一种磁齿轮容错复合电机的制作方法与工艺

本发明涉及一种容错轮毂电机，特别是一种磁齿轮容错复合电机。

背景技术：
现代驱动系统一直倾向于直接驱动，这样可以省去机械齿轮传动系统，消除机械齿轮的振动噪声，减少机械损耗，获得更高的系统效率，节约能源。但是用于直接驱动的电机为了输出更大的转矩，一般体积较大，且负载运行时，电流较大，增加了控制电路元器件的成本。磁齿轮具有低噪音、高效率、便于维护、高可靠性以及过载保护等优点，可以用来代替机械齿轮，在直驱系统中实现低速高转矩的运行。因此，磁齿轮引起了大家的普遍关注。图1为传统磁齿轮的结构图。它由外转子5，调制齿4，内转子2和永磁体3组成。调制齿个数，磁齿轮内转子上永磁体极对数，外转子上永磁体极对数必须满足一下关系式：P1＝Ns±P2，其中，P2为磁齿轮内转子上永磁体极对数，Ns为调制齿个数，P1为磁齿轮外转子永磁体极对数。但是磁齿轮需要外部给一个电机充当动力源，使得整个系统的体积增大，结构变得复杂。为了提高系统的转矩密度，在2008年9月3日到5日的IEEEVPPC会议上，香港大学的LinniJian、K.T.Chau、J.Z.Jiang提出的论文《Anintegratedmagnetic-gearedpermanent-magnetin-wheelmotordriveforelectricvehicles》中所提到的磁齿轮轮毂电机。图2为传统磁齿轮电机的结构图。它由外转子5，调制齿4，内转子2，永磁体3和内定子1组成。第一次将无刷永磁电机与磁齿轮相结合，减小了整个系统的体积和重量，从而提高了转矩密度。在这个电机系统中，由于磁齿轮内转子与无刷永磁电机的外转子共同构成复合电机的内转子，使得复合电机的内转子内外两侧都贴有永磁体，并且它们的极性相同，所以整个复合电机形成一种串联磁路，但是整个复合电机磁路耦合，磁场相互影响。而且电机的反电势比较差，齿槽转矩也比较大，从而使得电机在运转时振动会比较大，不适合运用于低速大扭矩直接驱动的电动汽车中。电机短路故障的主要原因是绕组发生短路，影响电机的正常运行。因此，容错电机具有很高的可靠性，越来越引起大家的关注，国内外学者提出了很多的有效方法来提高电机的容错能力。最后，集中式绕组和容错齿被运用于电机设计中来减小电机相与相之间的相互影响，从而提高了电机的容错性能。为了进一步提高电机的容错能力，永磁体极对数与槽数的选择是一个必须考虑的重要因素。但是，比较好的容错配比往往永磁体极对数比较的多，那么在选用磁齿轮来增加其输出时会遇到很多的问题：传动比过小、内转子的两侧的转矩平衡无法得到满足等等。

