CN106685165A - 一种转子错极模块化外转子开关磁通电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种转子错极模块化外转子开关磁通电机，包括两段定子、两段转子和一套绕组；两段转子为轴向同心连接且所述两段转子圆周方向错开反电势半个周期所对应的机械角设置；绕组包括k个绕组模块，各所述绕组模块包括m个绕组单元，各所述绕组单元包括两个绕组线圈，各所述绕组单元的两个绕组线圈分别嵌入在两段定子中对应的一对定子单元上的四个定子槽内，且处于同一绕组线圈内、两段定子上的一对永磁体极性相反。本发明将两段转子互相错开反电势半个周期对应的机械角，将两段定子上正对的一对永磁体设置相反极性，在保证输出平均转矩和反电势的有效值不变的情况下，削弱齿槽转矩和转矩波动中的奇次谐波，降低反电势中的偶次谐波。

Description

一种转子错极模块化外转子开关磁通电机
技术领域
本发明涉及电机技术领域，特别是涉及一种转子错极模块化外转子开关磁通电机。
背景技术
开关磁通电机具有高转矩密度、高功率密度以及正弦性反电势等优点。它具有双凸极结构，交流绕组和永磁体放置在定子侧，结合了交流无刷电机和开关磁阻电机的优点，有利于冷却和高速运行。与普通永磁电机相比，开关磁通电机弱磁能力强、工作点稳定、容错性能好，因此开关磁通电机适合作为电动汽车的驱动电机。由于永磁体放置在定子侧，开关磁通电机的槽面积小于普通永磁电机；与双凸极电机相比，其转矩波动较大、永磁体用量多、永磁体利用率低。
外转子结构能提供更高转矩密度，从而使得车辆能提供额外的乘坐空间，电机可采用独立的直接控制，使车辆运行安全、操纵容易。
为抑制开关磁通电机的缺点，将开关磁通电机与外转子结构相结合，提出了模块化外转子开关磁通电机结构。该结构与定子槽数相同的开关磁通电机相比，永磁体用量减少，永磁体利用率提高，定子槽面积增大。但由于外转子开关磁通电机定子槽口较大，转矩波动大，在此基础上将电机结构模块化后定子槽口更大，其齿槽转矩和转矩波动更加严重，应用于电动车难以满足汽车对电动机的稳定性要求，因此，如何削弱齿槽转矩和转矩波动是目前电机技术领域急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种转子错极模块化外转子开关磁通电机，在保证输出平均转矩和反电势的有效值不变的情况下，削弱齿槽转矩和转矩波动中的奇次谐波，降低反电势中的偶次谐波。
为实现上述目的，本发明提供了一种转子错极模块化外转子开关磁通电机，包括两段定子、两段转子和一套绕组(3)；所述两段定子为轴向同心连接；所述两段转子为轴向同心连接且所述两段转子圆周方向错开反电势半个周期所对应的机械角设置；
每段定子包括k个定子模块，各所述定子模块包括m个定子单元(1-3)和m个连接块(1-4)，所述连接块(1-4)设置在两个所述定子单元(1-3)之间，其中，k为大于等于1的整数，m为大于等于3的整数；
所述定子单元(1-3)包括：一个第一叠层段(1-6)、两个第二叠层段(1-7)以及永磁体(1-5)，所述第一叠层段(1-6)设置在相邻两个第二叠层段(1-7)之间；在所述第一叠层段(1-6)上开设两个定子槽(1-8)，在所述第二叠层段(1-7)上开设一个定子槽(1-8)，各所述定子槽(1-8)的开口远离圆弧的圆心处；所述永磁体(1-5)设置在所述第二叠层段(1-7)与第一叠层段(1-6)之间，任意所述定子单元(1-3)的相邻两个永磁体(1-5)的极性相反；
所述绕组包括k个绕组模块(3),所述绕组模块(3)包括m个绕组单元(3-1)，m个所述绕组单元(3-1)具体为m相绕组；各所述绕组单元(3-1)包括两个绕组线圈，各所述绕组单元(3-1)的两个绕组线圈分别嵌入在两段定子中对应的一对定子单元(1-3)上的四个定子槽(1-8)内，且处于同一绕组线圈内、两段定子上的一对永磁体(1-5)极性相反。
可选的，所述转子包括多个转子凸极(2-1)，所述转子凸极(2-1)的数量与所述定子槽(1-8)的数量相匹配；
其匹配关系式为：
