CN112751435B - 一种外转子轮毂电机的磁集成式偏心磁极结构 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种外转子轮毂电机的磁集成式偏心磁极结构。本发明涉及直接驱动式轮毂电机技术领域，所述偏心磁极结构包括永磁体主磁极和铁氧体辅助磁极；所述永磁体主磁极用于产生气隙主磁通，与定子产生的旋转磁场作用产生转矩驱动车辆轮毂旋转；所述铁氧体辅助磁极用于与永磁体主磁极集成后，使气隙磁密波动接近正弦波，降低气隙磁密中的谐波含量，降低转矩脉动。本发明在基本不降低输出转矩的前提下，减小了磁极中永磁体的用量，降低了电机成本。同时，通过阶梯式排布的铁氧体辅助磁极等效对永磁体进行偏心削极，降低了气隙磁场中的谐波含量，抑制了电机的转矩脉动。
Description
技术领域
本发明涉及直接驱动式轮毂电机技术领域，是一种外转子轮毂电机的磁集成式偏心磁极结构。
背景技术
日益严重的石油危机，资源枯竭等问题使得电动汽车重新获得了世界的关注。作为电动汽车核心部件，驱动电机直接决定了车辆的驾驶性能和生产成本，对电动汽车的推广和发展起到了至关重要的作用。受到了各个汽车厂商以及研究机构的格外关注。相比于传统的永磁同步电机，轮毂电机驱动系统可以将制动装置和驱动装置集成在一起，从而减小了电机体积，提升了功率密度，实现了车载电机的小型化。因此，轮毂电机已成为国内外汽车厂商和研究机构的研究重点。
轮毂电机可以分为减速驱动式轮毂电机和直接驱动式轮毂电机两类。其中直驱式轮毂电机采用外转子结构，该驱动方式省去了减速器等复杂机械结构，减少了辅助设备的应用，使得电动汽车的成本故障率大幅降低。然而，由于轮毂电机需要直接安装于车辆的轮毂之中，使得车载电机的数量大于传统的使用永磁同步电机的车辆。另一方面，由于车辆直接受轮毂电机的转子直接驱动，电机的输出稳定性直接决定了电动汽车的驾驶舒适性。综上所述，成本问题和输出稳定性问题是限制轮毂电机大规模推广的两个主要瓶颈。
为了解决电机成本和转矩脉动问题，国内外各研究机构针对上述方法进行了大量研究。文献[罗正豪,井立兵,高起兴.分段偏心磁极表贴式永磁电机优化设计[J].微特电机,2018,46(10)]提出了一种分段式的偏心磁极结构，通过采用分段Halbach阵列永磁体可以效地降低气隙磁密谐波，抑制转矩脉动。然而该结构中磁极由充磁方向不同的永磁体组成，使得永磁体用量较大，成本较高。文献[何洲红.面包型偏心磁极永磁电机磁极优化设计[J].微电机,2020,53(08):27-32.]提出了一种采用反余弦消极结构的面包型磁芯，通过计算最优偏心距，能够有效地降低转矩脉动，但该结构同样存在永磁体用量较大，成本较高的不足。专利[申请号：CNIO8347113A]提出了一种双层组合式磁极结构，通过使用充磁方向不同的永磁体和铁氧体磁芯组合的方式，增加了基波磁场幅值，降低谐波含量。但双层的磁极结构进一步增加了电机成本。专利[申请号：CNIO5449968A]提出了一种组合式表贴磁极结构，通过在永磁体中嵌入铁氧体的方式，减少了永磁体用量，降低了成本。但该结构不能有效地降低气隙谐波磁密，因此存在转矩脉动大的不足。综上所述，采用集成式磁极结构和偏心磁极结构是分别降低电机成本和转矩脉动的两个主要方法，然而现有研究中，磁极结构的优化通常只考虑了单一优化目标，使得现有结构无法同时满足轮毂电机对低成本和低转矩脉动的要求。
发明内容
本发明在基本不降低输出转矩的前提下，减小了磁极中永磁体的用量，降低了电机成本。同时，通过阶梯式排布的铁氧体辅助磁极等效对永磁体进行偏心削极，降低了气隙磁场中的谐波含量，抑制了电机的转矩脉动。另一方面，相比于传统的偏心式磁极结构，本发明所述的结构不需要对永磁体磁极和转子铁芯进行偏心处理，降低了电机的加工难度，本发明提供了以下技术方案：
