CN203056717U - 一种永磁磁阻型轮毂电机 - Google Patents

Abstract

一种永磁磁阻型轮毂电机，包括外转子和内定子，内定子上设置有三相绕组，外转子沿周向均布设置有磁钢，其特征在于：外转子的内圆周面成型有间隔设置的凹槽，磁钢嵌设于凹槽内，磁钢截面呈矩形，所有磁钢面向内定子的极性相同；相邻凹槽之间形成有导磁凸极，导磁凸极和磁钢为间隔交替设置，导磁凸极面向内定子一侧端的截面曲线呈外凸的弧形；外转子的槽数和磁极数采用近槽配合方式。本实用新型的优点在于：在不增加工艺复杂度的前提下，能有效减少磁钢用量，提高磁阻转矩的输出；导磁凸极采用弧形凸面，有效减小电机转矩脉动，保证电机运转的平稳性，提高产品可靠性。

Description

一种永磁磁阻型轮毂电机

技术领域

本实用新型涉及一种永磁磁阻型电机，特别是一种可适用于电动自行车或电动摩托车的永磁磁阻型外转子轮毂电机。

背景技术

永磁电机采用永磁体生成电机的磁场，无需励磁线圈也无需励磁电流，效率高且结构简单，是很好的节能电机，常被作为驱动电动自行车的电机首选。

2012年中国电动自行车保有量达到1.4亿辆，并且每年以3000万辆左右的规模增长。普通电动自行车主要使用外转子无刷直流轮毂电机，采用表贴式隐极结构，如专利号为ZL200820082308.5的中国实用新型专利《电动车轮毂电机》所公开的转子结构，这类隐极电机转矩来源于电磁转矩，因而需要使用大量稀土永磁磁钢，该专利所需磁钢以N极、S极极性交替紧密贴放，实际上两种磁钢紧密贴放的相邻区域磁力线直接连通，没有耦合至转子，并且无刷电机实现的是120°导通模式，因此磁钢紧密贴放的形式是一种浪费，但是磁钢贴装生产工艺简单。又如专利号为201020049324.1的中国实用新型《电动车电机转子间贴式磁钢圈》公开了这样一种结构，该专利将转子磁钢做窄，两种极性的磁钢留有间隙，并提出用凸台控制磁钢的安装，虽然减少了磁钢的用量，但是无法利用磁阻转矩实现电机驱动。

另有，申请号为201110061396.7的中国发明申请《电动车电机》公开了一种电动车无刷电机减少磁钢用量的方法，将磁钢的数目减少一半，只安装同极性的磁钢，间隔以凸极导磁凸体，宣称可以大量减少磁钢用量，但是该方法指明是用于无刷电机，无刷电机工作需要一定的磁通，气隙磁通密度要满足产生转矩的要求，永磁磁钢作为激励源，只采用一种极性的磁钢，该磁钢必然要加厚加宽，实际节省用量的效果不一定会超出前者；其次，该专利电机的磁路不再对称，有产生磁阻转矩的能力，但该专利中并没有提及磁阻转矩的利用（必须要通过合适的控制方法实现，如FOC控制策略）的问题；此外，该专利存在的另一个问题是，导磁凸极采用矩形结构，其形状对转矩的影响较大，当转子凸极与定子齿顶作相对运动移入移出时，会产生较大的转矩脉动及定位力矩，造成换相转矩脉动噪音大，转子表面易损耗，影响其在电动车上应用的效果。

目前，电动车电机仍是采用无刷直流电机及相关的控制方式，这种方式根据霍尔位置检测器获知转子位置，对三相绕组进行轮流换相导通，控制方法简单，但存在换相转矩脉动噪音较大，及转子表面损耗较大等缺点。以FOC、DTC等控制方案为代表的算法，实现了正弦波驱动控制，电机磁场由无刷直流的步进方式改变为连续平稳运转方式，转动平稳、效率高，可很好利用电机磁阻转矩，增加出力或减少磁钢用量，已被认为使电动自行车驱动控制发展方向，但是，这类高性能控制对转子位置的检测精度要求较高，在电动自行车上安装编码器检测位置，因成本问题显得不现实，不能为市场接受。另外，带有凸极性的永磁电机可方便地实施无位置传感器控制技术，省去位置检测元件，降低了系统成本并增加可靠性，但是，由于无位置传感器控制技术一般针对正弦波驱动的永磁同步电机，对电机电感有一定要求，不经优化的凸极式无刷直流电机难以应用。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对上述现有技术现状而提供一种能有效提高磁阻转矩、减少磁钢用量且保证电机运行平稳的永磁磁阻型轮毂电机。