其中，θ1为两个相邻所述转子凸极(2-1)之间对应的机械角，θ2为相邻所述第二叠层段(1-7)的定子槽(1-8)与所述第一叠层段(1-6)的定子槽(1-8)之间对应的机械角，θ3为同一定子单元(1-3)中相邻所述永磁体(1-5)之间对应的机械角，θ4为相邻所述定子单元(1-3)之间对应的机械角，p为所述转子凸极(2-1)的数量，m为所述绕组单元(3-1)的相数，i、j、l、n为参考系数，i、j、n为非负整数，l取值为0或1。
可选的，所述两段定子、两段转子和绕组构成两段电机，所述两段电机具体为一段电机、二段电机；
一段电机反电势的表达为：
二段电机反电势的表达为：
电机总反电势的表达式为：
其中，E1，E2，E分别表示一段电机反电势、二段电机反电势和电机总反电势，Em(2n-1)，Em2n分别表示反电势奇次谐波幅值和反电势偶次谐波幅值， 分别表示反电势奇次谐波相位和反电势偶次谐波相位，n表示正整数，ω表示电角速度；
一段电机齿槽转矩的表达为：
二段电机齿槽转矩的表达为：
电机总齿槽转矩的表达为：
其中，Tcog1，Tcog2，Tcog分别表示一段电机齿槽转矩、二段电机齿槽转矩和电机总齿槽转矩，Tcm(2n-1)，Tcm(2n)分别表示齿槽转矩奇次谐波幅值和齿槽转矩偶次谐波幅值，分别表示齿槽转矩奇次谐波相位和齿槽转矩偶次谐波相位。
可选的，各所述定子单元(1-3)中的两块永磁体(1-5)周向充磁方向相反。
可选的，所述所述绕组(3)的反电势相位不变。
可选的，所述连接块(1-4)为非磁性材料。
可选的，所述定子、所述转子均由多个硅钢片叠压而成。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
1)、本发明将定转子分成两段，两段转子之间圆周方向互相错开反电势半个周期所对应的机械角，同时将两段定子中正对的一对永磁体设置为相反极性，在保证输出平均转矩和反电势的有效值不变的情况下，削弱齿槽转矩和转矩波动中的奇次谐波，降低反电势中的偶次谐波。
2)、本发明将每段定子分成k个定子模块，每个定子模块分为n个定子单元，每个定子单元都将所述第二叠层段和第一叠层段相结合，从而降低了每相绕组间的磁路耦合，提高了容错能力和永磁体利用效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例转子错极模块化外转子开关磁通电机的总体结构示意图；
图2为本发明实施例转子错极模块化外转子开关磁通电机的转子结构示意图；
图3为本发明实施例转子错极模块化外转子开关磁通电机的定子结构示意图；
图4为本发明实施例转子错极模块化外转子开关磁通电机的绕组示意图；
图5为本发明实施例转子错极模块化外转子开关磁通电机的定子结构与绕组相组合的结构示意图；
图6为本发明实施例转子错极模块化外转子开关磁通电机的横截面示意图；
图7为本发明实施例一种转子错极模块化外转子开关磁通电机的总体结构主视图；
图8为转子错极模块化外转子开关磁通电机分段后两段电机A相无负载反电势、电机合成无负载反电势及分段前电机无负载反电势示意图；
图9为转子错极模块化外转子开关磁通电机分段前后A相无负载反电势傅里叶谐波分析的各谐波幅值对比示意图；
图10为转子错极模块化外转子开关磁通电机分段前后齿槽转矩波形及其傅里叶谐波分析的各谐波幅值对比示意图；
图11为转子错极模块化外转子开关磁通电机分段前后输出转矩波形及其傅里叶谐波分析的各谐波幅值对比示意图。
定子结构 1 一号定子段 1-1
二号定子段 1-2 定子单元 1-3
连接块 1-4 永磁体 1-5
第一叠层段 1-6 第二叠层段 1-7
定子槽 1-8 转子结构 2
转子凸极 2-1 一号转子段 2-2
二号转子段 2-3 绕组模块 3
绕组单元 3-1 第一绕组线圈 3-1-1
第二绕组线圈 3-1-2
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种转子错极模块化外转子开关磁通电机，在保证输出平均转矩和反电势的有效值不变的情况下，削弱齿槽转矩和转矩波动中的奇次谐波，降低反电势中的偶次谐波。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供一种转子错极模块化外转子开关磁通电机，包括两段定子、两段转子和一套绕组3；两段转子为轴向同心连接且两段转子圆周方向错开反电势半个周期所对应的机械角设置；每段定子包括k个定子模块，各所述定子模块包括n个定子单元1-3和n个连接块1-4，连接块1-4设置在两个定子单元1-3之间；永磁体1-5设置在第二叠层段1-5与第一叠层段1-6之间，任意定子单元1-3的相邻两个永磁体1-5的极性相反。