一种外转子轮毂电机的磁集成式偏心磁极结构，所述偏心磁极结构包括永磁体主磁极和铁氧体辅助磁极；
所述永磁体主磁极用于产生气隙主磁通，与定子产生的旋转磁场作用产生转矩驱动车辆轮毂旋转；
所述铁氧体辅助磁极用于与永磁体主磁极集成后，使气隙磁密波动接近正弦波，降低气隙磁密中的谐波含量，降低转矩脉动。
优选地，所述永磁体主磁极采用钕铁硼材料，永磁体主磁极采用径向充磁方式，永磁体主磁极的下表面为圆滑的圆弧结构，半径为Rin，圆心为O0，磁极对应的角度为θm；
所述永磁体主磁极的上表面为阶梯圆弧形结构，阶梯数目为2m+1，其中，m为正整数；单个阶梯结构的上下表面为同心的圆弧形状，高度为h；所有的阶梯结构的高度均相同，且对应的角度相同，均为θm/(2m+1)；
所有阶梯结构的边角均位于圆心为O1，半径为Rout的圆弧之上，其中，圆心O0和圆心O1之间的距离为偏心距a。
优选地，通过阶梯圆弧形结构，永磁体主磁极等效进行了偏心处理；所述的阶梯结构关于永磁体磁极的中轴线呈对称结构，阶梯结构的高度从外侧到磁极中轴线递增。
优选地，随着阶梯数目2m+1增大，永磁体主磁极产生的气隙磁场与经过偏心削极处理后的永磁体磁极产生的磁场的一致性增大；阶梯数目2m+1由永磁体主磁极对应的角度为θm决定，轮毂电机极数越少，θm越大，为了降低永磁体主磁极产生的气隙磁场中的谐波分量，增大m。
优选地，通过增大偏心距a，增大永磁体主磁极产生的气隙磁场中的基波分量的幅值，有效地降低气隙磁场中的谐波磁场含有率，抑制转矩脉动。
优选地，所述铁氧体辅助磁极采用软磁铁氧体材料，铁氧体辅助磁极的圆弧下表面的半径为Rin，圆心为O0，对应的角度为θs；铁氧体辅助磁极的上部分为阶梯形层状圆弧，阶梯数目为m+1；单个阶梯结构的上下表面为同心的圆弧形状，所有的阶梯结构的高度均为h；外侧阶梯圆弧结构对应的角度为θs，内侧阶梯圆弧结构且对应的角度为θm/(2m+1)；铁氧体辅助磁极的阶梯型结构与永磁体主磁极的阶梯型结构互补，紧密啮合在一起。
优选地，所述铁氧体辅助磁极与永磁体主磁极啮合后，形状为圆弧结构，圆弧下表面的半径为Rin，圆弧上表面的Rrotor，半径为圆心为O0，对应的角度为θm+2θs。
优选地，当
时，所述磁集成式偏心磁极结构最大程度削减3次和5次谐波；当
时，所述磁集成式偏心磁极结构最大程度削减7次、13次谐波。
优选地，当
时，所述磁集成式偏心磁极结构最大程度削减11次、13次谐波、15次谐波、17次谐波和19次谐波。
优选地，在确定永磁体主磁极和铁氧体主磁极对应的角度时，应根据气隙磁场中主要谐波的次数来具体设计θm和θs的比值。
本发明具有以下有益效果：
本发明综合了传统的组合式磁极结构和偏心磁极结构的优点，可以同时降低电机中永磁体的用量和气隙磁场中谐波含量，兼具了低成本和低转矩脉动的优点。相比于传统的永磁体磁极结构，本发明所述结构通过集成永磁体主磁极和铁氧体辅助磁极的方式，在基本不降低输出转矩的前提下，使用铁氧体替代了永磁体磁极，减小了磁极中永磁体的用量，降低了电机成本。同时，通过阶梯式排布的铁氧体辅助磁极等效对永磁体进行偏心削极，降低了气隙磁场中的谐波含量，抑制了电机的转矩脉动。另一方面，相比于传统的偏心式磁极结构，本发明所述的结构不需要对永磁体磁极和转子铁芯进行偏心处理，降低了电机的加工难度。
附图说明
图1为本发明所述的磁集成式偏心磁极的轮毂电机结构示意图；
图2为一种传统的轮毂电机结构示意图；
图3为本发明所述的磁集成式偏心磁极轮毂电机的结构示意图；
图4为传统的偏心削极的磁极结构的结构示意图；