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种永磁磁阻型轮毂电机，包括外转子和内定子，其中，所述的内定子上设置有三相绕组，所述外转子沿周向均布设置有磁钢，其特征在于：所述外转子的内圆周面成型有间隔设置的凹槽，所述磁钢嵌设于所述凹槽内，所述磁钢截面呈矩形，所有所述磁钢面向所述内定子的极性相同；相邻的所述凹槽之间形成有导磁凸极，所述导磁凸极和所述磁钢为间隔交替设置，其中，所述导磁凸极面向所述内定子一侧端的截面曲线呈外凸的弧形；并且，所述外转子的槽数和磁极数采用近槽配合方式。

所谓近槽配合，是指电机外转子的磁极数与槽数相近的一种分数槽电机的极槽配合形式，采用近槽配合，并配合单极性的磁钢加弧形导磁凸极的结构，有助于电机产生可利用的磁阻转矩，从而达到减少磁钢用量的目的。

由于目前的无刷电机多为采用三相逆变供电的三相电机，故槽数应以3的整数倍为佳，如为9槽/8极、15槽/16极等等，作为优选，所述的近槽配合为以下两种方式之一：①、以9槽/8极为基本单元的正整数倍；②、以9槽/10极为基本单元的正整数倍。

为使得各谐波磁场最小化，作为优选，所述磁钢的极弧长度与所述导磁凸极的极弧长度比值为a:(1-a)，其中，0.4<a<0.6。对于普通双极性磁钢的永磁电机，磁钢的气隙磁场必然是对称的，但是采用本申请提出的单极性磁钢与弧形导磁凸极交替安排的新拓扑结构时，永磁磁极与弧形导磁凸极所处的气隙磁场分布实际上是不对称的，由此会对电机的转矩输出产生一定的影响，如果a取值过小(如a<0.4)，虽然能够减少磁钢用量，但是输出磁阻转矩的效率降低；如果a取值过大(如a>0.6)，输出磁阻转矩的效率能获得有效提高，但同时磁钢的用量增加，为了能够在最优效率的前提下，同时减少磁钢的用量，a的取值需要在一个合适的范围内，以0.4到0.6区间范围内为最佳。

确定弧形凸极的凸面曲线的具体方法有多种，可以由设计者在保证电机基本输出能力的前提下，通过优化确定，作为优选，所述导磁凸极的弧形可以优选地为由同一曲率半径形成的圆弧凸面。

作为另一优选，所述导磁凸极的弧形也可以为由多段曲率半径不同的圆弧平滑过渡形成的弧形凸面。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：1、对传统电动自行车的轮毂电机进行改进，采用永磁和磁阻转矩组合输出的方式，相比普通双极性磁钢的无刷直流电机，在不增加工艺复杂度的前提下，能有效减少磁钢用量，提高磁阻转矩的输出；2、导磁凸极采用弧形凸面，有效减小电机转矩脉动，保证电机运转的平稳性，提高产品可靠性；3、采用弧形凸面的导磁凸极结构，能够优化电感波形，使电感波形随位置变化的极值点与磁极数一致，在最大与最小值间呈单调变化，以便于观测转子磁极位置，有利于实施无位置传感器控制技术；4、相邻的弧形导磁凸极之间自然形成凹槽，有利于磁钢的嵌放定位，减小漏磁。5、能够简化高频注入转子位置信号提取算法，省去霍尔元件，节省材料并提高系统可靠性。本实用新型的电机既可用于电动自行车外转子电机，也可用于电动摩托车电机。

附图说明

图1为本实用新型实施例的电机转子和定子配合的截面结构示意图（磁钢未全放）。

图2为本实用新型实施例具有弧形导磁凸极的电机转子截面局部放大示意图。

图3为现有技术中具有平行气隙导磁凸极的电机截面局部放大图。

图4为本实用新型实施例的电机与图3所示现有技术电机的转矩波形对比图。

图5为本实用新型实施例的电机与图3所示现有技术电机的相电感波形对比图。

图6为现有技术中的双极性磁钢电机的电枢反应磁场数值分析图（去掉磁钢）。

图7为本实用新型实施例电机的电枢反应磁场数值分析图（去掉磁钢）。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。