绕组包括k个绕组模块3,各绕组模块包括m个绕组单元3-1，m个绕组单元3-1具体为m相绕组；各绕组单元3-1包括两个绕组线圈，各所述绕组单元3-1的两个绕组线圈分别嵌入在两段定子中对应的一对定子单元1-3上的四个定子槽1-8内，且处于同一绕组线圈内、两段定子上的一对永磁体1-5极性相反。
本发明以k＝1,n＝3为例进行详细说明，详见图1-7。图1为本发明实施例转子错极模块化外转子开关磁通电机的总体结构示意图；图2为本发明实施例转子错极模块化外转子开关磁通电机的转子结构示意图；图3为本发明实施例转子错极模块化外转子开关磁通电机的定子结构示意图；图4为本发明实施例转子错极模块化外转子开关磁通电机的绕组示意图；图5为本发明实施例转子错极模块化外转子开关磁通电机的定子结构与绕组相组合的结构示意图；图6为本发明实施例转子错极模块化外转子开关磁通电机的横截面示意图；图7为本发明实施例一种转子错极模块化外转子开关磁通电机的总体结构主视图。根据图1-图7可知，所述转子错极模块化外转子开关磁通电机包括定子结构1、转子结构2、绕组3，所述定子结构1和所述转子结构2均由多个硅钢片叠压而成，所述定子结构1包括一号定子段1-1和二号定子段1-2，所述一号定子段1-1和所述二号定子段1-2同心轴连接，所述转子结构2包括一号转子段2-2和二号转子段2-3，所述一号转子段2-2和所述二号转子段2-3同心轴连接，且所述一号转子2-2段和所述二号转子段2-3圆周方向互相错开反电势半个周期所对应的机械角设置；由所述一号定子段1-1、所述二号定子段1-2、所述一号转子段2-2、所述二号转子段2-3、所述绕组3构成两段电机，具体为一段电机和二段电机，将所述一段电机与所述二段电机相结合构成转子错极模块化外转子开关磁通电机。
所述一号定子段1-1与所述二号定子段1-2的组成结构完全相同。
所述一号定子段1-1包括1个定子模块，所述定子模块包括三个定子单元1-3和三个连接块1-4，所述连接块1-4设置在两个所述定子单元1-3之间，所述连接块1-4为非磁性材料，降低各相绕组之间的电磁干扰。另外，所述定子单元1-3的数量与绕组相数m相对应，其中m为大于零的整数，所述定子单元1-3的个数可以根据电机相数的要求进行设计。
进一步地，所述定子单元1-3包括：铁芯叠层段，两块永磁体1-5。
所述铁芯叠层段，用于减小电机涡流损耗；所述铁芯叠层段包括一个第一叠层段1-6和两个第二叠层段1-7，所述第一叠层段1-6设置在相邻两个第二叠层段1-7之间，在所述第一叠层段1-6上开设两个开口远离圆弧圆心处的定子槽1-8；所述第一叠层段1-6即可为开口远离圆弧圆心类似W型形状的W型叠层段，还可为开口远离圆弧圆心类似m型形状的m型叠层段，还可为开口远离圆弧圆心类似E型形状的E型叠层段；在所述第二叠层段1-7上开设一个开口远离圆弧圆心处的定子槽1-8，所述第二叠层段1-7即可为开口远离圆弧圆心类似U型形状的U型叠层段，还可为开口远离圆弧圆心类似V型形状的V型叠层段，还可为开口远离圆弧圆心类似C型形状的C型叠层段；各所述定子槽1-8为半开口槽或全开口槽。本发明附图1-7以W型叠层段与V型叠层段组合为例进行绘制，其它的组合方式图形不再一一画出。
所述永磁体1-5设置在所述第一叠层段1-6与第二叠层段1-7之间，所述一号定子段1-1和所述二号定子段1-2正对的一对所述永磁体1-5极性相反，各所述定子单元1-3的中的两块所述永磁体1-5周向充磁方向相反，所述永磁体1-5的材质为钕铁硼、杉钴及铁氧体中至少一者。
所述绕组模块3分为三个绕组单元3-1，所述三个绕组单元3-1分别为A相绕组单元、B相绕组单元、C相绕组单元；各所述绕组单元3-1包括第一绕组线圈3-1-1、第二绕组线圈3-1-2，所述第一绕组线圈3-1-1、所述第二绕组线圈3-1-2分别嵌入在一号定子段1-1、二号定子段1-2中对应的一对定子单元1-3上的四个定子槽1-8内，且处于同一绕组线圈内、一号定子段1-1、二号定子段1-2上的一对永磁体1-5极性相反，所述绕组3的反电势相位不变。
