CN208445460U - 一种电动汽车用轮辐式交错转子永磁同步电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电动汽车用轮辐式交错转子永磁同步电机，包括定子及转子，所述转子为轮辐式内置转子，所述转子分为两段，每段转子具有多个交错分布的肋部，两段转子肋部形成一定的交错角度，两段转子的肋部呈现相反的磁极性，每段转子的肋部均和转子轭部相连接，两段转子同轴连接，转子的肋部和转子轭部以及轴上有磁通经过，永磁体产生的磁通通过两段转子的肋部和转子轴及轭部流过形成闭合磁路，两段转子之间安放励磁绕组，通过控制该励磁绕组电流的大小和方向控制转子肋部及转子轭部上流过的磁通量，从而控制电机的每极磁通大小，实现电机的混合励磁，能够实现增磁运行或弱磁扩速运行，显著拓宽电机的经济运行范围。

Description

一种电动汽车用轮辐式交错转子永磁同步电机

技术领域

本实用新型涉及一种永磁同步电机，具体涉及一种电动汽车用轮辐式交错型永磁转子永磁同步驱动电机。

背景技术

近年来，随着永磁材料耐高温性能的提高与价格的降低，永磁电机在国防、工业、农业与日常生活中得到了广泛的应用，正在向大功率化，高功能化和微型化方向发展，永磁电机的品种和应用领域不断扩大。目前永磁电动机的功率从几毫瓦到几千千瓦，应用范围从小到玩具电机，大到舰船牵引用到的大型永磁电机，在国民经济、日常生活、军事工业、航空航天的各个方面得到了广泛的应用。主要应用如下：

(1)家用电器：包括电视音像设备、风扇、空调外挂机、食品加工机、油烟机等。

(2)计算机及其***设备：包括计算机(驱动器、风扇等)、打印机、绘图仪、光驱、光盘刻录机、扫描仪等。

(3)工业生产：包括工业驱动装置、材料加工***、自动化设备、机器人、传动***等。

(4)汽车行业：包括永磁启动机、雨刮器电机、门锁电机、座椅升降电机、遮阳顶棚电机、清洗泵电机、录音机用电机、玻璃升降电机、散热器冷却风扇电机、空调电机、天线升降电机、油泵电机、后视镜调节等。

(5)公共生活领域：包括钟表、美容机械、自动售货机、自动取款机、点钞机等。

(6)交通运输领域：包括电车、飞机辅助设备、舰船等。

(7)航天领域：包括火箭、卫星、宇宙飞船、航天飞机等。

(8)国防领域：包括坦克、导弹、潜艇、飞机等。

(9)医疗领域：包括牙钻、人工心脏、医疗器械等。

(10)发电领域：包括风力发电、余热发电、小型水力发电、小型内燃发电机组用发电机，以及大型发电机的副励磁机等。

(11)新型纯电动汽车领域：在当今环保和能源问题备受关注的大趋势下，为解决传统汽车污染环境和使用不可再生能源的缺点，电动汽车呈现加速发展的趋势；同时电动汽车容易实现智能化，有助于改进和提高车辆的安全和使用性能。电动汽车对其驱动***具有转矩控制能力好，转矩密度高，运行可靠，调速范围大等要求，因此，研究并开发出高水平的电动汽车驱动电机具有重要的意义。

常规永磁电动机通常分为以下4类：永磁直流电动机、异步启动永磁同步电动机、永磁无刷直流电动机和调速永磁同步电动机。

永磁直流电动机与普通直流电动机在结构上的不同在于前者取消了励磁绕组和磁极铁芯，并用永磁磁极取代，具有结构简单、可靠性高、效率高、体积小、重量轻等特点、大多数的永磁直流电动机是微型电动机，在电动玩具、家用电器、汽车工业中得到了广泛应用，其中在汽车工业中的应用发展最快。

无刷直流电机和调速永磁同步电机结构上基本相同，定子上为多相绕组，转子上为永磁体，它们的主要区别是无刷直流电机根据转子位置信息实现自同步。它们的优点在于：取消了电刷换向器，可靠性提高；损耗主要由定子产生，散热条件好；体积小，重量轻。

