一種永磁磁阻型輪轂電機的製作方法

2023-05-02 00:40:06

專利名稱：一種永磁磁阻型輪轂電機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種永磁磁阻型電機，特別是一種可適用於電動自行車或電動摩託車 的永磁磁阻型外轉子輪轂電機。
背景技術：
永磁電機採用永磁體生成電機的磁場，無需勵磁線圈也無需勵磁電流，效率高且 結構簡單，是很好的節能電機，常被作為驅動電動自行車的電機首選。
2012年中國電動自行車保有量達到1. 4億輛，並且每年以3000萬輛左右的規模增 長。普通電動自行車主要使用外轉子無刷直流輪轂電機，採用表貼式隱極結構，如專利號為 ZL200820082308. 5的中國實用新型專利《電動車輪轂電機》所公開的轉子結構，這類隱極電 機轉矩來源於電磁轉矩，因而需要使用大量稀土永磁磁鋼，該專利所需磁鋼以N極、S極極 性交替緊密貼放，實際上兩種磁鋼緊密貼放的相鄰區域磁力線直接連通，沒有耦合至轉子， 並且無刷電機實現的是120°導通模式，因此磁鋼緊密貼放的形式是一種浪費，但是磁鋼貼 裝生產工藝簡單。又如專利號為201020049324.1的中國實用新型《電動車電機轉子間貼式 磁鋼圈》公開了這樣一種結構，該專利將轉子磁鋼做窄，兩種極性的磁鋼留有間隙，並提出 用凸臺控制磁鋼的安裝，雖然減少了磁鋼的用量，但是無法利用磁阻轉矩實現電機驅動。
另有，申請號為201110061396. 7的中國發明申請《電動車電機》公開了一種電動 車無刷電機減少磁鋼用量的方法，將磁鋼的數目減少一半，只安裝同極性的磁鋼，間隔以凸 極導磁凸體，宣稱可以大量減少磁鋼用量，但是該方法指明是用於無刷電機，無刷電機工作 需要一定的磁通，氣隙磁通密度要滿足產生轉矩的要求，永磁磁鋼作為激勵源，只採用一種 極性的磁鋼，該磁鋼必然要加厚加寬，實際節省用量的效果不一定會超出前者；其次，該專 利電機的磁路不再對稱，有產生磁阻轉矩的能力，但該專利中並沒有提及磁阻轉矩的利用 (必須要通過合適的控制方法實現，如FOC控制策略)的問題；此外，該專利存在的另一個問 題是，導磁凸極採用矩形結構，其形狀對轉矩的影響較大，當轉子凸極與定子齒頂作相對運 動移入移出時，會產生較大的轉矩脈動及定位力矩，造成換相轉矩脈動噪音大，轉子表面易 損耗，影響其在電動車上應用的效果。
目前，電動車電機仍是採用無刷直流電機及相關的控制方式，這種方式根據霍爾 位置檢測器獲知轉子位置，對三相繞組進行輪流換相導通，控制方法簡單，但存在換相轉矩 脈動噪音較大，及轉子表面損耗較大等缺點。以F0C、DTC等控制方案為代表的算法，實現了 正弦波驅動控制，電機磁場由無刷直流的步進方式改變為連續平穩運轉方式，轉動平穩、效 率高，可很好利用電機磁阻轉矩，增加出力或減少磁鋼用量，已被認為使電動自行車驅動控 制發展方向，但是，這類高性能控制對轉子位置的檢測精度要求較高，在電動自行車上安裝 編碼器檢測位置，因成本問題顯得不現實，不能為市場接受。另外，帶有凸極性的永磁電機 可方便地實施無位置傳感器控制技術，省去位置檢測元件，降低了系統成本並增加可靠性， 但是，由於無位置傳感器控制技術一般針對正弦波驅動的永磁同步電機，對電機電感有一 定要求，不經優化的凸極式無刷直流電機難以應用。發明內容
本發明所要解決的技術問題是針對上述現有技術現狀而提供一種能有效提高磁 阻轉矩、減少磁鋼用量且保證電機運行平穩的永磁磁阻型輪轂電機。
