CN109818471A - 一种双气隙磁场调制永磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种适合于电动汽车、电动拖拉机的双气隙磁场调制永磁电机，复合转子由同轴心线的外转子、内转子以及端部圆盘组成，定子同轴心地位于外转子与内转子之间，由Ns个定子铁芯模块沿圆周均匀分布组成，相邻两个定子铁芯模块中间固定镶嵌永磁磁钢，每个定子铁芯模块是由径向截面在外层是U型模块和在内层是E型模块沿径向结合而成，外层U型模块具有2个定子外电枢齿和1个外层凹槽，内层E型模块具有2个定子内电枢齿、1个中间辅助调制齿和2个内层凹槽；集中式绕组的单个线圈绕制于相邻两个定子铁芯模块的电枢齿及永磁磁钢上；形成内外两层气隙结构，在径向空间上形成复合永磁磁场分布，兼具了串联磁场和并联磁场两种分布形式。

Description

一种双气隙磁场调制永磁电机

技术领域

本发明属于电机制造技术领域，特指一种适合于电动汽车、电动拖拉机等需要高功率密度、高转矩密度和高效率等特点的永磁驱动电机。

背景技术

具有低速大转矩特点的磁场调制永磁电机，本质上受磁性齿轮动力传动装置运行特点的启发，巧妙地将磁齿轮运行原理延伸至电机的设计之中，使得电机永磁磁场经过调制，获得“磁场自增速”的明显特点。因而，在此种磁场调制效应的作用下，该类电机通常具有较为出色的低速大转矩能力，在应用在电动汽车、电动拖拉机等电力推进场合中。

目前的磁场调制类永磁电机演变出了两种主要的结构类型，包括：磁齿轮永磁电机和游标永磁电机。中国发明专利申请号为201610356757.3的文献中提出了一种适用于混合动力汽车驱动应用的互补型磁齿轮双转子电机，包括：外定子、中间调制环转子及内轮辐式永磁转子，其中，永磁内转子通过磁障沿轴向分成两段，且两段转子之间设有偏移角度，通过永磁转子的模块分断错位设计，使得电机获得脉动补偿特性，以实现电机转矩脉动削弱的目的，但是该电机在径向结构空间上存在内外两层气隙，因而电机的永磁磁钢利用率和功率密度受到一定程度的影响，此外，中间调制环转子由多个调磁块圆周阵列而成，不可避免地导致机械强度低、加工工艺难度较大等问题，从而其应用场合会受到很大程度上的限制。在保留磁场调制运行原理的基础上，中国发明专利申请号为201710781179.2的文献中公开的一种内置式切向励磁游标永磁电机，将中间调制环与定子集成设计形成开槽定子，该电机在磁场调制效应的作用下，通过在转子环体圆周上采用多个均匀间隔的切向磁化永磁磁钢设计，不仅提升了电机的功率密度，而且具有低速大转矩的驱动特性，然而，由于永磁转子较为复杂的转子结构设计，使得电机的机械鲁棒性受到影响，此外，仍然存在电机的转矩脉动及转子散热困难等问题。

因此，如何获得高永磁磁钢利用率、高效率和高运行可靠性的磁场调制永磁电机成为高转矩密度磁场调制电机研究领域亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为解决现有技术存在的问题，提供一种结构简单、高转矩密度、高效率、转矩脉动小和永磁利用率高的电力推进系统用双气隙磁场调制永磁电机，以满足现代电动汽车、电动拖拉机等驱动场合的性能需求。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：包括复合转子和定子，复合转子由同轴心线的外转子、内转子以及端部圆盘组成，内转子套在外转子的内部，外转子和内转子的同一端端部通过端部圆盘固定连接；定子同轴心地位于外转子与内转子之间，定子由Ns个定子铁芯模块沿圆周均匀分布组成，Ns＝2*m，m为电机相数；在相邻的两个定子铁芯模块中间固定镶嵌有一个永磁磁钢，永磁磁钢沿定子的圆周切向磁化，相邻两个永磁磁钢磁化方向相反；每个定子铁芯模块是由径向截面在外层是U型模块和在内层是E型模块沿径向结合而成，连接部分是定子轭部，外层U型模块具有2个定子外电枢齿和1个外层凹槽，内层E型模块具有2个定子内电枢齿、1个中间辅助调制齿和2个内层凹槽；内、外层凹槽内放置三相集中式绕组，集中式绕组的单个线圈绕制于相邻两个定子铁芯模块的电枢齿及中间的永磁磁钢上。