异步启动永磁同步电动机与调速永磁同步电动机结构上的区别是：前者转子上有启动绕组或具有启动作用的整体铁芯，能自启动，无需控制***即可在电网上运行。

调速永磁同步电机根据转子上的永磁体安放方式的不同，可以分为表面式转子结构和内置式转子结构两种：

表面式转子结构中，永磁体被加工成弧形，直接固定在转子的外表面，永磁体直接面向电机气隙，永磁体产生的磁通直接经过气隙进入定子形成有效磁通；与内置式转子结构相比，表面式转子结构中的永磁体由于直接安放在转子表面，永磁体需要加工成与转子和气隙相匹配的弧形形状以保证形成均匀气隙，由于永磁材料易碎的特性，其精确加工较为复杂，对加工工艺要求较高，成本高。此外，由于永磁体直接安放在转子表面，电机运行时，由于离心力的作用，要求永磁体外部必须缠绕无纬带绑扎固定，避免转子高速旋转时永磁体发生脱落损坏；由于永磁体的气隙磁密与永磁体的宽度成正比关系，因此当永磁体的宽度确定时，电机空载气隙磁密随之确定，实际进行设计时，电机永磁体宽度受到空载气隙磁密的制约；由于永磁体直接面向电机气隙，当电机需要进行弱磁扩速控制即采用i_d不等于0控制时，电枢绕组产生的磁通会直接穿过永磁体，永磁体面临不可逆退磁的风险；由于永磁材料的磁导率与空气很接近，表面式转子结构中d轴和q轴的电抗相等，电机运行时仅靠永磁磁场和电枢磁场相互作用产生转矩，不能产生磁阻转矩，电机的转矩密度和功率密度与内置式转子结构相比较低；表面式转子结构不能在转子外侧放置启动鼠笼，电机不能实现自启动。

内置式转子结构中，永磁体按照一定的要求嵌入到转子铁芯当中，永磁体在铁芯中产生磁通，内置式转子结构中永磁体的嵌入形式多样，永磁体能够根据不同的要求进行串并联组合实现聚磁效应，满足实际性能需要；与表面式转子结构相比，内置式转子结构中的永磁体不是直接安放于转子表面，而是通过一定的形式嵌入到转子铁芯当中，永磁体不直接面向电机气隙，永磁体依靠转子中的永磁体槽进行固定，无需无纬带捆绑固定，转子机械结构整体性好，电机高速旋转时可靠性高；永磁体可以通过相互之间串联和并联的灵活组合实现聚磁效应，能够得到比表面式转子结构大得多的气隙磁密，电机功率密度和转矩密度高于表面式转子结构；电机极弧系数和气隙磁密没有直接关系，在设计时可以分别独立进行设置；过载条件下，由于永磁体不直接面对气隙，可以降低退磁的风险。

现有永磁同步电机存在如下技术缺点：

1、永磁同步电机的永磁体磁动势固定，电机制成后主磁通便已确定，无法对电机的每极磁通进行控制，恒功率运行范围窄，调速范围不够宽泛。

2、按照弱磁时d轴磁通经过的路径不同，现有内置式转子结构的永磁同步电机可以分为两类，其中一类，当进行弱磁控制时，电枢绕组产生的d轴磁通会穿过电机的永磁体，引起永磁体不可逆退磁，另外一类，当进行弱磁控制时，电枢绕组产生的d轴磁通不经过永磁体闭合，但d轴电流产生的磁场强迫更多的转子磁通通过电机的端部和端盖闭合，显著增大了电机的漏磁通，而且由于电机端部磁阻通常比气隙磁阻大得多，因此，弱磁所需要的d轴电流较大，显著增加了电机功率逆变器的成本和绕组铜耗。

3、现有的永磁同步电机进行弱磁调速时，调速***中仍采用矢量控制的居多，通常是通过控制器对定子电枢电流进行控制，不是从本体结构上对电机的弱磁进行调节，电机的弱磁性能不理想，控制器成本和控制难度增加。

实用新型内容

为了克服上述现有技术的不足，本实用新型提供了一种电动汽车用轮辐式交错型永磁转子永磁同步驱动电机及其方法，本实用新型电机的转子部分分为两段，每段转子具有交错分布的多个肋部结构并与转子轭部相连，两段转子的肋部错开一定的角度，使得同一段转子的肋部呈现相同的磁极性，两段转子的肋部呈现相反的磁极性，永磁体产生的部分磁通可以在交错的肋部和转子轭部上通过并形成闭合磁路；两段转子的轭部通过转子连接轴连接在一起，转子轭部上安放有励磁绕组，通过控制该励磁绕组电流的大小和方向，调节经过电机肋部的磁通量，从而可以控制电机的每极磁通，实现电机的混合励磁。