如图1、图2所示，本实施例为一种用于电动自行车的永磁磁阻型轮毂电机，该电机采用外转子结构，包括内定子1、外转子2、轴和轮毂外壳，内定子1固定于轴上，外转子2固定于轮毂外壳上，轴和轮毂外壳采用的结构与常规电动自行车电机相同，定子铁芯与常规外转子无刷直流电机的定子结构相同，本实施例的内定子1为36槽（齿）均匀分布，定子绕组3三相对称分布，相位互差120度，绕组3线圈集中绕制在一个齿上，即线圈上下边放置于相邻定子槽内。

本实施例的外转子2在内圆周面成型有间隔设置的凹槽21，凹槽21内嵌设有磁钢4，磁钢4截面呈矩形，所有磁钢4面向内定子1的极性相同；相邻的凹槽21之间形成导磁凸极22，导磁凸极22和磁钢4为间隔交替设置，导磁凸极22面向内定子1一侧端的截面曲线呈外凸的弧形，为有效利用磁阻转矩，并减小转矩脉动，外转子2的槽数和磁极数采用近槽配合。所谓近槽配合，是指电机的磁极数与槽数相近的一种分数槽电机的极槽配合形式，如以9槽/8极、9槽/10极等作为基本单元，选择上述槽极配合的正整数倍数（1、2、3、4、5、6……）。对于低转速电机来说，槽数多，槽极配合可以为36槽/32极（分别为9槽/8极的四倍关系），这种槽极配合常被用于电动自行车的轮毂电机设计中；而高速电机的情况则相反，可以采用如18/16极（为9槽/8极的二倍关系）、9槽/8极（为9槽/8极的一倍关系）等。对于近槽配合的其他方式，如槽数极数的偶数配合12槽/10极、槽数磁极数较大的配合15槽/16极或15槽/14极，由于齿槽与导磁凸极的错位小或作用相抵，不利于磁阻转矩产生，不宜采用。

本实施例的极槽配合采用三相36槽32极的近槽配合配合方式，将一台36槽的电动自行车的普通无刷直流轮毂电机的定子冲片不变，将转子换成本实用新型所提出的结构，气隙不变，电机的磁钢厚度、长度相同，宽度略增；样机试验结果表明，电机的出力不变，但原方波驱动的无刷电机的最高效率为84.6%，而本实施例的正弦波驱动的电机最高效率提高到85.5%，重要的是磁钢用量几乎减少一半。

如图2所示，本实施例导磁凸极的截面弧形曲线的具体确定方法有多种，可以由设计者通过多次有限元磁场分析确定，在保证电机基本输出能力的前提下，根据优化的出发点不同，来确定导磁凸极的弧形曲线的形状。本实施例对导磁凸极的外凸弧形曲面的确定基于转矩脉动减小和电机相电感曲线随转子位置呈现规则变化这两个出发点，通过多次磁场有限元数值分析优化选取。

具体地，该导磁凸极的外凸弧形端面可以为由同一曲率半径形成的圆弧凸面，该导磁凸极22的外凸端面的弧形边由两相邻交点X、Z及转子内径与导磁凸极的外凸圆弧中心线的交点Y三点确定；外转子2沿周长均匀分成16等份，每一等份由安装有磁钢4的凹槽21和导磁凸极22组成，且每一等份的长度为2πr₁/16；设定每一等份中磁钢4的极弧长度占据该等份的总长度百分比为a，则导磁凸极22极弧长度占据的百分比为(1-a)，即磁钢4的极弧长度与导磁凸极22的极弧长度比值为a:(1-a)，于是，磁钢4的长度L₁=(2πr₁×a)/16，磁钢4的厚度为(r₂-r₁)，导磁凸极22的长度L₂=[2πr₁×(1-a)]/16，其中，r₁为外转子2的内径，r₂为与导磁凸极22的弧形端面相切的中心圆半径；对于普通双极性磁钢的永磁电机，磁钢的气隙磁场分布必然是对称的，但是采用本实施例提出的单极性磁钢与弧形导磁凸极交替安排的新拓扑结构时，永磁磁极与弧形导磁凸极所处的气隙磁场分布实际上是不对称的，这会对电机转矩的输出产生影响，为使各谐波磁场最小化，就需选择合适的a值，通过多次有限元数值分析优化确定，a过大或过小均会影响电机性能；如果a取值过大(如a>0.6)，输出磁阻转矩的效率能获得有效提高，但同时磁钢的用量增加，当a取值过小(如a<0.4)，虽然能够减少磁钢用量，但是输出磁阻转矩的效率降低；实际设计时，应当配合齿顶宽度选取，本实施例经电磁仿真优化，优选地，应以0.4<a<0.6为宜，此时，能够使得电机性能达到最佳状态。另外，本实施例导磁凸极22的截面弧形曲线也可采用由多段曲率半径不同的圆弧平滑过渡形成，曲率半径的实际大小可以通过磁场分析软件分析后确定。

