CN109617267A - 一种适用于混合动力汽车的裂槽式磁场调制永磁电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种适用于混合动力汽车的裂槽式磁场调制永磁电机，中间转子内部中沿圆周方向嵌入多个径向截面是长方形的永磁体，每两个永磁体组成一组永磁体模块，一组永磁体模块中的两个永磁体呈V型布置并且两个永磁体不接触，相邻的两组永磁体模块中的两个永磁体呈V型布置时的一个V型开口方向沿径向朝内，另一个V型开口方向则沿径向朝外；每个内定子齿端正中间开有一个内定子虚槽，形成两个内定子铁芯凸极，每个外定子的外定子齿端也开有一个外定子虚槽，形成两个外定子铁芯凸极；通过内外定子裂槽式结构与中间转子V型永磁拓扑结构的配合，基于磁场调制原理，减少气隙磁场中无用谐波含量，增强电机转矩输出能力。
Description
技术领域
本发明属于永磁电机制造技术领域，特指一种基于磁场调制原理的双定子永磁电机。
背景技术
为了缓解日益严重的能源短缺和环境污染问题，迫切需要发展电动汽车、风力发电、海浪发电等新能源领域，在这些新能源领域中，电机常作为能量转换的核心部件，其性能直接关系到系统能源转换效率和可靠性。目前，许多新能源场合需要电机在低速运行条件下输出大转矩，如应用于电动汽车的轮毂电机，应用于风力发电的发电机等，在这类需要低速大转矩的传统工业场合中，目前大多采用普通转速的电机加上机械齿轮箱等变速装置，通过利用机械的变速装置，降低电机的转速以提高转矩，从而满足低速大转矩的要求。使用额外的机械变速装置，虽然可以满足低速大转矩的要求，但是机械变速装置会额外加重电机的噪音、振动、安全性和维护问题，此外，机械变速装置也增加了系统的能量转换环节，从而不可避免的降低了系统效率。
现有的基于磁场调制原理运行的磁齿轮拓扑结构，能提升永磁电机的转矩密度。在该类电机中，电机磁源所产生的低速谐波通过调磁侧的凸极作用在气隙中调制产生高速谐波。如中国专利申请号为201711308185.2的文献中提出的一种将新型磁齿轮符合于传统永磁电机上的拓扑结构，通过不同极化方向永磁体的组合，构建磁齿轮电机在定子上的磁路，使得磁路更加高效合理，在实现低速大转矩输出的同时减小了电机漏磁，从而提高了复合电机的整体转矩密度和效率。但是，这种磁齿轮复合电机具有三层气隙结构与两个旋转部件，机械结构较为复杂，加大了电机加工制造难度。中国专利申请号为201210539414.2的文献中提出一种聚磁式定子永磁型游标电机，在该游标电机中，通过在定子结构中引入调制齿，在定子电枢极数和槽数较少的情况下，利用磁场调制效应产生的多种磁场谐波分量，从而显著增加电机的转矩密度，但是，在该类电机由于电机漏磁较多造成永磁体利用率较低，从而导致传统游标电机功率因数较低。
因此，如何基于磁场调制原理，使得电机能够在相对较低转速下输出较高转矩和较高功率密度，可以同时提高电机功率因数以及永磁利用率，成为混合动力汽车用磁场调制电机领域的亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术所存在的问题，提出一种具有高功率因数、高永磁利用率、高转矩密度、高功率密度特点的适用于混合动力汽车的裂槽式磁场调制永磁电机，以满足电机在相对较低转速下输出较高转矩的同时，提高电机功率因数以及永磁利用率的性能需求。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：在径向上由内到外依次是由非导磁转轴、内定子、中间转子以及外定子同轴心地套装，外定子齿上绕有外电枢绕组，内定子齿上绕有内电枢绕组，中间转子内部中沿圆周方向嵌入多个径向截面是长方形的永磁体，每两个永磁体组成一组永磁体模块，一组永磁体模块中的两个永磁体呈V型布置并且两个永磁体不接触，多组永磁体模块沿中间转子的圆周方向均匀布置，一组永磁体模块中的两个永磁体的充磁方向垂直于永磁体的两侧边且指向V型开口内，相邻的两组永磁体模块中的两个永磁体呈V型布置时的一个V型开口方向沿径向朝内，另一个V型开口方向则沿径向朝外；每个内定子的内定子齿端正中间开有一个内定子虚槽，形成两个内定子铁芯凸极，每个外定子的外定子齿端也开有一个外定子虚槽，形成两个外定子铁芯凸极，外定子铁芯凸极与内定子铁芯凸极具有相同的凸极数。
