CN212278088U - 一种定子双分区电机结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及电机技术领域，公开了一种定子双分区电机结构，包括同心布置的转子、环绕转子的内区定子和环绕内区定子的外区定子；外区定子与内区定子之间设置有外气隙，内区定子与转子之间设置有内气隙；外区定子包括外区定子铁心和设于外区定子铁心上的集中电枢绕组，内区定子由径向交替充磁的永磁体组成，转子由转子轭和转子轭上凸出的转子齿组成；内分区定子、外分区定子与电机外壳固定连接，转子与电机的转轴固定连接。与现有技术相比，本实用新型在常规定子双分区电机结构基础上，采用定子短距分离式结构，在外区定子每个磁极中采用多齿结构，在内区定子上采用径向交替充磁永磁结构，提高定子分区电机的气隙磁密和转矩密度。
Description
技术领域
本实用新型涉及电机本体设计技术领域，特别涉及一种电动汽车用的定子双分区电机结构。
背景技术
作为电动汽车的关键部件，电动机的性能对整个驱动系统有着重要影响。针对电动汽车应用特点，现有技术中尚需解决的问题有：1、电机具有较大的转矩输出能力；2、电机具有较高可靠性。
目前永磁磁通切换电机由于其高转矩密度、高效率、高鲁棒转子结构而受到关注。该结构本质上是一类定子永磁式电机，转子上无绕组及永磁体，绕组和永磁体均位于定子上，由于定子上永磁体聚磁效应使得电机具有高气隙磁密，可实现较大转矩输出能力，具有良好的应用前景。同时，也由于永磁体和绕组放置在电机内同一部件即定子上，使得：1. 减少了绕组放置空间，限制了电机转矩输出能力的进一步提高；2. 使得定子磁场饱和程度较大，降低了电机过载能力；3. 增加永磁体温升及永磁体不可逆退磁的风险。而若将永磁体置于转子上，如表贴式永磁同步电机，由于永磁体置于内转子外表面且随转子旋转，因此永磁体的安装与固定存在难题，且不适用于电机高速运行工况；若将永磁体内嵌于转子中，电机加工复杂程度增加，且电机的气隙磁密和转矩密度均随之下降。
Z. Q. Z h u （诸自强）教授等人于2015年在IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS的51卷第4期的论文《Novel electrical machines having separate PM excitationstator》和51卷第5期中的论文《Novel doubly salient permanent magnet machineswith partitioned stator and iron pieces rotor》提出了采用定子分区的定子永磁电机结构，其电枢绕组位于电枢绕组所在定子上，永磁体位于励磁绕组所在定子上，解决了电枢绕组和永磁体的空间冲突，并缓解了定子温升，提高了永磁体工作稳定性。
然而，由于常规定子分区永磁电机中，永磁体和电枢绕组所在的分区定子分别置于转子内、外侧，中间转子只能通过一侧转子支架与转轴连接，不利于转子的稳定运行，尤其是在高速和大转矩运行场合；且由于在两分区定子与转子间存在两个气隙，相比较原有单气隙永磁磁通切换电机，其空载气隙磁密和相等电负荷下的输出转矩均有所削弱。因此，对于定子分区电机，如何提高转子运行稳定性和提高定子分区永磁电机的永磁气隙磁密、电机转矩密度是需要关注的问题。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种具有高转矩密度的多齿定子双分区电机结构，适用于电动汽车驱动领域，提高常规定子分区永磁电机的空载气隙磁密。
技术方案：本实用新型提供了一种定子双分区电机结构，包括同心布置的转子、环绕转子的内区定子和环绕内区定子的外区定子；所述外区定子与内区定子之间设置有外气隙，内区定子与转子之间设置有内气隙；所述外区定子包括外区定子铁心和设于外区定子铁心上的集中电枢绕组，所述内区定子由径向交替充磁的永磁体组成，所述转子由转子轭和转子轭上凸出的转子齿组成；所述内区定子、外区定子与电机外壳固定连接，所述转子与电机的转轴固定连接。