所述一号转子2-2段与所述二号转子段2-3的组成结构完全相同。
所述一号转子段2包括多个转子凸极2-1，所述转子凸极2-1的数量与所述定子槽1-8的数量相匹配，其匹配关系式为：
其中，θ1为两个相邻所述转子凸极2-1之间对应的机械角，θ2为相邻所述第二叠层段1-7的定子槽1-8与所述第一叠层段1-6的定子槽1-8之间对应的机械角，θ3为同一所述定子单元1-3中相邻所述永磁体1-5之间对应的机械角，θ4为相邻所述定子单元1-3之间对应的机械角，p为所述转子凸极2-1的数量，m为所述绕组单元3-1的相数，i、j、l、n为参考系数，i、j、n为非负整数，l取值为0或1。为充分利用电机空间和扩大定子槽面积，θ2应在30°-36°之间，θ3应在50°-60°之间，同时考虑到机械强度所述转子凸极2-1数量不易过多。因此满足上述约束与12个定子槽1-8相匹配的所述转子凸极数2-1可以是：10、11、22、23，具体的转子图形不再一一画出。
通过理论推导可知，一段电机反电势、二段电机反电势、电机总反电势的求取公式分别为：
其中，E1，E2，E分别表示一段电机反电势、二段电机反电势和电机总反电势，Em(2n-1)，Em2n分别表示反电势奇次谐波幅值和反电势偶次谐波幅值， 分别表示反电势奇次谐波相位和反电势偶次谐波相位，n表示正整数，ω表示电角速度。
一段电机齿槽转矩、二段电机齿槽转矩、电机总齿槽转矩的求取公式分别为：
其中，Tcog1，Tcog2，Tcog分别表示一段电机齿槽转矩、二段电机齿槽转矩和电机总齿槽转矩，Tcm(2n-1)，Tcm(2n)分别表示齿槽转矩奇次谐波幅值和齿槽转矩偶次谐波幅值，分别表示齿槽转矩奇次谐波相位和齿槽转矩偶次谐波相位。
由反电势表达式(2)、(3)、(4)可知，采用转子错极与永磁体极性配合后电机总反电势中只含奇次谐波，偶次谐波被消除；电机齿槽转矩表达式(5)、(6)、(7)可知，采用该分段斜极后电机总齿槽转矩中只含偶次谐波，奇次谐波被消除；可在电机运行过程中，保证电机输出的平均转矩和反电势有效值，削弱齿槽转矩和转矩波动中的奇次谐波，降低反电势中的偶次谐波。
图8为转子错极模块化外转子开关磁通电机分段后两段电机A相无负载反电势、电机合成无负载反电势及分段前电机无负载反电势示意图。图中分段后A相波形图为将一段电机A相无负载反电势波形图与二段电机A无负载反电势波形图相叠加之后获得的转子错极模块化外转子开关磁通电机A相反电势波形图。
如图8可知，电机采用转子错极与永磁体极性配合后，一段电机反电势与二段电机反电势相位相差0度，反电势波形周期为360度电角度。如图6可知，分段前电机齿槽转矩波形周期为120度电角度，可见，反电势周期与齿槽转矩周期比值为3:1。
如图9可知，转子错极模块化外转子开关磁通电机(即分段后电机)反电势基波幅值与分段前电机(即原始电机)反电势基波幅值相比并未降低。
如图8、如图9可知，分段后电机总反电势中只含奇次谐波，偶次谐波被消除，电机反电势畸变率下降。
图10(a)为转子错极模块化外转子开关磁通电机分段前后齿槽转矩波形图，图10(b)为转子错极模块化外转子开关磁通电机分段前后傅里叶谐波分析的各谐波幅值对比示意图。
如图10(a)可知，一段电机齿槽转矩、二段电机齿槽转矩、分段前电机齿槽转矩周期均等于120度电角度，转子错极模块化外转子开关磁通电机齿槽转矩周期等于60度，一段电机齿槽转矩与二段电机齿槽转矩相位相差180度，转子错极模块化外转子开关磁通电机总齿槽转矩在零值附近小范围波动；如图10(b)可知，相比于分段前电机，齿槽转矩的奇次谐波大大降低。
图11(a)为转子错极模块化外转子开关磁通电机分段前后输出转矩波形图，图11(b)为转子错极模块化外转子开关磁通电机分段前后傅里叶谐波分析的各谐波幅值对比示意图。
如图11(a)可知，转子错极模块化外转子开关磁通电机平均输出转矩与分段前电机平均输出转矩几乎保持不变；如图11(b)可知，相比于分段前电机转矩波动，电机采用转子错极与永磁体极性配合后转矩波动中的奇次谐波具有明显的降低。
