專利名稱：一種永磁磁阻型輪轂電機的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種永磁磁阻型電機，特別是一種可適用于電動自行車或電動摩托車的永磁磁阻型外轉子輪轂電機。
背景技術：
永磁電機采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(jié)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，并且每年以3000萬輛左右的規(guī)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，采用表貼式隱極結構，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于電磁轉矩，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(qū)域磁力線直接連通，沒有耦合至轉子，并且無刷電機實現(xiàn)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(chǎn)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，并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(xiàn)電機驅動。另有，申請?zhí)枮?01110061396.7的中國發(fā)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(shù)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于無刷電機，無刷電機工作需要一定的磁通，氣隙磁通密度要滿足產(chǎn)生轉矩的要求，永磁磁鋼作為激勵源，只采用一種極性的磁鋼，該磁鋼必然要加厚加寬，實際節(jié)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(chǎn)生磁阻轉矩的能力，但該專利中并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(xiàn)，如FOC控制策略)的問題；此外，該專利存在的另一個問題是，導磁凸極采用矩形結構，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(chǎn)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，電動車電機仍是采用無刷直流電機及相關的控制方式，這種方式根據(jù)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(xiàn)了正弦波驅動控制，電機磁場由無刷直流的步進方式改變?yōu)檫B續(xù)平穩(wěn)運轉方式，轉動平穩(wěn)、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(fā)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(xiàn)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(tǒng)成本并增加可靠性，但是，由于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(jīng)優(yōu)化的凸極式無刷直流電機難以應用。
實用新型內容本實用新型所要解決的技術問題是針對上述現(xiàn)有技術現(xiàn)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(wěn)的永磁磁阻型輪轂電機。本實用新型解決上述技術問題所采用的技術方案為: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，其特征在于:所述外轉子的內圓周面成型有間隔設置的凹槽，所述磁鋼嵌設于所述凹槽內，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；并且，所述外轉子的槽數(shù)和磁極數(shù)采用近槽配合方式。所謂近槽配合，是指電機外轉子的磁極數(shù)與槽數(shù)相近的一種分數(shù)槽電機的極槽配合形式，采用近槽配合，并配合單極性的磁鋼加弧形導磁凸極的結構，有助于電機產(chǎn)生可利用的磁阻轉矩，從而達到減少磁鋼用量的目的。由于目前的無刷電機多為采用三相逆變供電的三相電機，故槽數(shù)應以3的整數(shù)倍為佳，如為9槽/8極、15槽/16極等等，作為優(yōu)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(shù)倍、以9槽/10極為基本單元的正整數(shù)倍。為使得各諧波磁場最小化，作為優(yōu)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，0.4〈a〈0.6。對于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，但是采用本申請?zhí)岢龅膯螛O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(chǎn)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(yōu)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范圍內，以0.4到0.6區(qū)間范圍內為最佳。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(yōu)化確定，作為優(yōu)選，所述導磁凸極的弧形可以優(yōu)選地為由同一曲率半徑形成的圓弧凸面。作為另一優(yōu)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(xiàn)有技術相比，本實用新型的優(yōu)點在于:1、對傳統(tǒng)電動自行車的輪轂電機進行改進，采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，在不增加工藝復雜度的前提下，能有效減少磁鋼用量，提高磁阻轉矩的輸出；2、導磁凸極采用弧形凸面，有效減小電機轉矩脈動，保證電機運轉的平穩(wěn)性，提高產(chǎn)品可靠性；3、采用弧形凸面的導磁凸極結構，能夠優(yōu)化電感波形，使電感波形隨位置變化的極值點與磁極數(shù)一致，在最大與最小值間呈單調變化，以便于觀測轉子磁極位置，有利于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，有利于磁鋼的嵌放定位，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(jié)省材料并提高系統(tǒng)可靠性。本實用新型的電機既可用于電動自行車外轉子電機，也可用于電動摩托車電機。
圖1為本實用新型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為本實用新型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(xiàn)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為本實用新型實施例的電機與圖3所示現(xiàn)有技術電機的轉矩波形對比圖。圖5為本實用新型實施例的電機與圖3所示現(xiàn)有技術電機的相電感波形對比圖。圖6為現(xiàn)有技術中的雙極性磁鋼電機的電樞反應磁場數(shù)值分析圖(去掉磁鋼)。圖7為本實用新型實施例電機的電樞反應磁場數(shù)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實用新型作進一步詳細描述。