进一步地，所述外区定子铁心包括外区定子轭和P s个沿着外区定子轭内圆周均匀分布的外区定子齿，任意相邻两个外区定子齿之间形成一个外区定子槽，每个外区定子齿都包括齿颈和齿靴，每个齿靴上都凸设三个矩形调磁凸齿。
进一步地，所述外区定子铁心内具有P s个沿着外区定子轭内圆周间隔分布且朝向转子的所述外区定子槽口，所述m相电枢绕组分别分布于P s个外区定子槽内，且绕制于外区定子齿上，满足P s=6n，其中n为正整数。
进一步地，所述三个调磁凸齿中的中间调磁凸齿中心线与同一外区定子齿上齿颈的中心线对齐，中间调磁凸齿与其两侧的端部调磁凸齿之间形成两个矩形槽。
进一步地，所述内区定子由P s块永磁体沿圆周方向固定连接，相邻永磁体采取径向交替充磁方式。
进一步地，永磁体选用汝铁硼永磁材料。
进一步地，所述内区定子上每块永磁体径向中心线与外区定子槽径向中心线对齐，所述内区定子2上相邻永磁体间连接面与外区定子齿颈径向中心线对齐。
进一步地，所述转子上的转子齿沿转子轭外圆周方向均匀分布于转子轭上。
有益效果：
1、本实用新型在常规定子双分区电机结构基础上，采用“外区定子-内区定子-转子”的定子短距分离式结构，在外区定子每个磁极中采用多齿结构，在内区定子上采用径向交替充磁永磁结构，可提高定子分区电机的气隙磁密和转矩密度。
2、由于采用“外区定子-内区定子-转子”的定子短距分离式结构，相对于“外区定子- 转子-内区定子”的定子双分区电机结构，转子内径可与转轴外径直径固定连接，具有较好的运行稳定性。
3、本实用新型由于永磁体与绕组分别放置在电机不同部件，内分区定子上有永磁体无绕组，外分区定子上仅有电枢绕组无永磁体，相对于常规定子永磁电机，增加了绕组放置空间，可增加电机输出转矩，且由于降低了电机绕组及永磁体的温升，提高了永磁体工作稳定性和电机运行可靠性。
4、本实用新型所采用的转子结构简单，既无永磁材料，也无绕组，具有较高鲁棒性，特别适用于高速运行。
附图说明
图1为本实用新型实施例电机径向截面结构示意图；
图2为本实用新型实施例电机外区定子径向截面图；
图3为本实用新型实施例电机内区定子径向截面图；
图4为本实用新型实施例电机转子径向截面图；
图5（a）为电机空载运行时有限元仿真的空载反电动势；
图5（b）为电机空载运行时内气隙的径向气隙磁密仿真曲线；
图5（c）为电机空载运行时外气隙的径向气隙磁密仿真曲线。
图中：1、外区定子，1-1、电枢绕组，1-2、外区定子磁轭，1-3、齿颈，1-4、齿靴，1-5、调磁凸齿，1-6、外区定子槽，2、内区定子，2-1、永磁体，3、转子，3-1、转子轭，3-2、转子齿。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型进行详细的介绍。
以图1-图4所示的3相外区定子12槽/内区定子12极/转子10极定子短距分离式电机为例，具体说明本实用新型的技术方案。
本实用新型的电机如图1所示，包括同心布置的转子3、环绕转子3的内区定子2和环绕内区定子2的外区定子1。
外区定子1与内区定子2之间设置有外气隙，内区定子2与转子3之间设置有内气隙。外区定子1包括外区定子铁心和设于外区定子铁心上的集中电枢绕组1-1，内区定子2呈圆环形且由径向交替充磁的永磁体2-1组成，转子3由转子轭3-1和转子轭3-1上凸出的转子齿3-2组成。内分区定子2、外分区定子1与电机外壳固定连接，转子3与电机转轴固定连接。
如图2所示，外区定子铁心包括外区定子轭1-2和P s个沿着外区定子轭1-2内圆周均匀分布的外区定子齿，任意相邻两个外区定子齿之间形成一个外区定子槽1-6，每个外区定子齿都包括齿颈1-3和齿靴1-4，每个齿靴1-4上都凸设三个矩形调磁凸齿1-5。三个调磁凸齿1-5中的中间凸齿中心线与同一外区定子齿上齿颈1-3的中心线对齐，中间凸齿与其两侧的端部凸齿之间形成两个矩形槽。