外转子由外转子轭和外转子凸极组成，外转子轭内壁上沿圆周方向均匀分布N_r个外转子凸极，相邻两个外转子凸极之间形成外转子槽；内转子由内转子轭和N_r个内转子凸极组成，N_r个内转子凸极沿圆周方向均匀分布在内转子轭的外壁上，相邻两个内转子凸极之间形成内转子槽；N_r＝N_s±2。

本发明采用上述技术方案后具有的有益效果是：

1、本发明采用了一种复合双转子结构和模块化定子铁芯设计，使得电机在满足单定子固定部件和单转子运动部件特性的同时，形成内外两层气隙结构的特点，不仅巧妙地缓解了传统磁场调制电机极间漏磁的现象，而且使得电机在径向空间上形成了复合永磁磁场分布，并且兼具了串联磁场和并联磁场两种分布形式，从而获得了电机的永磁利用率提升的性能优势。

2、本发明由于采用复合双转子拓扑结构，从而使电机的总输出转矩是由内外转子铁芯上的转矩叠加而成。相比于传统的单气隙磁场调制永磁电机，本发明能带来电机转矩密度有效提升的性能优势。

3、本发明对模块化定子铁芯电枢齿和永磁磁钢实施内外不等弧设计，用于改变蕴含在气隙中的磁共能对定转子相对位置角变化率的方向，使得该电机由内外层气隙产生的齿槽转矩发生移相，并且经过复合双转子叠加后相互补偿抵消，进而达到减小电机总齿槽力矩的目的，以及获得减小电机转矩脉动的效果。

4、本发明在模块化定子铁芯的内凹槽实施辅助调制齿设计，针对性地改变了内气隙磁场谐波特性，合理调节由电机内气隙产生的齿槽转矩幅值，以达到提高电机齿槽转矩、转矩脉动有效补偿率的有益效果。

5、本发采用圆周上交替切向充磁的永磁磁钢，使得电机具有聚磁特性，进而提高了气隙的磁通密度。

6、本发明仅采用一套电枢绕组，巧妙地避免了传统双层气隙永磁电机采用两套电枢绕组所带来的电磁耦合问题。此外，由于在模块化定子铁芯的内凹槽实施辅助调制齿设计，具备容错齿的设计功效，提高了电机正常运行的稳定性和可靠性。