本实用新型所采用的技术方案是：

一种电动汽车用轮辐式交错转子永磁同步电机，包括定子和转子，所述转子内置在定子中且与定子同轴放置，所述定子安放有电枢绕组；

所述转子由两段转子拼接而成，每段转子包括转子轭部和多个交错分布且与转子轭部相连的肋部，两段转子的肋部错开角度，使得两段转子的肋部呈现相反的磁极性，两段转子的转子轭部通过转子连接轴连接在一起，每段转子内设置有永磁体，永磁体产生的磁通一部分通过两段转子的肋部、转子轭部和两段转子之间的转子连接轴形成闭合磁路；转子连接轴上安放有励磁绕组，通过在励磁绕组上施加电流控制通过两段转子的肋部、转子轭部和两段转子之间的转子连接轴形成闭合磁路的磁通量，从而控制电机的每极磁通，实现电机的混合励磁。

进一步的，两段转子的肋部错开的角度为360/2p度，其中，p为电机的极对数。

进一步的，所述定子由硅钢片叠压而成，所述定子包括定子槽、定子齿和定子轭部，所述定子槽内安放有电枢绕组。

进一步的，所述电枢绕组为单层绕组或双层绕组，电机相数m≥3，极对数p≥1；电枢绕组的极数与转子磁极极数相同。

进一步的，每段转子上还设置有多个转子槽，转子槽内放置有永磁体，相邻的两块永磁体的充磁方向相反，相邻两块永磁体和之间的转子铁芯沿径向生成径向磁极，所述径向磁极面向电机的定子，径向磁极与转子之间为气隙，永磁体产生的磁通一部分通过两段转子的肋部、转子轭部和两段转子之间的转子连接轴形成闭合磁路，另一部分通过径向磁极经过气隙进入定子铁芯与电枢绕组交链形成主磁通。

进一步的，每段转子的肋部与电机的极对数相同，转子槽的数量为电机的极对数的两倍。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

(1)本实用新型电机的转子为轮辐式交错型内置式永磁转子，该转子结构与现有的内置式转子结构不同的是现有的辐条内置式转子由于永磁体是固定的，永磁体确定之后，电机的每极磁通便随之确定。本实用新型电机的转子由两段转子组成，每段转子设置有交错的肋部并且与转子轭部连接，两段转子的肋部之间错开一定角度，使永磁体产生的磁通通过交错的转子肋部和转子轭部形成闭合磁路，转子轭部上安放有励磁绕组，该绕组可以施加电流控制通过转子肋部的磁通的数量，从而可以控制电机的每极磁通，灵活的实现混合励磁功能；

(2)本实用新型电机的转子连接轴上带有可以施加电流的励磁绕组，通过控制该励磁绕组上施加电流的大小和方向，控制电机主磁通的大小，通过合理的设计，可以使电机在额定条件运行时励磁绕组不通电流，显著降低电机额定运行点的励磁损耗，有助于提高电动机的运行效率；

(3)本实用新型电机使用的轮辐式交错型永磁转子，是常用的内置式转子结构，只是采用了分段结构，电机的制造工艺简单，易于实际加工制造，其结构复杂性和制造成本均低于现有的混合励磁结构永磁电机，而且本实用新型电机的机械结构一体化好，能够实现高运行速度。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本实用新型电机转子结构正视图；

图2为本实用新型电机转子结构立体图；

图3为本实用新型电机转子结构与转子轭部上励磁绕组的分解模型立体图；

图4为本实用新型电机整体结构立体图；

图中，1、第一段转子，2、第一段转子的肋部，3、第二段转子的肋部，4、转子槽，5、转子轭部，6、第二段转子，7、转子肋部内部的励磁绕组，8、定子，9、定子齿，10、定子槽，11、电枢绕组，12、永磁体，13、转子连接轴。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在无法对电机的每极磁通进行控制，恒功率运行范围窄，调速范围不够宽泛，增加了电机功率逆变器的成本和绕组铜耗，电机的弱磁性能不理想，增加控制器成本和控制难度的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种电动汽车用轮辐式交错转子永磁同步电机及其方法。

