CN217445220U - 一种模块化集中绕线双五相永磁电机及驱动/动力机构 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于电机制造领域，提供了一种模块化集中绕线双五相永磁电机及驱动/动力机构。该电机包括：转子和设置在转子两侧的内定子和外定子，所述内定子与转子之间、外定子与转子之间均设有相等的气隙距离，所述内、外定子的相邻相组间均设有相等电角度的气隙间隔，所述内定子与外定子沿转子的运动方向设有一个定子齿宽的偏移量。本实用新型所述的电机的两个内外定子采用错位技术，即两个定子沿转子运动方向偏移一个齿(槽)距离，实现了磁通交替聚合，改善了气隙磁密波形，提高了电机的电磁转矩，同时抑制了转矩脉动。

Description

一种模块化集中绕线双五相永磁电机及驱动/动力机构

技术领域

本实用新型属于电机制造领域，具体涉及一种模块化集中绕线双五相永磁电机及驱动/动力机构。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本实用新型相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

随着能源问题的加剧和国家政策扶持力度的增大，电动汽车行业得到快速的发展。其中电机及其驱动系统是电动汽车的核心部件，它决定着电动汽车能否安全可靠、绿色舒适地运行，也是汽车工业中需要重点攻克的技术之一。

传统电动汽车大多采用三相永磁同步电机(PMSM)，但容错能力和控制自由度较差。因此，多相PMSM，例如五相PMSM，由于其更好的容错性而被认为是更好的候选者。发现增加相数有利于减小转矩脉动，提高可靠性。考虑到由于相数增加而导致铜成本增加，研究了五相系统作为多相系统中的最佳选择。五相PMSM在由定子励磁产生的磁场中表现出较低的谐波含量，并增加了每安培的转矩，并降低了较高频率的脉动转矩的幅度。总的来说，五相电机主要集中在单定子单转子结构上，这将限制机器转矩密度的进一步提高。因此，多相电机的双定子配置将有助于进一步提高转矩性能。永磁同步电机利用永磁材料构建电机磁路，其与异步电机相比无需励磁电流，具有更高的电流利用率和功率密度，因此永磁电机也是今后车用电机的发展趋势。由于电动汽车狭小的车内环境和不可预见的路况条件，研发高功率密度、高效率的永磁电机及其驱动系统是车用电机研制的关键技术。五相电机具有更好的容错性，除了在电动汽车领域外，在舰船推动、航空航天等需要高可靠性运行的领域也得到了越来越多的关注和应用。近年来，国内外的高校和科研机构对五相永磁电机的容错控制策略也进行了深入的研究。

聚磁式永磁体结构在铁氧体五相永磁电机中的应用，不仅提高了电机的功率密度，而且带来了很大的电磁转矩。电磁转矩脉动会引起不可接受的振动、噪声、位置控制不良，甚至导致运行故障。高性能铁氧体五相永磁电机中，必须尽量减少电磁转矩脉动。然而，由于具有聚磁效果的转子结构相对复杂，对其降低电磁转矩脉动的技术研究目前相对较少，并且存在诸多问题。比如：永磁体最优极点设计可以降低电磁转矩脉动，但以精确的电弧参数计算和功率密度退化为代价；正弦化永磁体设计可以保持较高的输出转矩，大大降低转矩脉动，但由于永磁体结构相对复杂，只能适用于低磁极电机。其他方法，如永磁体斜极，也不可避免地带来性能下降和制造困难。

实用新型内容

本实用新型为了解决上述问题，提出了一种模块化集中绕线双五相永磁电机及驱动/动力机构，本实用新型所述的电机具有高输出电磁转矩，且有效地抑制电磁转矩脉动。

根据一些实施例，本实用新型采用如下技术方案：

第一个方面，本实用新型提供了一种模块化集中绕线双五相永磁电机。

一种模块化集中绕线双五相永磁电机，包括：转子和设置在转子两侧的内定子和外定子，所述内定子与转子之间、外定子与转子之间均设有相等的气隙距离，所述内、外定子的相邻相组间均设有相等电角度的气隙间隔，所述内定子与外定子沿转子的运动方向设有一个定子齿宽的偏移量。