图5为传统的集成式磁极的结构示意图；
图6为本发明所述的磁集成式偏心磁极轮毂电机与传统的表贴式轮毂电机的气隙磁密波形对比图。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。
具体实施例一：
针对传统的外转子表贴式轮毂电机，使用成本低廉的铁氧体材料作为辅助磁极，替代传统磁极中的永磁材料，进而降低稀土永磁体的用量，实现降低成本的目的；通过将永磁体磁极设计为阶梯形圆弧结构，等效对永磁体磁极进行偏心处理，使得磁体主磁极产生的气隙磁场与经过偏心削极处理后的永磁体磁极产生的磁场的基本一致，进而削弱气隙磁场中谐波含量，达到抑制转矩脉动的目的；同时，由于铁氧体材料的剩磁远低于稀土永磁材料剩磁，通过阶梯形状的永磁体主磁极和阶梯形状的铁氧体辅助磁极的集成组合，可以使气隙磁密的波形更加接近正弦波，进一步改善轮毂电机的输出稳定性；此外，铁氧体材料的抗退磁能力强于稀土永磁材料，将铁氧体材料与稀土永磁体材料集成后，可以极大得降低原本稀土永磁材料的局部退磁风险，提高电机运行可靠性；进一步地，阶梯圆弧形的永磁体主磁极结构避免了对磁极进行偏心削极，可以降低了电机的加工难度，同时集成后偏心磁极机构的外表面为光滑圆弧，可以很好地与转子铁芯内圆贴合，避免了传统偏心磁极轮毂电机中转子铁芯需要特殊加工的问题。
根据图1-图6所示，电机安装于电动汽车的轮毂中，由永磁体主磁极1，铁氧体辅助磁极2，转子铁芯3，定子铁芯4和定子绕组5共五部分组成；其中永磁体主磁极结构用于产生气隙主磁通，铁氧体辅助磁极结构用于与永磁体主磁极集成后降低气隙磁密中的谐波含量，降低转矩脉动，同时减少永磁体用量，降低电机成本；所述电机为直驱式外转子结构，电机转速即为车轮转速，因此转速较低，省去了机械传动使得其动态响应迅速，整体效率进一步提升；转子铁芯为圆弧形结构，采用硅钢片结构，不用经过正弦削极或偏心削极等特殊工艺，加工难度低；定子铁芯也为硅钢片结构，安装固定于车辆轴上；定子绕组嵌于定子铁芯的槽中；
附图2为传统的轮毂电机结构示意图，其转子为圆弧形永磁体磁极，由于传统的永磁体磁极结构没有进过正弦削极或偏心削极处理，因此主磁极产生的气隙磁密近似呈馒头波分布，其中含有大量的谐波分量；在转子旋转过程中，气隙磁密中谐波分量的存在会导致转矩脉动，从而影响车辆驾驶的舒适性；
相比于附图2所示的传统轮毂电机，本发明所述的使用磁集成式偏心磁极结构的轮毂电机使用成本低廉的铁氧体材料作为辅助磁极，替代传统磁极中的永磁材料，进而降低稀土永磁体的用量，实现降低成本的目的；通过将永磁体磁极设计为阶梯形圆弧结构，等效对永磁体磁极进行偏心处理，使得磁体主磁极产生的气隙磁场与经过偏心削极处理后的永磁体磁极产生的磁场的基本一致，进而削弱气隙磁场中谐波含量，达到抑制转矩脉动的目的；同时，由于铁氧体材料的剩磁远低于稀土永磁材料剩磁，通过阶梯形状的永磁体主磁极和阶梯形状的铁氧体辅助磁极的集成组合，可以使气隙磁密的波形更加接近正弦波，进一步改善轮毂电机的输出稳定性；此外，铁氧体材料的抗退磁能力强于稀土永磁材料，将铁氧体材料与稀土永磁体材料集成后，可以极大得降低原本稀土永磁材料的局部退磁风险，提高电机运行可靠性；进一步地，阶梯圆弧形的永磁体主磁极结构避免了对磁极进行偏心削极，可以降低了电机的加工难度，同时集成后偏心磁极机构的外表面为光滑圆弧，可以很好地与转子铁芯内圆贴合，避免了传统偏心磁极轮毂电机中转子铁芯需要特殊加工的问题。
本发明所述的磁集成式偏心磁极结构如附图3所示，由两部分组成，第一部分为永磁体主磁极结构，用于产生气隙主磁通，与定子产生的旋转磁场作用产生转矩驱动车辆轮毂旋转；第二部分为铁氧体辅助磁极结构，用于与永磁体主磁极集成后使气隙磁密波动更加接近正弦波，降低气隙磁密中的谐波含量，降低转矩脉动，同时减少永磁体用量，降低电机成本；