附图说明

图1是本发明的径向结构示意图；

图2是图1中复合转子缩小的轴向视图；

图3是图1中复合转子的径向截面视图；

图4是图1中相邻两个定子铁芯模块和永磁磁钢的结构及几何尺寸标注放大示意图；

图5是图1中集中式绕组的分布示意图；

图6是本发明未添加辅助调制齿设计情形下沿圆周方向展开的局部视图以及磁通路径示意图；

图7是本发明沿圆周方向展开的局部视图以及磁通路径示意图；

图8是本发明未添加辅助调制齿设计情形下的空载磁场分布图；

图9是本发明空载磁场分布图；

图10是本发明未添加辅助调制齿设计情形下的三相空载反电动势波形图；

图11是本发明三相空载反电动势波形图；

图12是本发明未添加辅助调制齿设计情形下内外转子部分的输出转矩波形图；

图13是本发明内外转子部分的输出转矩波形图；

图14是本发明未添加辅助调制齿设计情形下的总输出转矩波形图；

图15是本发明总输出转矩波形图。

图中：1.复合转子；2.定子；3.转轴；4，集中式绕组；

1.1外转子；1.2内转子；1.3端部圆盘；

1.1.1外转子轭部；1.1.2外转子凸极；1.1.3外转子槽；1.2.1内转子轭部；1.2.2内转子铁芯凸极；1.2.3内转子槽；

2.1定子铁芯模块；2.2永磁磁钢；

2.1.1定子内电枢齿；2.1.2定子外电枢齿；2.1.3定子轭部；2.1.4辅助调制齿。

具体实施方式

参见图1与图2，本发明为一种高永磁利用率、低转矩脉动双气隙磁场调制永磁电机，包括复合转子1、定子2、转轴3以及集中式绕组4。最外部是复合转子1，最中间是转轴3，定子2同轴心套在复合转子1之间，转轴3和复合转子1同轴旋转，定子2上绕有集中式绕组4。

复合转子1由外转子1.1、内转子1.2以及端部圆盘1.3组成，内转子1.2套在外转子1.1的内部，三者同轴心线。外转子1.1和内转子1.2的同一端端部通过端部圆盘1.3固定连接在一起，其连接方式为铆接或者焊接，使复合转子1成为一个整体。定子2同轴心地位于外转子1.1与内转子1.2之间，内转子1.3的中心用于安放转轴3。外转子1.1内壁与定子2外壁之间具有径向外气隙，同时定子2内壁与内定子1.2外壁之间具有径向内气隙，内、外气隙的厚度与电机的功率等级、所选取的永磁体材料以及复合转子1、定子2加工和装配的工艺有关，外转子1.1、内转子1.2以及定子2都是由0.35mm厚度的硅钢片叠压而成，叠压系数为0.95。

参见图3，外转子1.1在结构上属于凸极结构，外转子1.1铁芯上都既无永磁体也无绕组。外转子1.1由外转子轭1.1.1和外转子凸极1.1.2组成，外转子轭1.1.1内壁上沿圆周方向均匀分布N_r个外转子凸极1.1.2。为了避开单边磁拉力给电机性能带来的影响，N_r取值应为偶数。相邻两个外转子凸极1.1.2之间形成外转子槽1.1.3。相邻两个外转子凸极1.1.2之间的极距所占弧度为β_ro，外转子极距所占弧度β_ro与外转子凸极1.1.2具体的数量N_r之间满足β_ro＝2π/N_r，外转子凸极1.1.2的极弧所占弧度为β_rao，满足β_rao＝k_ro*β_ro，其中k_ro为外转子凸极1.1.2极弧系数。外转子槽1.1.3所占弧度为β_ryo，外转子槽1.1.3所占弧度β_ryo、、外转子极弧所占弧度β_rao以及极距所占弧度β_ro的关系满足β_ryo+β_rao＝β_ro。外转子1.1的外圈半径为R_oro，内圈半径为R_ori，R_oro与R_ori的值与电机功率大小有关。

与外转子1.1相似，内转子1.2在结构上属于凸极结构，内转子1.2铁芯上都既无永磁体也无绕组。内转子1.2由内转子轭1.2.1和N_r个内转子凸极1.2.2组成，N_r个内转子凸极1.2.2沿圆周方向均匀分布在内转子轭1.2.1的外壁，内转子凸极1.2.2与外转子凸极1.1.2的数量相同。相邻两个内转子凸极1.2.2之间形成内转子槽1.2.3，相邻两个内转子凸极1.2.2之间的极距所占弧度为β_ri，内转子极距所占弧度β_ri与转子凸极1.2.2具体的数量N_r满足β_ri＝2π/N_r，内转子凸极1.2.2的极弧所占弧度为β_rai，满足β_rai＝k_ri*β_r，其中k_ri为内转子凸极1.2.2极弧系数。内转子槽1.2.3所占弧度为β_ryi，内转子槽1.2.3所占弧度β_ryi、极弧所占弧度β_rai以及极距所占弧度β_ri的关系满足β_ryi+β_rai＝β_ri。内转子1.2的外圈半径为R_iro，内圈半径为R_iri，R_oro与R_ori的值与电机功率大小有关。