本申请的一种典型的实施方式中，提供了一种电动汽车用轮辐式交错转子永磁同步电机，包括定子和转子，所述转子内置在定子中且与定子同轴放置，所述定子安放有电枢绕组；

所述转子由两段转子拼接而成，每段转子包括转子轭部和交错分布且与转子轭部相连的p 个肋部，p为电机的极对数；两段转子的肋部错开一定的角度，错开的度数与极数有关，为 360/2p度，使得同一段转子的肋部呈现相同的磁极性，不同两段转子的肋部呈现相反的磁极性，两段转子的转子轭部通过转子连接轴连接在一起，两段转子的肋部、转子轭部和两段转子之间的转子连接轴形成的闭合磁路；转子内放置有永磁体，永磁体产生的磁通一部分通过两段转子的肋部、转子轭部和两段转子之间的转子连接轴形成闭合磁路；转子连接轴上安放有励磁绕组，通过在励磁绕组上施加电流控制通过两段转子的肋部、转子轭部和两段转子之间的转子连接轴形成闭合磁路的磁通量，从而控制电机的每极磁通，实现电机的混合励磁。

电机运行时，可以通过向励磁绕组施加电流来动态调节电机的运行时的主磁通，以此实现对磁通的控制。

进一步的，所述定子由硅钢片叠压而成，所述定子包括定子槽、定子齿和定子轭部，所述定子槽内安放有电枢绕组。

进一步的，所述电枢绕组为单层绕组或双层绕组，电机相数m≥3，极对数p≥1；电枢绕组的极数与转子磁极极数相同。

进一步的，每段转子上还设置有多个转子槽，转子槽内放置有永磁体，所述永磁体通过串并联组合实现“聚磁效应”，在转子上产生磁极；相邻的两块永磁体的充磁方向相反，相邻两块永磁体和之间的转子铁芯沿径向生成径向磁极，所述径向磁极面向电机的定子，径向磁极与转子之间为气隙，永磁体产生的磁通一部分通过两段转子的肋部、转子轭部和两段转子之间的转子连接轴形成闭合磁路，另一部分通过径向磁极经过气隙进入定子铁芯与电枢绕组交链形成主磁通；所述主磁通与电枢绕组产生的磁场相互作用产生转矩。

更进一步的，电机正常运行时，可以通过减小转子连接轴上的励磁绕组的电流来减小流经定转子气隙中的磁通，从而减小电机的主磁通，实现弱磁扩速，有效的扩大电机的恒功率运行范围。

如图4所示，该电机电机相数为3，定子齿数为36，转子槽数为6，转子两侧共有6个肋，永磁体块数为6，磁极数为6；该电机包括包括定子和转子以及转子连接轴上的励磁绕组；所述定子8由硅钢片叠压而成，定子8包括定子齿9、定子槽10和定子轭部，定子槽10内安放有电枢绕组11，电枢绕组11可分为分布绕组，集中绕组或者叠绕组，电枢绕组的极数与转子磁极极数一致，定子与转子同轴，径向定子和转子之间有气隙；如图1和2所示，本实用新型电机的转子部分分为两段，所述转子由两段相同的转子拼接而成，每段转子具有交错分布的,3个肋部结构并与转子轭部5相连，电机的极对数为3，两段转子的转子轭部5通过同一转子连接轴13连接，第二段转子的肋部3与第一段转子的肋部2交错60度(示例图中为6极电机)，从而在转子的端轴部形成一个交错的肋部结构，每段转子上有6个转子槽4，可以用来安放永磁体12，相邻的两块永磁体12的充磁方向相反，相邻两块永磁体和之间的转子铁芯沿径向生成径向磁极，永磁体产生的磁通一部分通过径向磁极经过气隙进入定子铁芯与电枢绕组交链形成主磁通；在转子上，另一部分磁通可以通过交错的第一段转子的肋部 2、第二段转子的肋部3以及两端转子之间的转子连接轴构成闭合磁路；如图3所示电机转子以及转子连接轴上励磁绕组的分解模型示意图，电机运行时，可以通过在转子连接轴上的励磁绕组7施加电流，可以施加将转子肋部的磁通减小的电流，此时永磁体产生的磁通绝大多数构成电机的主磁通，使电机的每极磁通保持在一个较高的水平，也可以在此励磁绕组7上施加弱磁电流，此时有较多的磁通流过交错的转子肋部2、3形成闭合磁路，穿过定转子气隙的磁通减小，从而减小了电机的主磁通，以此实现弱磁控制，拓宽电机的恒功率运行区域，由此可见，通过转子轭部上的励磁绕组可以实现电机的混合励磁。