进一步地，所述外定子采用星形接法；所述内定子上设有十组相组集中绕组线圈，每一相包含两个相组，同相相组相邻排布，采用依次连接b相第一相组、b相第二相组、c相第一相组、c相第二相组、 d相第一相组、d相第二相组、e相第一相组、e相第二相组、a相第一相组、a相第二相组的方式。

进一步地，所述转子为聚磁式永磁体转子结构，所述永磁体在圆周方向切向充磁，且相邻的两个永磁体磁化方向相反。

进一步地，所述内定子和外定子均由硅钢片叠成，两个定子上均设有电枢绕组，无永磁体；

进一步地，所述内定子和外定子均由硅钢片叠成，其中外定子上设有电枢绕组，无永磁体，内定子上无电枢绕组，也无永磁体。

进一步地，所述内定子或外定子上同一相中槽宽和齿宽都相同，两个不同相之间的槽宽大于同一相中的槽宽。

进一步地，所述内定子或外定子同一相内的槽宽与不同相之间的槽宽的比率为5/7。

进一步地，所述内、外定子的五相绕组均为五相对称分布模式，相邻两相相位差的电角度为7π/10。

进一步地，每个内外定子同一相内的相邻绕组线圈极性相反。

进一步地，每个内、外定子上的绕组均采用模块化设计，同一相的绕组作为一个模块；

进一步地，每个内、外定子上每一相内的齿数为n₁，每个内、外定子一相的组数为n₂，则每个内、外定子的定子齿的数量为Q＝5n₁n₂；

进一步地，与定子长度对应转子上永磁体的数目为P＝5n₁n₂+n₂；

进一步地，所述转子为若干个结构相同的转子单元串联而成。

第二个方面，本实用新型提供了一种驱动/动力机构。

一种驱动/动力机构，包括第一个方面所述的模块化集中绕线双五相永磁电机。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

1、本实用新型所述的电机采用聚磁式永磁体转子结构，具有磁通聚合效果，在保证电机高性能的同时可以采用低成本铁氧体永磁体，从而电机的生产制造成本大大降低。

2、本实用新型所述的相组集中绕线方式，定子上每相绕组模块化设计，大大提高了电机的容错能力，采用集中绕组提高了绕组系数，减小了铜耗，从而提高了电机效率。

3、本实用新型所述的电机的两个内外定子采用错位技术，即两个定子沿转子运动方向偏移一个齿(槽)距离，实现了磁通交替聚合，改善了气隙磁密波形，提高了电机的电磁转矩，同时抑制了转矩脉动。