参见图4，定子2由Ns个定子铁芯模块2.1沿圆周均匀分布组成，在相邻的两个定子铁芯模块2.1中间固定镶嵌有一个永磁磁钢2.2。定子铁芯模块2.1的数量Ns满足Ns＝2*m，m为电机相数。同时，定子铁芯模块2.1数量与外转子凸极1.1.2数量以及内转子凸极1.2.2数量N_r应当满足限制条件：N_r＝N_s±2。

每个定子铁芯模块2.1的几何结构是由径向截面在外层呈U型模块和在内层呈E型模块沿径向结合而成，连接部分形成定子轭部2.1.3。从而每个定子铁芯模块2.1在径向上的外层U型模块有1个外层凹槽、内层E型模块有2个相同的内层凹槽，外层凹槽的开口沿径向朝外，内层凹槽的开口沿径向朝内。外层凹槽和内层凹槽之间是连接部分，即定子轭部2.1.3。在定子轭部2.1.3的径向外层U型模块具有左右2个相同的定子外电枢齿2.1.2、径向内层E型模块具有左右2个相同的定子内电枢齿2.1.1和中间的1个辅助调制齿2.1.4。

定子外电枢齿2.1.2所占弧度β_so以及定子内电枢齿2.1.1所占弧度β_si之间应当满足：β_so＝β_si。为了最大化电枢齿能够通过磁力线的同时扩大集中式绕组4空间使得电机获得最大转矩输出能力，外电枢齿2.1.2所占的弧度β_so与一个定子铁芯模块2.1所占的弧度β_s应当满足约束条件：0.22<β_so/β_s<0.25。同时，为了避免定子轭部2.1.3磁饱和情况的同时保证集中式绕组4的空间，定子轭部2.1.3沿电机的径向长度h_sy与外电枢齿2.1.2沿径向长度h_so以及内电枢齿2.1.1径向长度h_si应当满足限制条件：2.1<h_so/h_sy<2.3，2.6<h_si/h_sy<2.8。

为了能够充分提高电机内转子1.2的齿槽转矩以及转矩脉动使得内转子1.2、外转子1.1的齿槽转矩以及转矩脉动的幅值接近，更有效的实现双转子补偿，辅助调制齿2.1.4沿电机切向宽度w_st与定子轭2.1.3沿电机径向长度h_sy应当满足限制条件：0.55<w_st/h_sy<0.6。

永磁磁钢2.2沿定子的圆周切向磁化，且相邻的两个永磁磁钢2.2的磁化方向相反。该永磁磁钢2.2在设计上采用扇形结构，也就是永磁磁钢2.2的内端所占弧度β_pmo与永磁磁钢2.2外端所占弧度β_pmi之间满足：β_pmo＝β_pmi。永磁磁钢2.2的外径等于定子铁芯模块2.1的外径、内径等于定子铁芯模块2.1的内径。

参见图5，定子铁芯模块2.1的内、外层凹槽内放置三相集中式绕组4，且集中式绕组4的单个线圈绕制于相邻两个定子铁芯模块2.1的电枢齿及中间的永磁磁钢2.2之上。图5中“+”为集中式绕组4的进线方向，“-”为集中式绕组4的出线方向，A、B、C为电机三相绕组。为了保证电机正常运行，集中式绕组4极对数Np与外转子凸极1.1.2、内转子凸极1.2.2数量Nr以及定子铁芯模块2.1数量Ns应当满足磁场调制基本原理，也就是满足限制条件：Np＝|Ns/2-Nr|。同时，为了保证电机气隙中有效谐波转速较高使得电机具有较高的转矩输出能力，集中式绕组4极对数应当满足限制条件：Np<5。此外，为了降低电机绕组端部长度进而提高电机效率，电机的集中式绕组4要求是：

为了避免传统的双层气隙永磁电机采用两套电枢绕组所带来的电磁耦合的问题，本发明中定子2的内电枢齿2.1.1与定子2的外电枢齿2.1.2上采用一套集中式绕组4。因此，在电机的运行过程中，内外电枢绕组中所产生的反电势以及磁链可以代数相加；同时能够保证在电机负载运行的情况下，电机内外电枢绕组中所通入的电流相同以保证电机的最佳运行。同时，内电枢齿2.1.1与外电枢齿2.1.2上采用一套集中式绕组4，避免了传统双层气隙永磁电机采用两套电枢绕组所带来的电磁耦合问题。

