CN107070156B - 一种电动车无刷直流电机 - Google Patents
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Abstract
一种电动车无刷直流电机，属于电动车技术领域，包括定子铁心、转子铁心、励磁绕组、永磁体、电枢绕组和轴。其特征在于：所述无刷直流电机为内转子结构，定子铁心有12k个凸形的定子极，k为正整数；12k个定子极可分为6k对平行定子极，一对平行定子极上的两个定子极的中心线互相平行；一对平行定子极的两个定子极之间有电枢槽，相邻两对平行定子极之间有励磁槽；励磁槽在槽的底部有沿圆周方向凹进的凹陷；每对平行定子极上绕有励磁绕组，每个定子极上都绕有集中式的电枢绕组。本发明的技术励磁绕组与电枢绕组互相隔离，且其反电势为正弦波，有效降低了传统磁阻类电机的转矩脉动。
Description
技术领域
本发明涉及一种电动车无刷直流电机，属于电动车技术领域。
背景技术
目前，永磁直流无刷电机利用半导体器件取代有刷直流电机中的机械换向器，结构简单，运行可靠，没有火花，电磁噪声低，在中小功率的电动车上具有广泛的应用。无刷直流电机定子绕组多做成三相对称星形接法，其反电势多为方波，因此可用直流经过逆变器换相后驱动。
相关的研究中，授权的中国发明专利：低速大转矩永磁无刷电机的分数槽绕组ZL200510093634.7，涉及了磁极数P与铁芯槽数Z及相数M和分布数Q满足如下条件永磁无刷电机： 1)当分布数Q为奇数时，铁芯槽数Z＝Q×M×K，磁极数P＝Z±K；其中K为自然数；2)当分布数Q为偶数时，铁芯槽数Z＝Q×M×K，磁极数P＝Z±2K；其中 K为自然数。
另外，为了降低永磁直流无刷电机的成本，发明人还提出了一种电动车用低成本永磁无刷直流电机（授权专利号：ZL 2015101882812），通过提出新型的凸形软铁制成的假极和永磁磁钢间隔排列粘结在转子铁心上组成一对极，来降低永磁电机的成本。
授权号为ZL2013100794514的发明专利：各相电感对称的四相双凸极无刷直流电机，四相电机拥有四相定子绕组，这种相数冗余的设计使得四相电机可以进一步提高电机的可靠性，以使电动车在故障后主动重构系统的软硬件结构，在不损失性能或仅降低部分性能指标的情况下，使系统实现容错运行。该专利提出了新型的12/9极结构和各相对称的新型绕组配置方式。这与传统的8/6极结构的电机（授权的发明专利CN201120430138.7：一种四相双凸极电机）有着明显的区别。
在此基础上，发明人对多相双凸极电机的极数和极弧系数进行了深入的研究，在《中国电机工程学报》2015年第七期发表了“多相电励磁双凸极发电机极数与极弧系数研究”的学术论文，指出定子极数和转子极数之比应为m/(m+1)或m/(m-1)。
作为已有技术，传统的双凸极电机具有较大的转矩脉动，其换向转矩脉动产生的原理可见《中国电机工程学报》2011年第27期论文“基于半桥变换器的电 励磁双凸极电机角度优化控制策略”。随着研究的深入，发明人发现前期提出的技术仍旧存在较大的换向转矩脉动，因此急需研究一种换向转矩脉动较小的电动车电机。
基于此，本发明提出一种反电势为正弦波的电机以减小换向转矩脉动，同时具备多相绕组以提高系统的可靠性。本发明的技术突破了原有双凸极电机极数之比应为m/(m+1)或m/(m-1)这一技术偏见，因此具有创造性。
发明内容
本发明为解决传统磁阻类电机换向转矩脉动大等问题并提供一个四相高可靠性的可调节磁场的电机，本发明采取以下技术方案：
一种电动车无刷直流电机，包括定子铁心、转子铁心、励磁绕组、永磁体、电枢绕组和轴，其特征在于：
所述无刷直流电机为内转子结构，转子铁心固定在轴上，转子铁心上有11k个均布的凸形转子极，k为正整数；
所述定子铁心有12k个凸形的定子极，12k个定子极分为6k对平行定子极，一对平行定子极上的两个定子极的中心线互相平行；
一对平行定子极的两个定子极之间有电枢槽，相邻两对平行定子极之间有励磁槽，所述励磁槽槽深大于电枢槽；
所述励磁槽在槽的底部有沿圆周方向凹进的凹陷，即一对平行定子极根部宽度小于极端的宽度；
每对平行定子极上绕有励磁绕组，相邻励磁绕组的绕制方向相反；励磁绕组位于励磁槽的底部；
每个定子极上都绕有集中式的电枢绕组，相邻电枢绕组的绕制方向相反；电枢绕组位于励磁槽和电枢槽的槽口。
如上所述的一种电动车无刷直流电机，其特征在于：每一对平行定子极的两个定子极的轭部嵌有切向充磁的永磁体；相邻永磁体的充磁方向相反；所述永磁体在径向的长度小于一对平行定子极定子轭部的厚度。
如上所述的一种电动车无刷直流电机，其特征在于：转子极为斜极结构。
如上所述的一种电动车无刷直流电机，其特征在于：沿圆周方向每三个相邻的电枢绕组串联，所有3k个电枢绕组串联组成一相电枢绕组。
根据以上的技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下的有益效果：
1.四相电机在任意时刻会有四相电感、电动势都在呈正弦变化，可以有效减小换向转矩脉动；