4、本实用新型所述的电机具有高功率密度、良好的效率的同时，具有低制造成本、低电磁转矩脉动的优点。

5、本实用新型由两套控制器节省为一套控制器，拥有高功率密度和高输出电磁转矩，有效地抑制一定次数的谐波。

附图说明

构成本实用新型的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。

图1为实用新型实施例一的模块化集中绕线五相电机的结构界面示意图；

图2描绘了本实施例的反电动势相量图；

图3是根据本实用新型实施例一的绕组磁链对比图；

图4是根据本实用新型实施例一的空载反电动势对比图；

图5是根据本实用新型实施例一的齿槽转矩对比图；

图6是根据本实用新型实施例一的电磁转矩对比图；

图7是根据本实用新型实施例二的绕组磁链对比图；

图8是根据本实用新型实施例二的空载反电动势对比图；

图9是根据本实用新型实施例二的齿槽转矩对比图；

图10是根据本实用新型实施例二的电磁转矩对比图；

图11为本实用新型实施例二的模块化集中绕线五相电机的结构界面示意图；

图12为本实用新型实施例二的内定子结构示意图；

图13为本实用新型实施例二的外定子结构示意图；

图14为本实用新型实施例二的转子结构示意图；

图15是本实用新型实施例二的装配体结构示意图；

其中，1是外定子，2是内定子，3是转子，4是电枢绕组，5是铁氧体永磁体，6-1、6-2是外定子A相电枢绕组，7是内定子a相电枢绕组，8是轴承，9是转轴，10是机壳，永磁体上箭头方向为永磁体磁化方向。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本实用新型提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本实用新型所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本实用新型的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本实用新型中，术语如“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本实用新型中的具体含义，不能理解为对本实用新型的限制。

实施例一

本实施例提供了一种模块化集中绕线双五相永磁电机。

一种模块化集中绕线双五相永磁电机，包括：转子和设置在转子两侧的内定子和外定子，所述内定子与转子之间、外定子与转子之间均设有相等的气隙距离，所述内、外定子的相邻相组间均设有相等电角度的气隙间隔，所述内定子与外定子沿转子的运动方向设有一个定子齿宽的偏移量。

图1为本实施例所述的一种模块化集中绕线双五相永磁电机的部分结构界面示意图。所述电机是由外定子1、内定子2和转子3组成，两个定子与转子两边之间有气隙。定子由凸极铁芯组成。

具体的，外定子1、内定子2是由基于定子相组集中绕线方式的特定结构设计，由硅钢片叠成，两个定子上均上有电枢绕组，但无永磁体。外定子绕组分布为“A₁-D₂-B₁-E₂-C₁-A₂-D₁-B₂-E₁-C₂”，内定子绕组分布为“a₁-d₂-b₁-e₂-c₁-a₂-d₁-b₂-e₁-c₂”，外定子采用星形连接方式，当双边错位90°电角度时，内定子各相绕组比外定子各相绕组反电势滞后90°，外定子绕组排列不变，调整内定子各个单元绕组的连接方式，相电压变为线电压连接，则内定子电压u_ae的相位与外定子电压 u_C相同，内定子电压u_ba的相位与外定子电压u_D相同，内定子电压u_cb的相位与外定子电压u_E相同，内定子电压u_dc的相位与外定子电压 u_A相同，内定子电压u_ed的相位与外定子电压u_B相同，这样可以保证内定子对于外定子的电压不变，其原理相量图如图2所示。重新定义内定子上的绕组排列为“b₁-b₂-c₁-c₂-d₁-d₂-e₁-e₂-a₁-a₂”。同一相内槽和齿宽设计均设计为π/2·τ(τ为基准宽度，根据电机的具体规格确定)，而两个不同相之间的槽宽为7π/10·τ，用于产生五相平衡反电动势。一组同一相内的齿距与不同相之间的齿距的比率定义为σ＝w₁/w₂＝(π/2·τ)/(7π/10·τ)＝5/7，其中w₁为一个相组内的齿距，w₂为两个不同相之间的齿距。即定子上相组内齿距和不同相之间的齿距尺寸应满足以上比例关系。

对于外定子1、内定子2，每一相内相邻线圈具有相反的极性，他们的矢量角为π(电角度)。因此，考虑到永磁体的反转磁化方向，它们电角度矢量角相差为2π(电角度)，每个线圈的感应电动势会是同向的。

五相绕组为五相对称分布模式，相邻两相相位差的电角度为 7π/10(电角度)，因此可以产生五相平衡反电动势。

内外定子上没有永磁体但有电枢绕组，电枢绕组为相组集中绕线方式，如图1所示，●与×符号表示的电流方向相反。

具有相同槽/齿布置的两个定子采用双定子错位技术，即沿转子运动方向偏移一个定子齿宽度，以实现磁通交替聚合的目的，因为两个定子对转子的齿槽转矩可以相互抑制，所以转子上的齿槽转矩以大大减小。