本發明解決上述技術問題所採用的技術方案為一種永磁磁阻型輪轂電機，包括 外轉子和內定子，其中，所述的內定子上設置有三相繞組，所述外轉子沿周向均布設置有磁 鋼，其特徵在於所述外轉子的內圓周面成型有間隔設置的凹槽，所述磁鋼嵌設於所述凹槽 內，所述磁鋼截面呈矩形，所有所述磁鋼面向所述內定子的極性相同；相鄰的所述凹槽之間 形成有導磁凸極，所述導磁凸極和所述磁鋼為間隔交替設置，其中，所述導磁凸極面向所述 內定子一側端的截面曲線呈外凸的弧形；並且，所述外轉子的槽數和磁極數採用近槽配合 方式。
所謂近槽配合，是指電機外轉子的磁極數與槽數相近的一種分數槽電機的極槽配 合形式，採用近槽配合，並配合單極性的磁鋼加弧形導磁凸極的結構，有助於電機產生可利 用的磁阻轉矩，從而達到減少磁鋼用量的目的。
由於目前的無刷電機多為採用三相逆變供電的三相電機，故槽數應以3的整數倍 為佳，如為9槽/8極、15槽/16極等等，作為優選，所述的近槽配合為以下兩種方式之一 ①、以9槽/8極為基本單元的正整數倍、以9槽/10極為基本單元的正整數倍。
為使得各諧波磁場最小化，作為優選，所述磁鋼的極弧長度與所述導磁凸極的極 弧長度比值為a: (ι-a)，其中，O. 4〈a〈0. 6。對於普通雙極性磁鋼的永磁電機，磁鋼的氣隙磁 場必然是對稱的，但是採用本申請提出的單極性磁鋼與弧形導磁凸極交替安排的新拓撲結 構時，永磁磁極與弧形導磁凸極所處的氣隙磁場分布實際上是不對稱的，由此會對電機的 轉矩輸出產生一定的影響，如果a取值過小(如a〈0. 4)，雖然能夠減少磁鋼用量，但是輸出 磁阻轉矩的效率降低；如果a取值過大(如a>0. 6)，輸出磁阻轉矩的效率能獲得有效提高， 但同時磁鋼的用量增加，為了能夠在最優效率的前提下，同時減少磁鋼的用量，a的取值需 要在一個合適的範圍內，以O. 4到O. 6區間範圍內為最佳。
確定弧形凸極的凸面曲線的具體方法有多種，可以由設計者在保證電機基本輸出 能力的前提下，通過優化確定，作為優選，所述導磁凸極的弧形可以優選地為由同一曲率半 徑形成的圓弧凸面。
作為另一優選，所述導磁凸極的弧形也可以為由多段曲率半徑不同的圓弧平滑過 渡形成的弧形凸面。
與現有技術相比，本發明的優點在於1、對傳統電動自行車的輪轂電機進行改進， 採用永磁和磁阻轉矩組合輸出的方式，相比普通雙極性磁鋼的無刷直流電機，在不增加工 藝複雜度的前提下，能有效減少磁鋼用量，提高磁阻轉矩的輸出；2、導磁凸極採用弧形凸 面，有效減小電機轉矩脈動，保證電機運轉的平穩性，提高產品可靠性；3、採用弧形凸面的 導磁凸極結構，能夠優化電感波形，使電感波形隨位置變化的極值點與磁極數一致，在最大 與最小值間呈單調變化，以便於觀測轉子磁極位置，有利於實施無位置傳感器控制技術；4、 相鄰的弧形導磁凸極之間自然形成凹槽，有利於磁鋼的嵌放定位，減小漏磁。5、能夠簡化高 頻注入轉子位置信號提取算法，省去霍爾元件，節省材料並提高系統可靠性。本發明的電機 既可用於電動自行車外轉子電機，也可用於電動摩託車電機。


圖1為本發明實施例的電機轉子和定子配合的截面結構示意圖(磁鋼未全放)。
圖2為本發明實施例具有弧形導磁凸極的電機轉子截面局部放大示意圖。
圖3為現有技術中具有平行氣隙導磁凸極的電機截面局部放大圖。
圖4為本發明實施例的電機與圖3所示現有技術電機的轉矩波形對比圖。
圖5為本發明實施例的電機與圖3所示現有技術電機的相電感波形對比圖。
圖6為現有技術中的雙極性磁鋼電機的電樞反應磁場數值分析圖(去掉磁鋼)。
圖7為本發明實施例電機的電樞反應磁場數值分析圖(去掉磁鋼)。
具體實施方式
以下結合附圖實施例對本發明作進一步詳細描述。
如圖1、圖2所不,本實施例為一種用於電動自行車的永磁磁阻型輪轂電機,該電機採用外轉子結構，包括內定子1、外轉子2、軸和輪轂外殼，內定子I固定於軸上，外轉子2 固定於輪轂外殼上，軸和輪轂外殼米用的結構與常規電動自行車電機相同，定子鐵芯與 常規外轉子無刷直流電機的定子結構相同，本實施例的內定子I為36槽(齒)均勻分布，定子繞組3三相對稱分布，相位互差120度，繞組3線圈集中繞制在一個齒上，即線圈上下邊放置於相鄰定子槽內。