通过上述公式(2)-(7)和附图8-11可知，理论推导与实际仿真结果完全一致，所以证明了将转子错极和永磁体极性配合后在保证电机输出的平均转矩和反电势有效值后，明显削弱齿槽转矩和转矩波动中的奇次谐波，降低反电势中的偶次谐波。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种转子错极模块化外转子开关磁通电机，其特征在于，包括两段定子、两段转子和一套绕组(3)；所述两段定子为轴向同心连接；所述两段转子为轴向同心连接且所述两段转子圆周方向错开反电势半个周期所对应的机械角设置；
每段定子包括k个定子模块，各所述定子模块包括m个定子单元(1-3)和m个连接块(1-4)，所述连接块(1-4)设置在两个所述定子单元(1-3)之间，其中，k为大于等于1的整数，m为大于等于3的整数；
所述定子单元(1-3)包括：一个第一叠层段(1-6)、两个第二叠层段(1-7)以及永磁体(1-5)，所述第一叠层段(1-6)设置在相邻两个第二叠层段(1-7)之间；在所述第一叠层段(1-6)上开设两个定子槽(1-8)，在所述第二叠层段(1-7)上开设一个定子槽(1-8)，各所述定子槽(1-8)的开口远离圆弧的圆心处；所述永磁体(1-5)设置在所述第二叠层段(1-7)与第一叠层段(1-6)之间，任意所述定子单元(1-3)的相邻两个永磁体(1-5)的极性相反；
所述绕组包括k个绕组模块(3),各所述绕组模块(3)包括m个绕组单元(3-1)，m个所述绕组单元(3-1)具体为m相绕组；各所述绕组单元(3-1)包括两个绕组线圈，各所述绕组单元(3-1)的两个绕组线圈分别嵌入在两段定子中对应的一对定子单元(1-3)上的四个定子槽(1-8)内，且处于同一绕组线圈内、两段定子上的一对永磁体(1-5)极性相反。
2.根据权利要求1所述的转子错极模块化外转子开关磁通电机，其特征在于，所述转子包括多个转子凸极(2-1)，所述转子凸极(2-1)的数量与所述定子槽(1-8)的数量相匹配；
其匹配关系式为：
其中，θ1为两个相邻所述转子凸极(2-1)之间对应的机械角，θ2为相邻所述第二叠层段(1-7)的定子槽(1-8)与所述第一叠层段(1-6)的定子槽(1-8)之间对应的机械角，θ3为同一定子单元(1-3)中相邻所述永磁体(1-5)之间对应的机械角，θ4为相邻所述定子单元(1-3)之间对应的机械角，p为所述转子凸极(2-1)的数量，m为所述绕组单元(3-1)的相数，i、j、l、n为参考系数，i、j、n为非负整数，l取值为0或1。
3.根据权利要求1所述的转子错极模块化外转子开关磁通电机，其特征在于，所述两段定子、两段转子和绕组构成两段电机，所述两段电机具体为一段电机、二段电机；
一段电机反电势的表达为：
二段电机反电势的表达为：
电机总反电势的表达式为：
其中，E1，E2，E分别表示一段电机反电势、二段电机反电势和电机总反电势，Em(2n-1)，Em2n分别表示反电势奇次谐波幅值和反电势偶次谐波幅值， 分别表示反电势奇次谐波相位和反电势偶次谐波相位，n表示正整数，ω表示电角速度；
一段电机齿槽转矩的表达为：
二段电机齿槽转矩的表达为：
电机总齿槽转矩的表达为：
其中，Tcog1，Tcog2，Tcog分别表示一段电机齿槽转矩、二段电机齿槽转矩和电机总齿槽转矩，Tcm(2n-1)，Tcm(2n)分别表示齿槽转矩奇次谐波幅值和齿槽转矩偶次谐波幅值，分别表示齿槽转矩奇次谐波相位和齿槽转矩偶次谐波相位。
4.根据权利要求1所述的转子错极模块化外转子开关磁通电机，其特征在于，各所述定子单元(1-3)中的两块永磁体(1-5)周向充磁方向相反。
5.根据权利要求1所述的转子错极模块化外转子开关磁通电机，其特征在于，所述所述绕组(3)的反电势相位不变。
6.根据权利要求1所述的转子错极模块化外转子开关磁通电机，其特征在于，所述连接块(1-4)为非磁性材料。
7.根据权利要求1所述的转子错极模块化外转子开关磁通电机，其特征在于，所述定子、所述转子均由多个硅钢片叠压而成。
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