外定子1、内定子2均采用相组集中绕线方式，可以实现高绕组分布系数。

作为一种或多种实施方式，本实施例电机的转子由硅钢片叠成，采用具有磁通聚合效果的转子结构，其中磁体沿切向方向磁化并且磁化方向从一个磁体到相邻磁体的极性交替反转。即相邻两个永磁体的磁化方向相反。

作为一种或多种实施方式，在每个定子上每一相内的齿数为n₁，每个定子一相的组数为n₂，则外定子1、内定子2上齿的数量Q分别为Q＝5n₁n₂。

双定子分布在转子两侧，定子优先选用开槽型用于磁通聚合。定子为固定端，转子为运动端，可以在切向方向上自由运动。本实施例的一种实现方案，外定子取相组线圈数n₁为2，每相组数n₂为2；内定子取相组线圈数n₁为4，每相组数n₂为1；即每个定子上有20个齿，绕组采用相组集中绕线方式缠绕在齿上，每4个齿属于一相，如图1所示为A相绕组，顺时针依次排列为B、C、D、E相；齿宽和槽宽相等，单相内的槽宽和相间的槽宽比例为5/7，以此产生五相平衡反电动势。两个定子沿着转子运动方向偏移一个槽宽的距离，实现磁通交替聚合。

转子非永磁体部分由硅钢片叠压而成，本实例中与定子等长转子部分为一转子单元，转子单元上的铁氧体永磁体的数量为 P＝5n₁n₂+n₂＝22，永磁体的分布情况如图1所示，磁化方向如图1中永磁体上箭头方向所示。

在其它实施例中，本实施例的电机可以设计为应用于电动机和发电机。

本实施例的电机选用的永磁体为低成本铁氧体，但不限于此，选用其他永磁体均可。

定子绕组的设计证明可以实现最大的感应电动势矢量，从而提高功率密度和效率。这是因为一相内的相邻绕组线圈被设计成极性相反的事实，考虑到永磁体中水平交替的磁化方向，每个绕组线圈的感应电动势将遵循相同的方向，从而产生最大的感应电动势矢量。

综上，为了实现铁氧体磁体电机的高性能，本电机采用具有磁通聚合效果的转子结构，即沿着转子运动方向铁氧体永磁体切向磁化，且转子中相邻的两个永磁体磁化方向相反，以此实现磁通聚合效果；定子绕组是集中绕线方式，目的是提高绕组系数和减少端部绕线，提高电机效率，并且每相绕组采用模块化设计，提高电机容错能力；定子由基于定子相组集中线圈绕组的特定结构设计，采用双定子错位技术，实现磁通交替聚合的效果，提升电机的输出转矩，同时两个气隙磁场产生的齿槽转矩相互抑制，以此来有效抑制电磁转矩脉动。

本实施例的工作原理是：

当A相绕组通入电流时，当转子上磁极运动到与外定子1的槽对齐时，依据磁阻最小原则，上气隙达到最大磁通量。同样，当转子上磁极运动到与内定子2上的槽对齐时，依据磁阻最小原则，此时下气隙达到最大磁通量。因此，每个气隙中的磁通量密度得到改善。电机动子运动到磁极与定子齿非对齐状态的任意位置时电机的磁路形态，此时会在外定子1与转子、内定子2与转子之间同时形成磁路。因为本电机在定子结构与转子结构上的尺寸关系、定子齿槽数与转子数量的关系，当一相处于定子槽与磁极对齐时，其余两相必定处于磁极与定子槽非对齐状态。

综合考虑一相内的相邻线圈具有相反的极性，考虑到永磁体中的交替磁化方向，每个线圈的感应电动势将遵循相同的方向，从而产生最大的感应电动势矢量，如图2。假设绕组通过正弦电流时，可以获得比基本模型更高的合成输出转矩。

同时该实例电机的两套定子绕组可以分别独立控制，采用双五相控制策略，可以进一步提高电机的容错能力。

因为在定子上五相绕组在水平方向上距离7π/10电角度，因此转子在做圆周运动时会在五相绕组中产生五相平衡的感应电动势。同理在定子绕组中通入三相平衡的电流，转子会做圆周运动。