其中，在上述实施例子中，定子8还可以是高磁导率的软磁复合材料制成，转子为实心转子，实心转子具有高磁导率，所述实心转子内安放有永磁体12，转子为永磁体内置式结构，永磁体按照一定的组合排列，实现聚磁效应，在转子径向方向上形成径向磁极，永磁体产生的磁通可以沿径向进入气隙，所述实心转子在电机启动时能够产生涡流，实现自启动。

永磁体12为高性能永磁材料，如钕铁硼，稀土钴，或者低性能永磁材料，如铝镍钴或者铁氧体。

永磁同步电机在工作时，电机空载不通电流时，永磁体产生的一部分磁通通过径向磁极经过气隙进入定子铁芯与电枢绕组交链形成主磁通，另一部分通过两段转子交错的肋部、转子轭部和两段转子之间的转子连接轴形成的闭合磁路，可以通过转子连接轴上的励磁绕组的电流大小和方向来控制经过肋部的磁通的大小。电机通电流带载运行时，工作模式为：定子绕组施加电流后，电机的转子上的永磁体产生的主磁通与电枢绕组产生驱动转矩，此时电机转子开始转动，同时可以对电机转子肋部内部的电流绕组施加电流，能够实现增磁运行或者弱磁扩速运行两种效果，有效的拓宽电机的运行范围，实现电机混合励磁。

电机实际应用是，根据电机工作的额定转速，额定转矩以及具体性能要求，通过合理设计电机的各个参数如气隙长度，定子电枢绕组匝数，转子内置电流绕组的匝数来实现各种不同的性能。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种电动汽车用轮辐式交错转子永磁同步电机，其特征是，包括定子和转子，所述转子内置在定子中且与定子同轴放置，所述定子安放有电枢绕组；

所述转子由两段转子拼接而成，每段转子包括转子轭部和多个交错分布且与转子轭部相连的肋部，两段转子的肋部错开角度，使得两段转子的肋部呈现相反的磁极性，两段转子的转子轭部通过转子连接轴连接在一起，每段转子内设置有永磁体，永磁体产生的磁通一部分通过两段转子的肋部、转子轭部和两段转子之间的转子连接轴形成闭合磁路；转子连接轴上安放有励磁绕组，通过在励磁绕组上施加电流控制通过两段转子的肋部、转子轭部和两段转子之间的转子连接轴形成闭合磁路的磁通量，从而控制电机的每极磁通，实现电机的混合励磁。

2.根据权利要求1所述的电动汽车用轮辐式交错转子永磁同步电机，其特征是，两段转子的肋部错开的角度为360/2p度，其中，p为电机的极对数。

3.根据权利要求1所述的电动汽车用轮辐式交错转子永磁同步电机，其特征是，所述定子由硅钢片叠压而成，所述定子包括定子槽、定子齿和定子轭部，所述定子槽内安放有电枢绕组。

4.根据权利要求1所述的电动汽车用轮辐式交错转子永磁同步电机，其特征是，所述电枢绕组为单层绕组或双层绕组，电机相数m≥3，极对数p≥1；电枢绕组的极数与转子磁极极数相同。

5.根据权利要求1所述的电动汽车用轮辐式交错转子永磁同步电机，其特征是，每段转子上还设置有多个转子槽，转子槽内放置有永磁体，相邻的两块永磁体的充磁方向相反，相邻两块永磁体和之间的转子铁芯沿径向生成径向磁极，所述径向磁极面向电机的定子，径向磁极与转子之间为气隙。

6.根据权利要求1所述的电动汽车用轮辐式交错转子永磁同步电机，其特征是，每段转子的肋部与电机的极对数相同，每段转子的转子槽的数量等于电机的极对数的两倍。