如图2所示，所以外区定子槽1-6有P s个，位于外区定子铁心内，沿着外区定子轭1-2内圆周间隔分布且朝向转子3，m相电枢绕组1-1分布于P s个槽1-6内，且绕制于外区定子齿上，满足P s=6n，其中n为正整数。
如图3所示，内区定子2由P s块扇环形永磁体2-1沿圆周方向固定连接，内区定子2整体呈圆环形，相邻永磁体2-1采取径向交替充磁方式，永磁体2-1选用汝铁硼永磁材料。内区定子2上每块永磁体2-1径向中心线与外区定子槽1-6径向中心线对齐，内区定子2上相邻永磁体间连接面与外区定子齿颈1-3径向中心线对齐。
如图4所示，转子3上的转子齿3-2沿转子轭3-1外圆周方向均匀分布于转子轭3-1上。
如图5（a）所示，为电机空载运行时有限元仿真的空载反电动势，显示出较大的空载反电动势幅值和较好的正弦性，因此可以采用矢量控制方式。图5（b）和图5（c）显示了电机空载运行时内、外气隙的径向气隙磁密仿真曲线，内、外气隙磁密幅值分别达到1.51T，因此可实现较大的转矩密度。
本实用新型通过采用多齿定子短距分离的定子双分区电机，既解决了常规定子永磁电机中永磁体和电枢绕组空间相互限制的问题，不仅降低了永磁体温升从而提高了永磁体工作点的稳定性，也降低了双气隙对于气隙磁密、电机转矩密度和电机效率的影响，实现提升转矩密度的同时提高转子运行稳定性目的。
上述实施方式只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种定子双分区电机结构，其特征在于，包括同心布置的转子（3）、环绕转子（3）的内区定子（2）和环绕内区定子（2）的外区定子（1）；所述外区定子（1）与内区定子（2）之间设置有外气隙，内区定子（2）与转子（3）之间设置有内气隙；所述外区定子（1）包括外区定子铁心和设于外区定子铁心上的集中电枢绕组（1-1），所述内区定子（2）由径向交替充磁的永磁体（2-1）组成，所述转子（3）由转子轭（3-1）和转子轭（3-1）上凸出的转子齿（3-2）组成；所述内区定子（2）、外区定子（1）与电机外壳固定连接，所述转子（3）与电机的转轴固定连接。
2.根据权利要求1所述的定子双分区电机结构，其特征在于，所述外区定子铁心包括外区定子轭（1-2）和P s个沿着外区定子轭（1-2）内圆周均匀分布的外区定子齿，任意相邻两个外区定子齿之间形成一个外区定子槽（1-6），每个外区定子齿都包括齿颈（1-3）和齿靴（1-4），每个齿靴（1-4）上都凸设三个矩形调磁凸齿（1-5）。
3.根据权利要求2所述的定子双分区电机结构，其特征在于，所述外区定子铁心内形成P s个沿着外区定子轭（1-2）内圆周间隔分布且朝向转子（3）的所述外区定子槽（1-6），所述m相电枢绕组（1-1）分别分布于P s个外区定子槽（1-6）内，且绕制于外区定子齿上，满足P s=6n，其中n为正整数。
4.根据权利要求2所述的定子双分区电机结构，其特征在于，所述三个调磁凸齿（1-5）中的中间调磁凸齿中心线与同一外区定子齿上齿颈（1-3）的中心线对齐，中间调磁凸齿与其两侧的端部调磁凸齿之间形成两个矩形槽。
5.根据权利要求2所述的定子双分区电机结构，其特征在于，所述内区定子（2）由P s块永磁体（2-1）沿圆周方向固定连接，相邻永磁体（2-1）采取径向交替充磁方式。
6.根据权利要求5所述的定子双分区电机结构，其特征在于，永磁体（2-1）选用汝铁硼永磁材料。
7.根据权利要求5所述的定子双分区电机结构，其特征在于，所述内区定子（2）上每块永磁体（2-1）径向中心线与外区定子槽（1-6）径向中心线对齐，所述内区定子（2）上相邻永磁体（2-1）间连接面与外区定子齿颈（1-3）径向中心线对齐。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的定子双分区电机结构，其特征在于，所述转子（3）上的转子齿（3-2）沿转子轭（3-1）外圆周方向均匀分布于转子轭（3-1）上。
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