CN114006489B - 一种直驱交替极永磁轮毂电机 - Google Patents

一种直驱交替极永磁轮毂电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种直驱交替极永磁轮毂电机，包括内定子、外定子以及位于二者之间的交替极转子，内定子和外定子分别由若干定子模块组合而成；交替极转子包括若干模块化铁芯以及交替设置的Spoke永磁体和面贴式永磁体，Spoke永磁体采用环向充磁，面贴式永磁体采用径向充磁，模块化铁芯上设置有定位孔，交替极转子的内、外两侧设置不导磁压板，不导磁压板与模块化铁芯上的定位孔通过定位螺栓固定。本发明解决了交替极永磁电机气隙磁密不对称导致的反电势偶次谐波问题，提高了电机反电势波形质量，改善了电机电磁转矩特性，同时解决了单定子Spoke转子结构单侧漏磁问题，提高了永磁利用率。

Description

一种直驱交替极永磁轮毂电机
技术领域
本发明属于电机领域，特别涉及了一种直驱交替极永磁轮毂电机。
背景技术
由于低速大转矩直驱电机省去了减速装置，减小了***整体体积，在新能源电动汽车、风力发电、船只推进和工业生产等领域具有十分广阔的应用前景。为了节约稀土永磁材料，少稀土交替极永磁电机受到了广泛关注。但是针对9槽10极等单元电机定子齿为奇数的交替极永磁电机，气隙磁密中的偶次谐波会导致相绕组中存在反电势偶次谐波，当电机通入三相交流电时会产生较大的奇次转矩脉动，影响电机电磁转矩质量。
发明内容
为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了一种直驱交替极永磁轮毂电机，解决交替极永磁电机气隙磁密不对称导致的反电势偶次谐波问题，提高电机反电势波形质量，改善电机电磁转矩特性。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
一种直驱交替极永磁轮毂电机，包括内定子、外定子以及位于二者之间的交替极转子，内、外定子分别与交替极转子形成独立的气隙，内定子和外定子的每个定子齿上均绕设电枢绕组，内定子和外定子分别由若干定子模块组合而成；交替极转子包括若干模块化铁芯以及交替设置的Spoke永磁体和面贴式永磁体，Spoke永磁体采用环向充磁，面贴式永磁体采用径向充磁，模块化铁芯上设置有定位孔，交替极转子的内、外两侧设置不导磁压板，不导磁压板与模块化铁芯上的定位孔通过定位螺栓固定。
基于上述技术方案的优选方案，所述内定子与外定子的定子齿数相同，且空间上齿-齿相对放置，所述内定子和外定子分别由3n个定子模块组合而成，每个定子模块均包括9个定子齿，通过3n个定子模块的合成消除单模块相绕组中的反电势偶次谐波，其中n为正整数。
基于上述技术方案的优选方案，对于一个外定子模块，其9个定子齿沿逆时针方向依次绕制A-，A+，A-，C-，C+，C-，B-，B+，B-线圈；对于与该外定子模块空间对应的内定子模块，其9个定子齿沿逆时针方向依次绕制A+，A-，A+，C+，C-，C+，B+，B-，B+线圈。
基于上述技术方案的优选方案，所述Spoke永磁体的数量为10n，所述面贴式永磁体的数量为20n。
基于上述技术方案的优选方案，所述模块化铁芯为“H”形，在相邻模块化铁芯之间设置所述Spoke永磁体，在模块化铁芯的槽中设置所述面贴式永磁体。
基于上述技术方案的优选方案，相邻Spoke永磁体的充磁方向环向相反；周向相邻的面贴式永磁体的充磁方向径向相反，同时径向相对的面贴式永磁体的充磁方向也相反。
基于上述技术方案的优选方案，所述Spoke永磁体和面贴式永磁体采用钕铁硼和/或铁氧体材料。
基于上述技术方案的优选方案，所述模块化铁芯由硅钢片叠压组成，或这采用三维各相同性的SMC材料。