本发明采用上述技术方案后具有的有益效果是：
1、本发明在内外定子齿采用裂槽式结构，内外定子齿顶部开有虚槽，形成两个虚齿，改善了电机内外定子齿部的磁路走向与磁力线分布情况，从而减小电机齿部漏磁。
2、本发明在中间转子中采用V型永磁体拓扑结构，该V型永磁体拓扑结构通过改变永磁磁链的走向，产生永磁聚磁效果，从而在相同永磁体用量的情况下，提高了该电机的内外气隙磁密，增大电机的转矩输出能力与功率密度。
3、本发明通过内外定子裂槽式结构与中间转子V型永磁拓扑结构的配合，基于磁场调制原理，减少气隙磁场中无用谐波含量，增加气隙磁场中有用谐波含量，从而增强电机转矩输出能力。
4、本发明采用双定子电机结构，内外定子上都有一套绕组，只有中间转子一个旋转部件，从而增加该电机绕组空间以及相应电负载能力，因此，该电机可以有效改善电机的电磁能量分布以及较大增加电机的转矩输出能力，满足电机在较低转速输出较大转矩的能力。
5、本发明采用内外双定子电机结构，使得电机通过内外两层气隙，有效改善电机永磁磁路，极大的降低了电机的外部漏磁与极间漏磁，从而增加了电机的永磁利用率。并且，内外两层的气隙结构，使得该电机能够将传统游标电机中的极间与外部的漏磁磁能转化为电机可以利用的永磁磁能，因此，电机无功损耗降低，从而可以有效提高电机的功率因数。
6、本发明采用内外定子径向相对位置相差180电角度结构，改变了气隙中蕴含的磁能积相对内外定子相对位置角变化率的方向，使得该电机内外气隙产生的定位力矩通过叠加后相互抵消，已达到减小作用在转子上总定位力矩的目的，从而获得有效减小电机转矩脉动。
7、本发明所采用的内外两套电枢绕组分别放电机的内外定子上，从而避免了电机的碳刷与滑环，从而使得带电机获得无刷化的效果。
附图说明
下面根据附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。
图1是本发明结构的径向截面图；
图2是在图1中示出内外电枢绕组的安装与连接方式的示意图；
图3是图1中中间转子的局部结构以及几何尺寸标注放大示意图；
图4是图1中内外定子的局部结构以及几何尺寸标注放大示意图；
图5是本发明沿圆周方向展开的局部视图以及磁通示意图；
图6是本发明中外电枢绕组的空载反电势波形图；
图7是本发明中内电枢绕组的空载反电势波形图。
图中：1. 外定子；2. 外电枢绕组；3. 中间转子；4. 钕铁硼永磁体；5. 外定子铁芯凸极；6. 内定子；7. 内定子铁芯凸极；8. 内电枢绕组；9. 非导磁转轴；10. 外定子虚槽；11. 内定子槽。
具体实施方式
参见图1，本发明由外定子1、中间转子3、内定子6、外电枢绕组2、内电枢绕组8以及非导磁转轴9组成。最外部是外定子1，外定子1同轴心有间隙地空套在中间转子3外，中间转子3同轴心有间隙地空套内定子6外，内定子6同轴心有间隙地空套在非导磁转轴9外。这样，本发明在径向上由内到外依次是由非导磁转轴9、内定子6、中间转子3以及外定子1同轴心地套装。外定子1由外定子轭部和外定子齿组成，外定子齿沿外定子轭部内圈的圆周方向均匀布置，内定子6由内定子轭部和内定子齿部组成，内定子齿沿内定子轭部内圈的圆周方向均匀布置。外定子齿上绕有外电枢绕组2，内定子齿上绕有内电枢绕组8。