本发明在工作时，与本发明未添加辅助调制齿设计情形下电机在磁路上有所差别，具体参见图6与图7。在本发明工作过程中，参见图7，产生的磁路a、磁路b以及磁路c三条磁路并联运行。常规磁场调制电机由于不存在辅助调制齿，电机运行过程中不存在磁路c。常规磁路a运行路径如下：从永磁磁钢2.2依次经过定子内电枢齿2.1.1、内转子1.2、定子内电枢齿2.1.1、永磁磁钢2.2、定子外电枢齿2.1.2、外转子1.1以及定子外电枢齿2.1.2，最后回到永磁磁钢2.2；磁路b由永磁磁钢2.2出发，依次经过定子外电枢齿2.1.2、外转子1.1、定子外电枢齿2.1.2以及定子轭部2.1.3，最后回到永磁磁钢2.2；磁路c由永磁磁钢2.2次经过定子轭部2.1.3、辅助调制齿2.1.4、内转子1.2、定子内电枢齿2.1.1、永磁磁钢2.2、定子外电枢齿2.1.2、外转子1.1、定子外电枢齿2.1.2，最后回到永磁磁钢2.2。其中对于磁路c，电机的外转子1.1以及定子外电枢齿2.1.2部分与磁路a路径完全相同，因而辅助调制齿2.1.4的存在对于电机外转子1.1的齿槽转矩以及输出转矩部分没有影响；对于电机内转子1.2以及定子内电枢齿2.1.1部分，磁路c一部分从辅助调制齿2.1.4形成闭合磁路，能够提高内电机的齿槽转矩以及转矩脉动，使得电机内转子1.2与电机外转子1.1齿槽转矩以及转矩脉动的幅值接近，更加有效的形成相互补偿，从而降低电机齿槽转矩以及转矩脉动。

参见图8和图9，采用本发明的特殊结构设计，从磁场分布表明：永磁磁钢2.2产生的磁通通过外转子1.1、内转子1.2和定子2形成了两个相互独立的磁场的同时还通过复合转子1以及定子2形成了一个与另外两个磁场独立的磁场，3个独立磁场形成了本电机的复合磁场。同时与本发明未添加辅助调制齿设计情形下电机相比，由于辅助调制齿2.1.4的存在，内定子1.2以及定子内电枢齿2.1.1之间的漏磁大大减少，使得内转子1.2与外转子1.2齿槽转矩以及转矩脉动趋于平衡。

参见图10与图11，为本发明与本发明未添加辅助调制齿设计情形下的空载反电势波形图。相对于本发明未添加辅助调制齿设计情形下电机，本发明的空载反电势波形更加正弦，这意味着本发明具有更低的齿槽转矩以及转矩脉动，显示出辅助调制齿2.1.4良好的转矩幅值补偿能力。

参见图12、13、14与图15，分别为本发明未添加辅助调制齿设计情形下内外输出转矩、本发明内外输出转矩、本发明未添加辅助调制齿设计情形下电机总输出转矩以及本发明总输出转矩。从图中可以看出，相对于本发明未添加辅助调制齿设计情形下，辅助调制齿2.1.4的调制作用有效提高了电机内转子1.2的转矩脉动幅值，使得内转子1.2和外转子1.1转矩脉动幅值趋于相同，内外输出转矩实现更加有效的补偿，从而降低了电机总输出转矩的转矩脉动。因此，本发明结构明显提高了电机的稳定性和可靠性。

Claims (8)