所述永磁体主磁极为钕铁硼材料，采用径向充磁方式，下表面为圆滑的圆弧结构，其半径为Rin，圆心为O0，磁极对应的角度为θm；上表面为阶梯圆弧形结构，阶梯数目为2m+1，其中m为正整数；单个阶梯结构的上下表面为同心的圆弧形状，高度为h；所有的阶梯结构的高度均相同，且对应的角度相同，均为θm/(2m+1)；所有阶梯结构的边角均位于圆心为O1，半径为Rout的圆弧之上，其中圆心O0和圆心O1之间的距离为偏心距a；通过阶梯圆弧形结构，永磁体主磁极等效进行了偏心处理；所述的阶梯结构关于永磁体磁极的中轴线呈对称结构，阶梯结构的高度从外侧到磁极中轴线递增；
所述铁氧体辅助磁极采用软磁铁氧体材料，圆弧下表面的半径为Rin，圆心为O0，对应的角度为θs；上表面为阶梯形层状圆弧，阶梯数目为m+1；单个阶梯结构的上下表面为同心的圆弧形状，所有的阶梯结构的高度均为h；外侧阶梯圆弧结构对应的角度为θs，内侧阶梯圆弧结构且对应的角度为θm/(2m+1)；铁氧体辅助磁极的阶梯型结构与永磁体主磁极的阶梯型结构互补，可以紧密啮合在一起；进一步地，铁氧体辅助磁极与永磁体主磁极啮合后，其形状为圆弧结构，圆弧下表面的半径为Rin，圆弧上表面的Rrotor，半径为圆心为O0，对应的角度为θm+2θs；
附图4为传统的偏心削极的磁极结构的结构示意图；该解耦股通过对永磁体主磁极进行削极，可以效地降低气隙磁密谐波，抑制转矩脉动；然而该结构中永磁体用量较大，成本较高；同时转子铁芯需要根据主磁极的形状进行削极处理，加工难度较大；
附图5为传统的集成式磁极的结构示意图，通过用铁氧体材料代替一部分稀土永磁材料，将铁氧体放置于稀土永磁材料两侧，来降低成本；然而该结构并没有对永磁体主磁极进行特殊设计，因此气隙磁密中谐波含量较大，使得电机的转矩脉动较大；
附图6为本发明所述的磁集成式偏心磁极轮毂电机与附图2所示的传统的表贴式轮毂电机的气隙磁密波形对比图；从图中可以卡出，通过阶梯式排布的铁氧体辅助磁极等效对永磁体进行偏心削极，降低了气隙磁场中的谐波含量，抑制了电机的转矩脉动；
具体实施方式二
本实施方式是对具体实施方式一的进一步说明；
本发明所述的永磁体主磁极中，阶梯数目2m+1越大，永磁体主磁极产生的气隙磁场与经过偏心削极处理后的永磁体磁极产生的磁场的一致性越高，但增大m会增加永磁体的用量和磁极的加工难度；阶梯数目2m+1由永磁体主磁极对应的角度为θm决定，轮毂电机极数越少，θm越大，为了降低永磁体主磁极产生的气隙磁场中的谐波分量，需要增大m；
进一步地，增大偏心距a可以增大永磁体主磁极产生的气隙磁场中的基波分量的幅值，但对谐波分量的幅值没有影响；因此，增大偏心距a可以有效地降低气隙磁场中的谐波磁场含有率，抑制转矩脉动；但偏心距a同时会增加转子半径和永磁体的用量，从而增大电机体积和成本；偏心距a应根据电机转子半径，成本和输出转矩波动率综合设计；
具体实施方式三
本实施方式是对具体实施方式一的进一步说明；
本发明所述的磁集成式偏心磁极结构中，永磁体主磁极对应的角度θm和铁氧体辅助磁极中外侧阶梯圆弧结构对应的角度为θs的比值满足：
当
时，本发明所述的磁集成式偏心磁极结构能够最大程度削减3次、5次谐波，对11次，13次和15次谐波则没有抑制作用；当
时，本发明所述的磁集成式偏心磁极结构能够最大程度削减7次、13次谐波，对15次和17次谐波则没有抑制作用；当
时，本发明所述的磁集成式偏心磁极结构能够最大程度削减11次、13次谐波、15次谐波、17次谐波和19次谐波，但会增加3次谐波、5次谐波和7次谐波；