基于上述技术方案的优选方案，所述电枢绕组采用集中式绕组。
基于上述技术方案的优选方案，内、外定子作为一个电机控制；或者，内、外定子作为两个电机分别控制，两个电机同时做电动机运行、同时做发电机运行或一个做电动一个做发电运行。
采用上述技术方案带来的有益效果：
本发明采用定子模块的合成可以消除单模块相绕组中的反电势偶次谐波，减小电机通电后的电磁转矩脉动。转子侧采用Spoke永磁体和面贴永磁体交替排列结构，相比传统永磁电机可以节约永磁体用量，降低电机成本。具有Spoke永磁结构的聚磁优点，同时也解决了单定子Spoke永磁结构单侧漏磁问题，提高永磁利用率。转子和定子均可采用模块化加工装配，可简化加工和装配工艺，提高工作效率，节约生产成本。内外定子可作为一个电机工作，也可内外定子两套绕组分开控制，同时实现电动和发电多种工作模式。
附图说明
图1为本发明的电机结构示意图；
图2为本发明的三维***图和转子组件组装固定图；
图3为本发明绕组连接示意图；
图4为本发明电机内定子电机及其三个定子模块的空载反电势波形图；
图5为本发明电机内定子电机及其三个定子模块的空载反电势波形的谐波含量图；
图6为本发明电机外定子电机及其三个定子模块的空载反电势波形图；
图7为本发明电机外定子电机及其三个定子模块的空载反电势波形的谐波含量图；
图8为本发明电机及其内、外定子电机空载反电势波形图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明设计了一种直驱交替极永磁轮毂电机，如图1所示，包括内定子2、外定子1以及位于二者之间的交替极转子3，内、外定子2和1分别与交替极转子3形成独立的气隙4和5，内定子2和外定子1的每个定子齿上均绕设电枢绕组1-3和2-3，交替极转子3包括若干模块化铁芯3-1以及交替设置的Spoke永磁体3-3和面贴式永磁体3-4，Spoke永磁体3-3采用环向充磁，面贴式永磁体3-4采用径向充磁，模块化铁芯3-1上设置有定位孔3-2。如图2所示，交替极转子的内、外两侧设置不导磁压板6，不导磁压板6与模块化铁芯3-1上的定位孔3-2通过定位螺栓固定。
在本实施例中，内、外定子都由27个定子齿组成，每9个齿为一个定子模块，每一个定子模块上都放置有三相绕组。外定子模块1-4、1-5和1-6分别与内定子模块2-4、2-5和2-6空间上齿-齿相对放置，外定子模块1-4、1-5和1-6的合成可消除单模块相绕组中的反电势偶次谐波，同理内定子模块2-4、2-5和2-6的合成也可消除单模块相绕组中的反电势偶次谐波。该电机结构相比传统交替极电机结构可以消除反电势中的偶次谐波，以此提高电机电磁转矩品质。
结合图3说明该电机的绕组连接方式，以三相电枢绕组为例，以外定子模块1-4为例，定子上9个齿以逆时针方向定义为1到9号齿，1到9号齿分别绕制A-，A+，A-，C-，C+，C-，B-，B+，B-线圈，同时内定子模块2-4上9个齿以逆时针方向定义为10到18号齿，10到18号齿分别绕制A+，A-，A+，C+，C-，C+，B+，B-，B+线圈。其他内、外定子模块上线圈绕制方法分别与定子模块2-4和1-4完全相同。负线圈定义为定子齿右侧导线电流为流出方向，正线圈定义为定子齿右侧导线电流为流入方向。
在本实施例中，优选地，Spoke永磁体的数量为10，面贴式永磁体的数量为20。模块化铁芯为“H”形，在相邻模块化铁芯之间设置所述Spoke永磁体，在模块化铁芯的槽中设置所述面贴式永磁体。相邻Spoke永磁体的充磁方向环向相反；周向相邻的面贴式永磁体的充磁方向径向相反，同时径向相对的面贴式永磁体的充磁方向也相反。Spoke永磁体和面贴式永磁体采用钕铁硼和/或铁氧体材料。模块化铁芯由硅钢片叠压组成，或这采用三维各相同性的SMC材料。