如圖1、圖2所不,本實施例為一種用于電動自行車的永磁磁阻型輪轂電機,該電機采用外轉子結構，包括內定子1、外轉子2、軸和輪轂外殼，內定子I固定于軸上，外轉子2固定于輪轂外殼上，軸和輪轂外殼米用的結構與常規(guī)電動自行車電機相同，定子鐵芯與常規(guī)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，即線圈上下邊放置于相鄰定子槽內。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，并減小轉矩脈動，外轉子2的槽數(shù)和磁極數(shù)采用近槽配合。所謂近槽配合，是指電機的磁極數(shù)與槽數(shù)相近的一種分數(shù)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(shù)倍數(shù)(1、2、3、4、5、6……)。對于低轉速電機來說，槽數(shù)多，槽極配合可以為36槽/32極(分別為9槽/8極的四倍關系)，這種槽極配合常被用于電動自行車的輪轂電機設計中；而高速電機的情況則相反，可以采用如18/16極(為9槽/8極的二倍關系)、9槽/8極(為9槽/8極的一倍關系)等。對于近槽配合的其他方式，如槽數(shù)極數(shù)的偶數(shù)配合12槽/10極、槽數(shù)磁極數(shù)較大的配合15槽/16極或15槽/14極，由于齒槽與導磁凸極的錯位小或作用相抵,不利于磁阻轉矩產(chǎn)生，不宜采用。本實施例的極槽配合采用三相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沖片不變，將轉子換成本實用新型所提出的結構，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高到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(jù)優(yōu)化的出發(fā)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于轉矩脈動減小和電機相電感曲線隨轉子位置呈現(xiàn)規(guī)則變化這兩個出發(fā)點，通過多次磁場有限元數(shù)值分析優(yōu)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的極弧長度占據(jù)該等份的總長度百分比為a，則導磁凸極22極弧長度占據(jù)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)，于是，磁鋼4的長度L1= (2 Jir1 X a)/16，磁鋼 4 的厚度為(r2-ri)，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；對于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，但是采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(chǎn)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(shù)值分析優(yōu)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(jīng)電磁仿真優(yōu)化，優(yōu)選地，應以0.4〈a〈0.6為宜，此時，能夠使得電機性能達到最佳狀態(tài)。另外，本實施例導磁凸極22的截面弧形曲線也可采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件分析后確定。圖3是現(xiàn)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；本實施例采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(wěn)。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(wěn)；同時，本實施例采用的磁鋼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中心氣隙小于磁鋼4邊緣的氣隙，也有利于氣隙磁場諧波含量，于是，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t匕，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(qū)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: Te= ~ P [i//; Iq + (Ld — Lq )idiq ][0032]該電機轉矩由兩部分組成，一部分是永磁勵磁的電磁轉矩，另一部分是磁阻轉矩，普通永磁電機的磁阻轉矩的產(chǎn)生依賴于提高交軸磁路磁導，最有效的手段是采用磁鋼內埋式，但是這樣使電機結構復雜，工藝成本增加，不適合電動自行車電機采用。本實施例貼裝的永磁磁鋼的極性一樣，如同為N極(或同為S極)，則導磁凸極表現(xiàn)為S極(或N極)，由此可產(chǎn)生常規(guī)的永磁勵磁電磁轉矩。以近槽配合9槽/8極單元為例，定子的9個齒(相當于定子的9個凸極，稱齒凸極)，每個齒繞一個集中繞組(8/9短距)，即每個槽跨過的極距為九分之八，近槽配合使得繞組跨距與磁極極距接近，各相繞組沒有交疊，對電樞反應磁場來說，由于由于每個9槽/8極單兀中的4個導磁凸極的存在,使得電樞反應磁場磁力線存在跨極距的閉合通路。于是，對照普通雙極性磁鋼的外轉子輪轂電機，其整個外轉子內側均為低磁導的磁鋼，電樞反應磁場弱，而本實施例的磁鋼4與導磁凸極交替排列，電機的直軸磁路因磁鋼的存在而磁阻較大，與普通貼裝雙極性磁鋼的電機差異不大，但交軸磁路磁導由于導磁凸極的存在而與普通雙極性磁鋼的電機差異較大。圖6和圖7分別為電機的電樞反應磁場的數(shù)值分析圖，其中，圖6為普通雙極性磁鋼的輪轂電機去掉磁鋼后的電樞反應磁場的數(shù)值分析結果，該分析過程中將導磁凸極設置為與磁鋼一樣的導磁率(即非導磁材料)，根據(jù)分析結果可以看到，磁場很弱；圖7為將本實施例電機的磁鋼4去掉后的電樞反應磁場數(shù)值分析結果，可以看到磁場大大增強，采用本實施例的弧形導磁凸極后，電機可以形成可利用的磁阻轉矩，通過合適的控制策略(如已有的FOC控制策略)，可以實現(xiàn)磁阻轉矩與電磁轉矩的有效組合，即在輸出同樣大小的轉矩的條件下，可以減少電磁轉矩，從而減小永磁磁鋼的用量。另一方面，要利用磁阻轉矩，根據(jù)電機理論，三相合成電流矢量必須與轉子磁極軸線保持一定的角度，其轉矩公式可表示成:
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，其特征在于:所述外轉子的內圓周面成型有間隔設置的凹槽，所述磁鋼嵌設于所述凹槽內，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；并且，所述外轉子的槽數(shù)和磁極數(shù)采用近槽配合方式。
2.根據(jù)權利要求1所述的永磁磁阻型輪轂電機，其特征在于: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(shù)倍、以9槽/10極為基本單元的正整數(shù)倍。
3.根據(jù)權利要求1所述的永磁磁阻型輪轂電機，其特征在于: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，0.4〈a〈0.6。
4.根據(jù)權利要求1或2或3所述的永磁磁阻型輪轂電機，其特征在于: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(jù)權利要求1或2或3所述的永磁磁阻型輪轂電機，其特征在于: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。
專利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，其特征在于外轉子的內圓周面成型有間隔設置的凹槽，磁鋼嵌設于凹槽內，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(shù)和磁極數(shù)采用近槽配合方式。本實用新型的優(yōu)點在于在不增加工藝復雜度的前提下，能有效減少磁鋼用量，提高磁阻轉矩的輸出；導磁凸極采用弧形凸面，有效減小電機轉矩脈動，保證電機運轉的平穩(wěn)性，提高產(chǎn)品可靠性。
文檔編號H02P6/18GK203056717SQ20122061798
公開日2013年7月10日 申請日期2012年11月19日 優(yōu)先權日2012年11月19日
發(fā)明者黃文新, 吳正林 申請人:吳正林