Pm±Ns|，其中，Pm为转子(1)的永磁磁场极对数，Ns为定子上调磁凸齿(2-8)的数量，Pa为电枢绕组(2-2)的电枢磁场极对数。
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