图3是现有技术中具有导磁凸极的电机截面局部放大图，该电机包括有定子1’和转子2’，转子2’内圈的导磁凸极21’的凸面为矩形结构，导磁凸极21’和磁钢3’之间形成的是平行气隙；本实施例采用局部模型有限元分析方法，对电机性能进行模拟，得到图4、图5所示的对比图。

其中，图4为具有平行气隙的导磁凸极的电机与具有弧形导磁凸极的电机转矩波形对比，两者的相电流均为10A，除转子结构外，电机的其他部分均相同，可以看到，导磁凸极的形状对转矩影响很大，利用平行气隙的凸极(矩形凸极)，当转子凸极与定子齿顶凸极作相对运动移入移出时，会有很大的转矩脉动及定位力矩，使电机运转不平稳。本实施例将导磁凸极形状设计成中间外凸的弧形凸面，弱化原平行气隙凸极边缘磁导的剧烈变化，减小转矩脉动，电机运行更加平稳；同时，本实施例采用的磁钢4为矩形截面，较普通瓦型磁钢，磁钢的利用率高，磁钢4面向圆形的定子，使得磁钢4中心气隙小于磁钢4边缘的气隙，也有利于气隙磁场谐波含量，于是，弧形导磁凸极的边缘与矩形磁钢的边缘自然分离，带来的另一好处是可以减小永磁体漏磁。

图5为具有平行气隙导磁凸极的电机与具有弧形导磁凸极的电机相电感波形对比，由对比结果可见，本实施例为具有弧形导磁凸极的电机，其电感按分区基本平滑变化，可以通过检测各相的电感，来推算转子磁极位置，满足相关控制需要。

本实施例电机的转矩方程如下：

$T_e=\frac{3}{2}p[{\mathrm{\&psi;}}_f{i}_q+(L_d-L_q)i_d{i}_q]$

该电机转矩由两部分组成，一部分是永磁励磁的电磁转矩，另一部分是磁阻转矩，普通永磁电机的磁阻转矩的产生依赖于提高交轴磁路磁导，最有效的手段是采用磁钢内埋式，但是这样使电机结构复杂，工艺成本增加，不适合电动自行车电机采用。

本实施例贴装的永磁磁钢的极性一样，如同为N极（或同为S极），则导磁凸极表现为S极（或N极），由此可产生常规的永磁励磁电磁转矩。以近槽配合9槽/8极单元为例，定子的9个齿（相当于定子的9个凸极，称齿凸极），每个齿绕一个集中绕组（8/9短距），即每个槽跨过的极距为九分之八，近槽配合使得绕组跨距与磁极极距接近，各相绕组没有交叠，对电枢反应磁场来说，由于由于每个9槽/8极单元中的4个导磁凸极的存在，使得电枢反应磁场磁力线存在跨极距的闭合通路。于是，对照普通双极性磁钢的外转子轮毂电机，其整个外转子内侧均为低磁导的磁钢，电枢反应磁场弱，而本实施例的磁钢4与导磁凸极交替排列，电机的直轴磁路因磁钢的存在而磁阻较大，与普通贴装双极性磁钢的电机差异不大，但交轴磁路磁导由于导磁凸极的存在而与普通双极性磁钢的电机差异较大。

图6和图7分别为电机的电枢反应磁场的数值分析图，其中，图6为普通双极性磁钢的轮毂电机去掉磁钢后的电枢反应磁场的数值分析结果，该分析过程中将导磁凸极设置为与磁钢一样的导磁率（即非导磁材料），根据分析结果可以看到，磁场很弱；图7为将本实施例电机的磁钢4去掉后的电枢反应磁场数值分析结果，可以看到磁场大大增强，采用本实施例的弧形导磁凸极后，电机可以形成可利用的磁阻转矩，通过合适的控制策略（如已有的FOC控制策略），可以实现磁阻转矩与电磁转矩的有效组合，即在输出同样大小的转矩的条件下，可以减少电磁转矩，从而减小永磁磁钢的用量。