2.相对于传统的三相磁阻电机来说，本发明的双凸极电机的四相定子绕组可以同时工作，在两相导通的同时给另外两相换相，具备更高的容错运行能力和可靠性；
3.励磁绕组和电枢绕组可以通过绝缘纸互相隔离，避免了故障的传播；
4.本发明的电励磁磁链和永磁磁链路径各不一致，可各自调节磁场，具有很高的灵活性；
5.在出现电励磁故障的情况下永磁可以持续出力，在永磁失磁时，电励磁也可以继续工作。
应当指出的是：本发明的极数并不是一个有限数值内的选取问题，而是对传统设计理念禁锢的一种突破，克服了传统双凸极电机极数方面的技术偏见。
附图说明
图1是本发明一种电动车无刷直流电机结构示意图；其中：1、定子铁心；2、转子铁心；3、轴；4、电枢绕组；5、励磁绕组；6、永磁体。
图2是本发明一种电动车无刷直流电机充磁方向示意图；其中：1、定子铁心；2、转子铁心；3、轴；4、电枢绕组；5、励磁绕组；6、永磁体。
图3是一种电动车无刷直流电机各线圈矢量星形图。
图4是一种电动车无刷直流电机各相绕组矢量星形图。
图5是一种电动车无刷直流电机四相感应电势图。
具体实施方式
附图非限制性地公开了本发明所涉及优选实施例的结构示意图；以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。
图1是本发明一种电动车无刷直流电机结构示意图。所述电动车无刷直流电机包括定子铁心(1)、转子铁心(2)、励磁绕组(5)、永磁体(6)、电枢绕组(4)和轴(3)，为内转子结构，转子铁心(2)固定在轴(3)上，转子铁心(2)上有11k个均布的凸形转子极，k为正整数。在本实施例中，k=1。
所述定子铁心(1)有12k个凸形的定子极，12k个定子极分为6k对平行定子极，一对平行定子极上的两个定子极的中心线互相平行。
一对平行定子极的两个定子极之间有电枢槽，相邻两对平行定子极之间有励磁槽，所述励磁槽槽深大于电枢槽。所述励磁槽在槽的底部有沿圆周方向凹进的凹陷，即一对平行定子极根部宽度小于极端的宽度。每对平行定子极上绕有励磁绕组(5)，相邻励磁绕组(5)的绕制方向相反；励磁绕组(5)位于励磁槽的底部。每个定子极上都绕有集中式的电枢绕组(4)，相邻电枢绕组的绕制方向相反；电枢绕组(4)位于励磁槽和电枢槽的槽口。
转子极为斜极结构。
图2是本发明一种电动车无刷直流电机充磁方向示意图，每一对平行定子极的两个定子极的轭部嵌有切向充磁的永磁体(6)；相邻永磁体(6)的充磁方向相反；所述永磁体(6)在径向的长度小于一对平行定子极定子轭部的厚度。
图3是一种电动车无刷直流电机各线圈矢量星形图。图4是一种电动车无刷直流电机各相绕组矢量星形图。沿圆周方向每三个相邻的电枢绕组(4)串联，所有3k个电枢绕组(4)串联组成一相电枢绕组(4)。
图5是一种电动车无刷直流电机四相感应电势图。可以看出各相绕组互相间隔90°电角度，而且各相感应电势呈正弦状。
其工作原理为：
在本电机励磁绕组(5)上通有电流或永磁体(6)充磁时，此时在电机内部会建立起磁场，产生的磁通将经过各相的定子轭部、定子齿部、空气隙、转子齿部、转子轭部形成闭合回路。
电机既可以作为发电机运行，又可以作为电动机运行，当电机以电动机方式运行时可以根据传感器检测到的位置信号，使用控制器对变换器进行控制。当某相定子极与转子极啮合时，给该相通以正向电流；当某相定子极与转子极脱离时，给该相通以负向电流，电机即可对外输出转矩。
通过图3所示的一种电动车无刷直流电机各线圈矢量星形图，可以看出电机各相反电势互相间隔90°电角度，而且本电机任意一相都可以全周期导通工作，即本电机可以四相同时通电运行，因此具有较高的容错能力。
电机发电运行时，原动机带动本电机按一定方向旋转，四相电枢绕组(4)匝链的磁链随着转子位置改变而变化，从而产生四相交变的感应电势。当其作为直流发电机时，用外接的变换器或整流桥整流输出直流电能供给各种电气负载或向蓄电池充电。
Claims (2)
1.一种电动车无刷直流电机，包括定子铁心、转子铁心、励磁绕组、永磁体、电枢绕组和轴，其特征在于：
所述无刷直流电机为内转子结构，转子铁心固定在轴上，转子铁心上有11k个均布的凸形转子极，k为正整数；
所述定子铁心有12k个凸形的定子极，12k个定子极分为6k对平行定子极，一对平行定子极上的两个定子极的中心线互相平行；
一对平行定子极的两个定子极之间有电枢槽，相邻两对平行定子极之间有励磁槽，所述励磁槽槽深大于电枢槽；
所述励磁槽在槽的底部有沿圆周方向凹进的凹陷，即一对平行定子极根部宽度小于极端的宽度；
每对平行定子极上绕有励磁绕组，相邻励磁绕组的绕制方向相反；励磁绕组位于励磁槽的底部；
每个定子极上都绕有集中式的电枢绕组，相邻电枢绕组的绕制方向相反；电枢绕组位于励磁槽和电枢槽的槽口；
每一对平行定子极的两个定子极的轭部嵌有切向充磁的永磁体；相邻永磁体的充磁方向相反；所述永磁体在径向的长度小于一对平行定子极定子轭部的厚度；
沿圆周方向每三个相邻的电枢绕组串联，所有3k个电枢绕组串联组成一相电枢绕组。
2.如权利要求1所述的一种电动车无刷直流电机，其特征在于：转子极为斜极结构。
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