本實施例的外轉子2在內圓周面成型有間隔設置的凹槽21，凹槽21內嵌設有磁鋼 4，磁鋼4截面呈矩形，所有磁鋼4面向內定子I的極性相同；相鄰的凹槽21之間形成導磁凸極22，導磁凸極22和磁鋼4為間隔交替設置，導磁凸極22面向內定子I 一側端的截面曲線呈外凸的弧形，為有效利用磁阻轉矩，並減小轉矩脈動，外轉子2的槽數和磁極數採用近槽配合。所謂近槽配合，是指電機的磁極數與槽數相近的一種分數槽電機的極槽配合形式， 如以9槽/8極、9槽/10極等作為基本單元，選擇上述槽極配合的正整數倍數(1、2、3、4、5、 6……)。對於低轉速電機來說，槽數多，槽極配合可以為36槽/32極(分別為9槽/8極的四倍關係)，這種槽極配合常被用於電動自行車的輪轂電機設計中；而高速電機的情況則相反，可以採用如18/16極(為9槽/8極的二倍關係)、9槽/8極(為9槽/8極的一倍關係) 等。對於近槽配合的其他方式，如槽數極數的偶數配合12槽/10極、槽數磁極數較大的配合15槽/16極或15槽/14極，由於齒槽與導磁凸極的錯位小或作用相抵,不利於磁阻轉矩產生，不宜採用。
本實施例的極槽配合採用三相36槽32極的近槽配合配合方式，將一臺36槽的電動自行車的普通無刷直流輪轂電機的定子衝片不變，將轉子換成本發明所提出的結構，氣隙不變，電機的磁鋼厚度、長度相同，寬度略增；樣機試驗結果表明，電機的出力不變，但原方波驅動的無刷電機的最聞效率為84. 6%,而本實施例的正弦波驅動的電機最聞效率提聞到85. 5%，重要的是磁鋼用量幾乎減少一半。
如圖2所示，本實施例導磁凸極的截面弧形曲線的具體確定方法有多種，可以由設計者通過多次有限元磁場分析確定，在保證電機基本輸出能力的前提下，根據優化的出發點不同，來確定導磁凸極的弧形曲線的形狀。本實施例對導磁凸極的外凸弧形曲面的確定基於轉矩脈動減小和電機相電感曲線隨轉子位置呈現規則變化這兩個出發點，通過多次磁場有限元數值分析優化選取。
具體地，該導磁凸極的外凸弧形端面可以為由同一曲率半徑形成的圓弧凸面，該導磁凸極22的外凸端面的弧形邊由兩相鄰交點X、Z及轉子內徑與導磁凸極的外凸圓弧中心線的交點Y三點確定；外轉子2沿周長均勻分成16等份，每一等份由安裝有磁鋼4的凹槽21和導磁凸極22組成，且每一等份的長度為2 π Γι/16 ;設定每一等份中磁鋼4的極弧長度佔據該等份的總長度百分比為a，則導磁凸極22極弧長度佔據的百分比為(1-a)， 即磁鋼4的極弧長度與導磁凸極22的極弧長度比值為a: (1-a)，於是，磁鋼4的長度 I1= (2 Jir1 X a)/16，磁鋼 4 的厚度為(rm)，導磁凸極 22 的長度 L2= [2 Jir1X (l_a)]/16，其中，Γι為外轉子2的內徑，r2為與導磁凸極22的弧形端面相切的中心圓半徑；對於普通雙極性磁鋼的永磁電機，磁鋼的氣隙磁場分布必然是對稱的，但是採用本實施例提出的單極性磁鋼與弧形導磁凸極交替安排的新拓撲結構時，永磁磁極與弧形導磁凸極所處的氣隙磁場分布實際上是不對稱的，這會對電機轉矩的輸出產生影響，為使各諧波磁場最小化，就需選擇合適的a值，通過多次有限元數值分析優化確定，a過大或過小均會影響電機性能；如果a取值過大(如a>0. 6)，輸出磁阻轉矩的效率能獲得有效提高，但同時磁鋼的用量增加， 當a取值過小(如a〈0. 4)，雖然能夠減少磁鋼用量，但是輸出磁阻轉矩的效率降低；實際設計時，應當配合齒頂寬度選取，本實施例經電磁仿真優化，優選地，應以O. 4〈a〈0. 6為宜，此時，能夠使得電機性能達到最佳狀態。另外，本實施例導磁凸極22的截面弧形曲線也可採用由多段曲率半徑不同的圓 弧平滑過渡形成，曲率半徑的實際大小可以通過磁場分析軟體分析後確定。