另一方面，要利用磁阻转矩，根据电机理论，三相合成电流矢量必须与转子磁极轴线保持一定的角度，其转矩公式可表示成：

$T_e=\frac{3}{2}p[{\mathrm{\&psi;}}_f{i}_q\sin \mathrm{\&beta;}+\frac{1}{2}(L_d-L_q)i_s^2\sin 2\mathrm{\&beta;}]$

上式中，β为定子电流矢量和转子磁链ψ_f（转子磁极轴线）的夹角。显然，调节β大小，可实现每安培最大转矩磁场定向矢量（FOC）控制，输出转矩一定，增加磁阻力矩减小电磁转矩，也就是本实施例需要通过相适应的FOC控制技术才能发挥磁阻转矩、以达到减小磁钢用量目的。

但是，要实现每安培最大转矩FOC控制，首先要知道转子磁极的轴线位置，这就需要安装光电编码器或旋转变压器等位置检测元件，但是对于低成本的电动自行车来说，安装一个价格较贵的位置检测元件不会为市场接受，这也是当前广泛采用低成本的霍尔元件作为电动车无刷直流电机位置检测器的原因。通常，电动自行车电机都是采用三个霍尔元件作为检测元件，在360电角度范围内，仅输出6个位置变化信号，这种检测方式用于转子磁极位置的定位精度低，不足以支持FOC算法。

目前，电机的无位置传感器技术已经得到广泛的研究，并且由于控制芯片DSP性价比的提升，使得在电动自行车控制器中采用无位置传感器技术成为可能，由此可以省掉霍尔位置检测器及相关电路，特别是霍尔器件是电动自行车电机的最主要的故障来源，采用无位置传感器技术大大提高整机的可靠性，可减小后期维修成本。

现有技术中的无位置传感器技术有多种可实现方案，在电机处于中高速运转的情况下，各方案的技术性能无大的差别，但是电动自行车的驱动要求有低速大转矩的能力，保证启动过程的平稳有力，这使得高频电流注入电机相电感以观测检测转子位置的方法（简称高频注入法）成为首选。其中，高频注入法的基本原理是检测电机的各相电压及电流，提取高频分量，转子位置不同，各相绕组电流中的高频电流分量的大小随转子位置不同而变化，根据电机的数学模型，获知电机相电感，即可按一定的算法推知转子位置。

本实施例将外转子2的导磁凸极设计为弧形外凸的端面，而不采用平行于定子外圈的弧面(平行气隙)，其主要目的是减小转矩脉动，同时，这种弧形导磁凸极结构还可以使相电感值的变化表现为单峰值形状，而不是双峰值，使得无位置传感器技术的控制算法（如高频注入法）易于实施，并且保证了检测的可靠性。

Claims (5)

1.一种永磁磁阻型轮毂电机，包括外转子和内定子，其中，所述的内定子上设置有三相绕组，所述外转子沿周向均布设置有磁钢，其特征在于：所述外转子的内圆周面成型有间隔设置的凹槽，所述磁钢嵌设于所述凹槽内，所述磁钢截面呈矩形，所有所述磁钢面向所述内定子的极性相同；相邻的所述凹槽之间形成有导磁凸极，所述导磁凸极和所述磁钢为间隔交替设置，其中，所述导磁凸极面向所述内定子一侧端的截面曲线呈外凸的弧形；并且，所述外转子的槽数和磁极数采用近槽配合方式。 

2.根据权利要求1所述的永磁磁阻型轮毂电机，其特征在于：所述的近槽配合为以下两种方式之一：①、以9槽/8极为基本单元的正整数倍；②、以9槽/10极为基本单元的正整数倍。 

3.根据权利要求1所述的永磁磁阻型轮毂电机，其特征在于：所述磁钢的极弧长度与所述导磁凸极的极弧长度比值为a:(1-a)，其中，0.4<a<0.6。 

4.根据权利要求1或2或3所述的永磁磁阻型轮毂电机，其特征在于：所述导磁凸极的弧形为由同一曲率半径形成的圆弧凸面。 

5.根据权利要求1或2或3所述的永磁磁阻型轮毂电机，其特征在于：所述导磁凸极的弧形为由多段曲率半径不同的圆弧平滑过渡形成的弧形凸面。 

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