在径向上，内定子6的外圈表面与中间转子3的内圈表面留有0.5mm的内气隙，外定子1的内圈表面与中间转子3的外圈表面留有0.5mm的外气隙。外定子1、中间转子3和外定子6都是有0.35mm厚度的D23硅钢片叠压而成，叠压系数为0.95，非导磁转轴9是由散热系数较高的非导磁材料组成。
中间转子3内部中沿圆周方向嵌入多个径向截面是长方形的永磁体4，永磁体4的极对数为Nr。每两个永磁体4组成一组永磁体模块，一组永磁体模块中的两个永磁体4呈V型布置并且两个永磁体4不接触。多组永磁体模块沿中间转子3的沿圆周方向均匀布置。每个长方形永磁体4的短边是径向上的外侧边和内侧边，长边则是沿圆周方向的两则边。一组永磁体模块中的两个永磁体4的充磁方向垂直于永磁体的两侧边且指向V型开口内。相邻的两组永磁体模块中的两个永磁体4呈V型布置时的V型开口方向相反，其中的一组永磁体模块中的两个永磁体4的V型开口方向沿径向朝内，另一组永磁体模块中的两个永磁体4的V型开口方向则沿径向朝外。所有的永磁体4都由钕铁硼材料制成，是钕铁硼永磁体。
参见图2，“+”为外电枢绕组2与内电枢绕组8的进线方向，“-”为外电枢绕组2与内电枢绕组8的出现方向，A，B，C为电机三相绕组。其中，每相绕组一共分为Nc组线圈，且外电枢绕组2与内电枢绕组8分别集中式匝绕于外定子齿与内定子齿上。
参见图1，每个内定子6的内定子齿端正中间开有一个内定子虚槽11，形成两个内定子铁芯凸极7，两个内定子铁芯凸极7分别位于内定子虚槽11的两侧；每个外定子1的外定子齿端也开有一个外定子虚槽10，形成两个外定子铁芯凸极5，两个外定子铁芯凸极5分别位于外定子虚槽10的两侧。外定子铁芯凸极5与内定子铁芯凸极7具有相同的凸极数Ns。外定子1与内定子6的凸极数Ns与中间转子3中所嵌的永磁体4的极对数Nr满足关系式：Ns=3Nc，Nr=Ns±K1，其中，K1=1,2,3…，Nc为单相绕组所含有的线圈个数，Ns可以取6,12,18，K1则可以相应的取1,2,3等整数。因此本发明可有多种极槽配比。
参见图3，所有的永磁体模块在径向截面上的中心线均经过同一圆心O，且圆心O与非导磁转轴9、内定子6以及外定子1的轴心重合。中间转子3的内圈半径是R ri ，中间转子3的外圈半径是R ro ，满足约束关系：1.3≤R ri /R ro ≤1.4。永磁体4的V型夹角为2β pm ，β pm 满足约束关系：25°≤2β pm ≤35°。永磁体4最内端所在圆弧的半径是R pmi ，永磁体4最外端所在圆弧的半径是R pmo ，满足约束关系：1.02≤R pmo /R riv ≤1.05；并且永磁体4最内端所在圆弧的半径R pmi 大于中间转子3的内圈半径是R ri ，永磁体4最外端所在圆弧的半径小于R pmo 中间转子3的外圈半径R ro ，永磁体4整体嵌在与中间转子3内部，与中间转子3的内外圈之间留有距离。
参见图4，内定子铁芯凸极7的极弧为β ti ，内定子6上的内定子虚槽11的槽底极弧为β si ；外定子铁芯凸极7的极弧为β to ，外定子虚槽10的槽底极弧为β so 。基于磁场调制原理，为增加气隙磁场中有效谐波含量，内定子铁芯凸极7的极弧β ti 与内定子虚槽11的极弧为β si 满足约束关系：1.75≤β ti /β si ≤1.95；外定子铁芯凸极7的极弧β to 与外定子虚槽10的极弧β so 满足约束关系：1.05≤β to /β so ≤1.25。