1.一种双气隙磁场调制永磁电机，包括复合转子(1)和定子(2)，其特征是：复合转子(1)由同轴心线的外转子(1.1)、内转子(1.2)以及端部圆盘(1.3)组成，内转子(1.2)套在外转子(1.1)的内部，外转子(1.1)和内转子(1.2)的同一端端部通过端部圆盘(1.3)固定连接；定子(2)同轴心地位于外转子(1.1)与内转子(1.2)之间，定子(2)由Ns个定子铁芯模块(2.1)沿圆周均匀分布组成，Ns＝2*m，m为电机相数；在相邻的两个定子铁芯模块(2.1)中间固定镶嵌有一个永磁磁钢(2.2)，永磁磁钢(2.2)沿定子的圆周切向磁化，相邻两个永磁磁钢(2.2)磁化方向相反；每个定子铁芯模块(2.1)是由径向截面在外层是U型模块和在内层是E型模块沿径向结合而成，连接部分是定子轭部(2.1.3)，外层U型模块具有2个定子外电枢齿(2.1.2)和1个外层凹槽，内层E型模块具有2个定子内电枢齿(2.1.1)、1个中间辅助调制齿(2.1.4)和2个内层凹槽；内、外层凹槽内放置三相集中式绕组(4)，集中式绕组(4)的单个线圈绕制于相邻两个定子铁芯模块(2.1)的电枢齿及中间的永磁磁钢(2.2)上。

2.根据权利要求1所述的一种双气隙磁场调制永磁电机，其特征是：外转子(1.1)由外转子轭(1.1.1)和外转子凸极(1.1.2)组成，外转子轭(1.1.1)内壁上沿圆周方向均匀分布N_r个外转子凸极(1.1.2)，相邻两个外转子凸极(1.1.2)之间形成外转子槽(1.1.3)；内转子(1.2)由内转子轭(1.2.1)和N_r个内转子凸极(1.2.2)组成，N_r个内转子凸极(1.2.2)沿圆周方向均匀分布在内转子轭(1.2.1)的外壁上，相邻两个内转子凸极(1.2.2)之间形成内转子槽(1.2.3)；N_r＝N_s±2。

3.根据权利要求2所述的一种双气隙磁场调制永磁电机，其特征是：相邻两个外转子凸极(1.1.2)之间的极距所占弧度为β_ro，弧度β_ro与N_r之间满足β_ro＝2π/N_r，外转子凸极(1.1.2)的极弧所占弧度为β_rao，满足β_rao＝k_ro*β_ro，k_ro为外转子凸极(1.1.2)极弧系数；相邻两个内转子凸极(1.2.2)之间的极距所占弧度为β_ri，弧度β_ri与N_r满足β_ri＝2π/N_r，内转子凸极(1.2.2)的极弧所占弧度为β_rai，满足β_rai＝k_ri*β_r，k_ri为内转子凸极(1.2.2)极弧系数。

4.根据权利要求1所述的一种双气隙磁场调制永磁电机，其特征是：定子外电枢齿(2.1.2)所占弧度β_so以及定子内电枢齿(2.1.1)所占弧度β_si满足：β_so＝β_si；外电枢齿(2.1.2)所占弧度β_so与一个定子铁芯模块(2.1)所占的弧度β_s满足：0.22<β_so/β_s<0.25。

5.根据权利要求1所述的一种脉动双气隙磁场调制永磁电机，其特征是：定子轭部(2.1.3)沿径向长度h_sy与定子外电枢齿(2.1.2)沿径向长度h_so以及定子内电枢齿(2.1.1)沿径向长度h_si满足：2.1<h_so/h_sy<2.3，2.6<h_si/h_sy<2.8。

6.根据权利要求1所述的一种双气隙磁场调制永磁电机，其特征是：辅助调制齿(2.1.4)沿切向宽度w_st与定子轭(2.1.3)沿径向长度h_sy满足：0.55<w_st/h_sy<0.6。

7.根据权利要求1所述的一种双气隙磁场调制永磁电机，其特征是：永磁磁钢(2.2)的外径等于定子铁芯模块(2.1)的外径、内径等于定子铁芯模块(2.1)的内径。

8.根据权利要求1所述的一种双气隙磁场调制永磁电机，其特征是：集中式绕组(4)极对数Np与外转子凸极(1.1.2)、内转子凸极(1.2.2)数量Nr以及定子铁芯模块(2.1)数量Ns满足：Np＝|Ns/2-Nr|，Np<5，