图3是根据本实用新型实施例一双定子相组集中绕线聚磁式五相永磁电机(曲线1)和相同结构的传统双定子未采用双定子错位技术五相电机(曲线2)的绕组磁链对比图。曲线1为本实施例双定子相组集中绕线聚磁式五相永磁电机的A相磁链，曲线2为传统双定子未采用双定子错位技术五相电机的A相磁链，由图可以看到，由于磁通交替聚合的特点，本实施例所述电机的绕组磁链较大。

图4是根据本实施例双定子相组集中绕线聚磁式五相永磁电机 (曲线3)和相同结构的传统双定子未采用双定子错位技术五相电机 (曲线4)的空载反电动势对比图。其中曲线3为本实施例双定子相组集中绕线聚磁式五相永磁电机的A相绕组空载反电动势，曲线4为传统双定子未采用双定子错位技术五相电机的A相绕组空载反电动势；由图可得，本实施例所述电机的空载反电动势波形正弦度更好，有效值也更大。

图5是根据本实施例双定子相组集中绕线聚磁式五相永磁电机 (曲线5)和相同结构的传统双定子未采用双定子错位技术五相电机 (曲线6)的齿槽转矩对比图。其中曲线5为本实施例双定子相组集中绕线聚磁式永磁直线电机的齿槽转矩，曲线6为传统双定子未采用双定子错位技术直线电机的齿槽转矩；由图可知，本实施例所述电机齿槽转矩更小。

图6是根据本实施例双定子相组集中绕线聚磁式五相永磁电机 (曲线7)和相同结构的传统双定子未采用双定子错位技术五相电机 (曲线8)的电磁转矩对比图。曲线7为本实施例双定子相组集中绕线聚磁式五相永磁电机的电磁转矩，曲线8为传统双定子未采用双定子错位技术五相电机的电磁转矩，由图可知，本实施例所述电机电磁转矩更大，且波动更小。

实施例二

如图11所示，本实施例提供的一种电机是由外定子1、辅助定子2和转子3组成，两个定子与转子两边之间有气隙。定子由凸极铁芯组成。和上述实施例的区别在于，两个定子分别为外定子和辅助定子，且每个定子距转子有一定的气隙距离，两个气隙距离相等。

外定子是由基于定子相组集中绕线方式的特定结构设计，由硅钢片叠成，外定子上有电枢绕组，但无永磁体。辅助定子上无电枢绕组，也无永磁体。在外定子同一相中，槽和齿宽设计均设计为π/2·τ(τ为基准宽度，根据电机规格不同而不同)，而两个不同相之间的槽宽为 7π/10·τ，用于产生五相平衡反电动势。一组同一相内的齿距与不同相之间的齿距的比率定义为σ＝w₁/w₂＝(π/2·τ)/(7π/10·τ)＝5/7，其中w₁为一个相组内的齿距，w₂为两个不同相之间的齿距。即定子上相组内齿距和不同相之间的齿距尺寸应满足以上比例关系。

外定子上的绕组采用相组集中绕线方式，可以削弱高次谐波电势、抑制齿槽转矩，同时具有高绕组分布系数和低端部绕线的优点，减少绕组端部用铜量，降低铜耗，提高电机效率。

该实例外定子和辅助定子采用错位技术，辅助定子的作用使得电磁转矩和电磁转矩脉动大大降低。

因此在定子上五相绕组各相距离7π/10电角度，转子在切向运动时会在五相绕组中产生五相平衡的感应电动势。同理在定子绕组中通入五相平衡的电流，转子会做圆周运动。

图7是根据本实施例带辅助定子的聚磁式五相永磁电机(曲线1) 和相同结构的传统单边定子聚磁式五相永磁电机(曲线2)的A相绕组磁链对比图。由图可知本实施例所述电机绕组磁链正弦度更好。