进一步地，在设计永磁体主磁极和铁氧体主磁极对应的角度时，应根据气隙磁场中主要谐波的次数来具体设计θm和θs的比值；
以上所述仅是一种外转子轮毂电机的磁集成式偏心磁极结构的优选实施方式，一种外转子轮毂电机的磁集成式偏心磁极结构的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种外转子轮毂电机的磁集成式偏心磁极结构，其特征是：所述偏心磁极结构包括永磁体主磁极和铁氧体辅助磁极；
所述永磁体主磁极用于产生气隙主磁通，与定子产生的旋转磁场作用产生转矩驱动车辆轮毂旋转；
所述铁氧体辅助磁极用于与永磁体主磁极集成后，使气隙磁密波动接近正弦波，降低气隙磁密中的谐波含量，降低转矩脉动；
所述永磁体主磁极采用钕铁硼材料，永磁体主磁极采用径向充磁方式，永磁体主磁极的下表面为圆滑的圆弧结构，半径为Rin，圆心为O0，永磁体主磁极对应的角度为θm；
所述永磁体主磁极的上表面为阶梯圆弧形结构，阶梯数目为2m+1，其中，m为正整数；单个阶梯结构的上下表面为同心的圆弧形状，高度为h；所有的阶梯结构的高度均相同，且对应的角度相同，均为θm/(2m+1)；
所有阶梯结构的边角均位于圆心为O1，半径为Rout的圆弧之上，其中，圆心O0和圆心O1之间的距离为偏心距a；
通过阶梯圆弧形结构，永磁体主磁极等效进行了偏心处理；所述的阶梯结构关于永磁体主磁极的中轴线呈对称结构，阶梯结构的高度从外侧到磁极中轴线递增；
所述铁氧体辅助磁极采用软磁铁氧体材料，铁氧体辅助磁极的圆弧下表面的半径为Rin，圆心为O0，对应的角度为θs；铁氧体辅助磁极的上部分为阶梯形层状圆弧，阶梯数目为m+1；单个阶梯结构的上下表面为同心的圆弧形状，所有的阶梯结构的高度均为h；外侧阶梯圆弧结构对应的角度为θs，内侧阶梯圆弧结构对应的角度为θm/(2m+1)；铁氧体辅助磁极的阶梯型结构与永磁体主磁极的阶梯型结构互补，紧密啮合在一起，两个铁氧体辅助磁极分别布置在永磁体主磁极的两侧。
2.根据权利要求1所述的一种外转子轮毂电机的磁集成式偏心磁极结构，其特征是：随着阶梯数目2m+1增大，永磁体主磁极产生的气隙磁场与经过偏心削极处理后的永磁体磁极产生的磁场的一致性增大；阶梯数目2m+1由永磁体主磁极对应的角度θm决定，轮毂电机极数越少，θm越大，为了降低永磁体主磁极产生的气隙磁场中的谐波分量，增大m。
3.根据权利要求2所述的一种外转子轮毂电机的磁集成式偏心磁极结构，其特征是：通过增大偏心距a，增大永磁体主磁极产生的气隙磁场中的基波分量的幅值，有效地降低气隙磁场中的谐波磁场含有率，抑制转矩脉动。
4.根据权利要求1所述的一种外转子轮毂电机的磁集成式偏心磁极结构，其特征是：
所述铁氧体辅助磁极与永磁体主磁极啮合后，形状为圆弧结构，圆弧下表面的半径为Rin，圆弧上表面的半径为Rrotor，圆心为O0，对应的角度为θm+2θs。
5.根据权利要求4所述的一种外转子轮毂电机的磁集成式偏心磁极结构，其特征是：当
时，所述磁集成式偏心磁极结构最大程度削减3次和5次谐波；当
时，所述磁集成式偏心磁极结构最大程度削减7次、13次谐波。
6.根据权利要求3所述的一种外转子轮毂电机的磁集成式偏心磁极结构，其特征是：当
时，所述磁集成式偏心磁极结构最大程度削减11次、13次谐波、15次谐波、17次谐波和19次谐波。
7.根据权利要求6所述的一种外转子轮毂电机的磁集成式偏心磁极结构，其特征是：在确定永磁体主磁极和铁氧体主磁极对应的角度时，应根据气隙磁场中主要谐波的次数来具体设计θm和θs的比值。
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