在本实施例中，优选地，所述电枢绕组采用集中式绕组。内、外定子作为一个电机控制；或者，内、外定子作为两个电机分别控制，两个电机同时做电动机运行、同时做发电机运行或一个做电动一个做发电运行。
图4和图6分别是直驱交替极永磁轮毂电机内、外定子及其三个定子模块的空载反电势波形，由图可知内、外定子模块的空载反电势波形均出现了畸变，但是定子模块合成后改善了内、外定子电机的空载反电势波形质量。图5和图7分别是直驱交替极永磁轮毂电机内、外定子及其三个定子模块的空载反电势波形谐波分析图，由图可知内、外定子模块空载反电势波形均含有大量偶次谐波，但是3个内定子模块和3个外定子模块合成后可以把单个定子模块中的偶次谐波完全消除，实现高性能交替极永磁电机的设计。
图8是直驱交替极永磁轮毂电机内、外定子电机和二者合成的空载反电势波形，由图可知二者同相位，所以内、外定子电机两套绕组可作为一个电机控制。同时内、外定子电机两套绕组也可单独控制同时实现电动和发电等多种工作模式。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，例如交替极转子可以有多种结构，径向充磁瓦片形永磁体可用V形结构、Halbach等结构替代，此外该思想也可扩展到轴向磁通和直线等多种电机中，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种直驱交替极永磁轮毂电机，其特征在于，包括内定子、外定子以及位于二者之间的交替极转子，内、外定子分别与交替极转子形成独立的气隙，内定子和外定子的每个定子齿上均绕设电枢绕组，内定子和外定子分别由若干定子模块组合而成；交替极转子包括若干模块化铁芯以及交替设置的Spoke永磁体和面贴式永磁体，Spoke永磁体采用环向充磁，面贴式永磁体采用径向充磁，模块化铁芯上设置有定位孔，交替极转子的内、外两侧设置不导磁压板，不导磁压板与模块化铁芯上的定位孔通过定位螺栓固定；
所述内定子与外定子的定子齿数相同，且空间上齿-齿相对放置，所述内定子和外定子分别由3n个定子模块组合而成，每个定子模块均包括9个定子齿，通过3n个定子模块的合成消除单模块相绕组中的反电势偶次谐波，其中n为正整数；
对于一个外定子模块，其9个定子齿沿逆时针方向依次绕制A-，A+，A-，C-，C+，C-，B-，B+，B-线圈；对于与该外定子模块空间对应的内定子模块，其9个定子齿沿逆时针方向依次绕制A+，A-，A+，C+，C-，C+，B+，B-，B+线圈；
相邻Spoke永磁体的充磁方向环向相反；周向相邻的面贴式永磁体的充磁方向径向相反，同时径向相对的面贴式永磁体的充磁方向也相反。
2.根据权利要求1所述直驱交替极永磁轮毂电机，其特征在于，所述Spoke永磁体的数量为10n，所述面贴式永磁体的数量为20n。
3.根据权利要求1所述直驱交替极永磁轮毂电机，其特征在于，所述模块化铁芯为“H”形，在相邻模块化铁芯之间设置所述Spoke永磁体，在模块化铁芯的槽中设置所述面贴式永磁体。
4.根据权利要求1所述直驱交替极永磁轮毂电机，其特征在于，所述Spoke永磁体和面贴式永磁体采用钕铁硼和/或铁氧体材料。
5.根据权利要求1所述直驱交替极永磁轮毂电机，其特征在于，所述模块化铁芯由硅钢片叠压组成，或这采用三维各相同性的SMC材料。
6.根据权利要求1所述直驱交替极永磁轮毂电机，其特征在于，所述电枢绕组采用集中式绕组。
7.根据权利要求1所述直驱交替极永磁轮毂电机，其特征在于，内、外定子作为一个电机控制；或者，内、外定子作为两个电机分别控制，两个电机同时做电动机运行、同时做发电机运行或一个做电动一个做发电运行。
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