参见图5所示的本发明沿圆周方向展开的局部视图以及磁通示意图，中间转子3与内定子6以及外定子1的相对位置为：由于中间转子3的相对运动方向为顺时针旋转，因此，外定子1的第二个外定子铁芯5与一组永磁体模块相对应。一组永磁体模块中的两块永磁体4的磁路相互并联。第一组永磁体模块中的第一个永磁体4产生的磁通a1与第二个永磁体4产生的磁通b1均以顺时针方向穿过内电枢绕组8与外电枢绕组2，磁通a1的路径如下：依次经过第一组永磁体模块中的第一个永磁体4、外气隙、第一个外定子齿上的第二外定子铁芯凸极5、外定子轭、第二个外定子齿上的第二个外定子铁芯凸极5、外气隙、第二组永磁体模块中的第二个永磁体4、内气隙、第二个内定子6上的第一个内定子铁芯凸极7、内定子轭、第一个内定子6上的第一个内定子铁芯凸极7、内气隙、第一组永磁体模块中的第一个永磁体4。第二个永磁体4产生的磁通b1的路径如下：依次经过第一组永磁体模块中的第二个永磁体4、外气隙、第一个外定子齿上的第二个外定子铁芯凸极5、外定子轭、第二个外定子齿上的第一个外定子铁芯凸极5、外气隙、第二组永磁体模块中的第一个永磁体4、内气隙、第二个内定子6上的第一个内定子铁芯凸极7、内定子轭、第一个内定子6上的第二个内定子铁芯凸极7、内气隙、第一组永磁体模块中的第二个永磁体4。由此可见，磁通a1和磁通b1以同方向经过外定子1与内定子6，形成一条完整的并联磁路。因此，本发明具有较强的聚磁效应，可以提高较高的气隙磁密。
图6为本发明中内电枢绕组8的空载反电势波形图，图7为本发明中外电枢绕组2的空载反电势图，可以看出，基于磁场调制原理，通过中间转子2的V型布置的永磁体4以及内外定子的配合针对性优化设计，电机齿间漏磁明显降低，并且内电枢绕组8和外电枢绕组2的空载反电势的波形显示出较高的正弦度，且适合于无刷交流控制运行。
Claims (6)
1.一种适用于混合动力汽车的裂槽式磁场调制永磁电机，在径向上由内到外依次是由非导磁转轴（9）、内定子（6）、中间转子（3）以及外定子（1）同轴心地套装，外定子齿上绕有外电枢绕组（2），内定子齿上绕有内电枢绕组（8），其特征是：中间转子（3）内部中沿圆周方向嵌入多个径向截面是长方形的永磁体（4），每两个永磁体（4）组成一组永磁体模块，一组永磁体模块中的两个永磁体（4）呈V型布置并且两个永磁体（4）不接触，多组永磁体模块沿中间转子（3）的圆周方向均匀布置，一组永磁体模块中的两个永磁体（4）的充磁方向垂直于永磁体的两侧边且指向V型开口内，相邻的两组永磁体模块中的两个永磁体（4）呈V型布置时的一个V型开口方向沿径向朝内，另一个V型开口方向则沿径向朝外；每个内定子（6）的内定子齿端正中间开有一个内定子虚槽（11），形成两个内定子铁芯凸极（7），每个外定子（1）的外定子齿端也开有一个外定子虚槽（10），形成两个外定子铁芯凸极（5），外定子铁芯凸极（5）与内定子铁芯凸极（7）具有相同的凸极数。
2.根据权利要求1所述的一种适用于混合动力汽车的裂槽式磁场调制永磁电机，其特征是：外定子（1）与内定子（6）的凸极数Ns与永磁体（4）的极对数Nr满足式：Ns=3Nc，Nr=Ns±K1， K1=1,2,3…，Nc为单相绕组所含有的线圈个数。
3.根据权利要求1所述的一种适用于混合动力汽车的裂槽式磁场调制永磁电机，其特征是：中间转子（3）的内圈半径是R ri ，中间转子（3）的外圈半径是R ro ，1.3≤R ri /R ro ≤1.4。
4.根据权利要求1所述的一种适用于混合动力汽车的裂槽式磁场调制永磁电机，其特征是：一组永磁体模块中的两个永磁体（4）的V型夹角为2β pm ， 25°≤2β pm ≤35°。
5.根据权利要求1所述的一种适用于混合动力汽车的裂槽式磁场调制永磁电机，其特征是：永磁体（4）最内端所在圆弧的半径是R pmi 、最外端所在圆弧的半径是R pmo ，1.02≤R pmo /R riv ≤1.05。
6.根据权利要求1所述的一种适用于混合动力汽车的裂槽式磁场调制永磁电机，其特征是：内定子铁芯凸极（7）的极弧为β ti ，内定子虚槽（11）的极弧为β si ；外定子铁芯凸极7的极弧为β to ，外定子虚槽（10）的极弧为β so ，1.75≤β ti /β si ≤1.95，1.05≤β to /β so ≤1.25。
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