圖3是現有技術中具有導磁凸極的電機截面局部放大圖，該電機包括有定子I』和轉子2』，轉子2』內圈的導磁凸極21』的凸面為矩形結構，導磁凸極21』和磁鋼3』之間形成的是平行氣隙；本實施例採用局部模型有限元分析方法，對電機性能進行模擬，得到圖4、 圖5所示的對比圖。
其中，圖4為具有平行氣隙的導磁凸極的電機與具有弧形導磁凸極的電機轉矩波形對比，兩者的相電流均為10A，除轉子結構外，電機的其他部分均相同，可以看到，導磁凸極的形狀對轉矩影響很大，利用平行氣隙的凸極(矩形凸極)，當轉子凸極與定子齒頂凸極作相對運動移入移出時，會有很大的轉矩脈動及定位力矩，使電機運轉不平穩。本實施例將導磁凸極形狀設計成中間外凸的弧形凸面，弱化原平行氣隙凸極邊緣磁導的劇烈變化，減小轉矩脈動，電機運行更加平穩；同時，本實施例採用的磁鋼4為矩形截面，較普通瓦型磁鋼，磁鋼的利用率高，磁鋼4面向圓形的定子，使得磁鋼4中心氣隙小於磁鋼4邊緣的氣隙， 也有利於氣隙磁場諧波含量，於是，弧形導磁凸極的邊緣與矩形磁鋼的邊緣自然分離，帶來的另一好處是可以減小永磁體漏磁。
圖5為具有平行氣隙導磁凸極的電機與具有弧形導磁凸極的電機相電感波形對比，由對比結果可見，本實施例為具有弧形導磁凸極的電機，其電感按分區基本平滑變化， 可以通過檢測各相的電感，來推算轉子磁極位置，滿足相關控制需要。
本實施例電機的轉矩方程如下
權利要求
1.一種永磁磁阻型輪轂電機，包括外轉子和內定子，其中，所述的內定子上設置有三相繞組，所述外轉子沿周向均布設置有磁鋼，其特徵在於所述外轉子的內圓周面成型有間隔設置的凹槽，所述磁鋼嵌設於所述凹槽內，所述磁鋼截面呈矩形，所有所述磁鋼面向所述內定子的極性相同；相鄰的所述凹槽之間形成有導磁凸極，所述導磁凸極和所述磁鋼為間隔交替設置，其中，所述導磁凸極面向所述內定子一側端的截面曲線呈外凸的弧形；並且，所述外轉子的槽數和磁極數採用近槽配合方式。
2.根據權利要求1所述的永磁磁阻型輪轂電機，其特徵在於所述的近槽配合為以下兩種方式之一①、以9槽/8極為基本單元的正整數倍、以9槽/10極為基本單元的正整數倍。
3.根據權利要求1所述的永磁磁阻型輪轂電機，其特徵在於所述磁鋼的極弧長度與所述導磁凸極的極弧長度比值為a: (1-a)，其中，O. 4〈a〈0. 6。
4.根據權利要求1或2或3或4所述的永磁磁阻型輪轂電機，其特徵在於所述導磁凸極的弧形為由同一曲率半徑形成的圓弧凸面。
5 根據權利要求1或2或3或4所述的永磁磁阻型輪轂電機，其特徵在於所述導磁凸極的弧形為由多段曲率半徑不同的圓弧平滑過渡形成的弧形凸面。
全文摘要
一種永磁磁阻型輪轂電機，包括外轉子和內定子，內定子上設置有三相繞組，外轉子沿周向均布設置有磁鋼，其特徵在於外轉子的內圓周面成型有間隔設置的凹槽，磁鋼嵌設於凹槽內，磁鋼截面呈矩形，所有磁鋼面向內定子的極性相同；相鄰凹槽之間形成有導磁凸極，導磁凸極和磁鋼為間隔交替設置，導磁凸極面向內定子一側端的截面曲線呈外凸的弧形；外轉子的槽數和磁極數採用近槽配合方式。本發明的優點在於在不增加工藝複雜度的前提下，能有效減少磁鋼用量，提高磁阻轉矩的輸出；導磁凸極採用弧形凸面，有效減小電機轉矩脈動，保證電機運轉的平穩性，提高產品可靠性。
文檔編號H02K1/27GK103001360SQ20121047240
公開日2013年3月27日 申請日期2012年11月19日 優先權日2012年11月19日
發明者黃文新, 吳正林 申請人:吳正林