图8是根据本实施例带辅助定子的聚磁式五相永磁电机(曲线3) 和相同结构的传统单边定子聚磁式五相永磁电机(曲线4)的A相绕反电动势对比图。由图可得，本实施例所述电机的空载反电动势波形正弦度更好，但是有效值略有减小。

图9是根据本实施例带辅助定子的聚磁式五相永磁电机(曲线5) 和相同结构的传统单边定子聚磁式五相永磁电机(曲线6)的齿槽转矩对比图。由图可知，本实施例所述电机齿槽转矩大大减小。

图10是根据本实施例带辅助定子的聚磁式五相永磁电机(曲线 7)和相同结构的传统单边定子聚磁式五相永磁电机(曲线8)的A 相电磁转矩对比图。由图可知，本实施例所述电机电磁转矩平均值略有减小，但是波动大大减小。

图12、13、14分别为五相同步永磁电机的内定子、外定子以及转子的加工数模图，图15为电机装配图，包括外定子1、内定子2、转子3、电枢绕组4、轴承8、转轴9和机壳10。

实施例三

本实施例提供了一种驱动/动力机构。

一种驱动/动力机构，包括实施例一或实施例二所述的模块化集中绕线双五相永磁电机。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种模块化集中绕线双五相永磁电机，包括：转子和设置在转子两侧的内定子和外定子，所述内定子与转子之间、外定子与转子之间均设有相等的气隙距离，其特征在于，所述内、外定子的相邻相组间均设有相等电角度的气隙间隔，所述内定子与外定子沿转子的运动方向设有一个定子齿宽的偏移量。

2.根据权利要求1所述的模块化集中绕线双五相永磁电机，其特征在于，所述外定子采用星形接法；所述内定子上设有十组相组集中绕组线圈，每一相包含两个相组，同相相组相邻排布，采用依次连接b相第一相组、b相第二相组、c相第一相组、c相第二相组、d相第一相组、d相第二相组、e相第一相组、e相第二相组、a相第一相组、a相第二相组的方式。

3.根据权利要求1所述的模块化集中绕线双五相永磁电机，其特征在于，所述转子为聚磁式永磁体转子结构，所述永磁体在圆周方向切向充磁，且相邻的两个永磁体磁化方向相反。

4.根据权利要求1所述的模块化集中绕线双五相永磁电机，其特征在于，所述内定子和外定子均由硅钢片叠成，两个定子上均设有电枢绕组，无永磁体；

或，所述内定子和外定子均由硅钢片叠成，其中外定子上设有电枢绕组，无永磁体，内定子上无电枢绕组，也无永磁体。

5.根据权利要求1所述的模块化集中绕线双五相永磁电机，其特征在于，所述内定子或外定子上同相槽宽和齿宽都相同，相间槽宽大于同相槽宽。

6.根据权利要求5所述的模块化集中绕线双五相永磁电机，其特征在于，所述内定子或外定子同一相内的槽宽与不同相之间的槽宽的比率为5/7。

7.根据权利要求1所述的模块化集中绕线双五相永磁电机，其特征在于，所述内、外定子的五相绕组均为五相对称分布模式，相邻两相相位差的电角度为7π/10。

8.根据权利要求1所述的模块化集中绕线双五相永磁电机，其特征在于，每个内外定子同一相内的相邻绕组线圈极性相反。

9.根据权利要求1所述的模块化集中绕线双五相永磁电机，其特征在于，每个内、外定子上的绕组均采用模块化设计，同一相的绕组作为一个模块；

或，每个内、外定子上每一相内的齿数为n₁，每个内、外定子一相的组数为n₂，则每个内、外定子的定子齿的数量为Q＝5n₁n₂；

或/和，与定子长度对应转子上永磁体的数目为P＝5n₁n₂+n₂；

或，所述转子为若干个结构相同的转子单元串联而成。

10.一种驱动/动力机构，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的模块化集中绕线双五相永磁电机。

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