技术实现要素：
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种容错电机与磁齿轮相结合，提高了磁齿轮复合电机的容错性能，并且考虑到反电势、齿槽转矩、磁齿轮传动比等诸多因素，采用内转子上内外两侧永磁体不等的方法，使得内转子上的磁路不再是单独的串联，而是串并联同行，有效的减小了磁齿轮磁场对容错电机的影响，优化了反电势，增大了传动比，提高了转矩密度的磁齿轮容错复合电机。为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种容错磁齿轮复合电机，包括五相容错表贴电机和磁齿轮，所述的磁齿轮包括内转子、永磁体、调制齿和外转子，所述的五相容错表贴电机包括内定子，所述的内定子、内转子、调制齿和外转子依次由内向外围绕五相容错表贴电机芯轴同轴布置，所述的内转子内侧、内转子和调制齿之间以及调制齿和外转子之间设有永磁体，所述的永磁体之间留有间隙，所述的内定子中设有10个电枢齿和10个容错齿，所述的每个电枢齿上饶有一套集中绕组线圈，所述的调制齿个数、内转子和调制齿之间永磁体极对数、调制齿和外转子之间永磁体极对数满足关系式：P1=NS±P2，其中P2为内转子和调制齿之间永磁体极对数，Ns为调制齿个数，P1为调制齿和外转子之间永磁体极对数。所述的五相容错表贴电机的极数为22、槽数为20。所述的内转子内侧与内转子和调制齿之间的永磁体极对数不等。所述的内转子上的磁路是串并联同行。采用上述技术方案后，本发明具有以下有益效果：1.本发明将容错电机与磁齿轮相结合，形成一种磁齿轮复合电机，与传统的容错电机相比，加入了磁齿轮很好的提高了电机的输出转矩和转矩密度，并且通过磁齿轮实现了低速高转矩的运行。2.本发明将容错电机与磁齿轮相结合，与传统的磁齿轮复合电机相比，本发明引入了容错电机来减小相与相之间相互影响，从而提高了复合电机的容错性能。3.本发明综合考虑到电机的容错性能与磁齿轮传动比大小等因素，采用内转子上内外两侧永磁体极对数不等的方法，使得容错电机采用了比较好的极槽配比，并且磁齿轮的传动比比较的高，转矩密度比较大。4.本发明内转子上内外两侧永磁体极对数不等，因此，复合电机内转子上的磁路既是串联也是并联的，一部分并联磁路可以减小磁齿轮磁场对容错电机磁场的影响，减小了容错电机的反电势的畸变率，从而减小了复合电机运行时的振动。5.本发明定子上的电枢绕组采用集中绕组，嵌线方便，端部较短，能够减小电机的电阻和铜耗。附图说明图1为传统磁齿轮结构示意图。图2为传统磁齿轮复合电机结构示意图。图3为本发明一种容错磁齿轮复合电机结构示意图。图4为本发明实施例复合电机绕组接线示意图。图5为本发明实施例复合电机空载磁场分布图。图6为本发明实施例复合电机反电势波形图和反电势谐波畸变率波形图。图7为本发明实施例复合电机A相电感波形图。图8为本发明实施例复合电机输出转矩波形图。图中：1、内定子2、内转子3、永磁体4、调制齿5、外转子6、电枢齿7、容错齿8、绕组线圈。具体实施方式下面根据说明书附图和具体实施例对本发明作进一步的解释。如图3所示，一种容错磁齿轮复合电机，包括五相容错表贴电机和磁齿轮，所述的磁齿轮包括内转子2、永磁体3、调制齿4和外转子5，所述的五相容错表贴电机包括内定子1，所述的内定子1、内转子2、调制齿4和外转子5依次由内向外围绕五相容错表贴电机芯轴同轴布置，所述的内定子1、内转子2、调制齿4和外转子5转子之间都有一层气隙，所以整个复合电机有3层气隙，所述的内转子2内侧、内转子2和调制齿4之间以及调制齿4和外转子5之间设有永磁体3，所述的内转子2内侧的永磁体3有22个小块永磁体3沿圆周方向表贴，共11对极，极弧系数为0.85，所述的内转子2和调制齿4之间的永磁体3有6个小块永磁体3沿圆周方向表贴，共3对极，极弧系数同样为0.85，所述的调制齿4和外转子5之间的永磁体3有56个小块永磁体3沿圆周方向表贴，共28对极，各块永磁体3之间收尾相连，极弧系数为1，所述的永磁体3之间留有间隙，所述的内定子1中设有10个电枢齿6和10个容错齿7，所述的每个电枢齿6上饶有一套集中绕组线圈8。如图4所示，所述的10个电枢齿6分为A、B、C、D、E五组，A1与A2、B1与B2、C1与C2、D1与D2、E1与E2两两对应通过集中绕组线圈8相互连接。所述的调制齿4个数、内转子2和调制齿4之间永磁体3极对数、调制齿4和外转子5之间永磁体3极对数满足关系式：P1=NS±P2，其中P2为内转子2和调制齿4之间永磁体3极对数，Ns为调制齿4个数，P1为调制齿4和外转子5之间永磁体3极对数。则传动比Gr＝|mP2+kNs|/mP2，其中m=1,3,5,...,∞,k=0,±1,±2,±3,...,±∞，当m=1，k=-1时，磁齿轮的传动效果最佳，则Gr=28/3=9.33,其中P2=3,P1=28。所述的五相容错表贴电机的极数为22、槽数为20。所述的内转子2内侧与内转子2和调制齿4之间的永磁体3极对数不等。如图5所示，磁力线能够通过三层气隙，这些磁力线可以看成是电机转矩的传递和功率的转换。所述的内转子2上的磁路是串并联同行。内转子2上的磁力线既是串联也是并联的，这是因为内转子2两侧永磁体3极对数不等，使得两侧同极性的永磁体3无法一一对应，出现两侧永磁体3极性相斥的情况。则两侧同极性的永磁体3之间形成串联磁路，而两侧相反极性的永磁体3之间形成并联磁路。从图中还可以看出定子齿上经过每相磁力线都是在电枢齿6和容错齿7之间形成回路，几乎没有磁力线匝链到其他相邻相，相间的耦合很小，各相相互独立。如图6所示，为了更好的判别反电势的好坏，引入反电势谐波畸变率这一个评判标准，由图可以看出，电机的反电势谐波畸变率比较的小，可以说反电势还是比较好的。主要有以下两个原因：1主要是容错电机的优化工作比较的好，因此反电势谐波畸变小；2主要是采用内转子2两侧永磁体3极对数不等的方法，使得内转子2上形成了并联磁路和串联磁路。并联磁路可以减小磁齿轮磁场对容错电机磁场的影响，从而减小整个复合电机反电势的谐波畸变率。如图7所示，可以看出A相的互感近似为0，因此本发明具有较高的容错性能。如图8所示，可以看出最后的输出转矩比较的大，从而转矩密度比较大，并且电机的转矩脉动比较的小。主要是因为内转子2内外两侧永磁体3极对数不等使得复合电机的传动比比较大，并且采用复合电机的形式，减小了整个电机的体积和重量，所以转矩密度比较大。转矩脉动比较小主要时是因为齿槽转矩和反电势谐波畸变率都比较小。综上所述，整个电机由容错电机与磁齿轮复合而成，容错表贴式电机采用电枢齿6与容错齿7不等的方法来提高电机的槽面积，从而提高电机的性能。综合考虑复合电机容错的性能、磁齿轮传动比和转矩输出的情况，采用了内转子2内外两侧的永磁体3的极对数不等的方法来满足上述的要求。本发明具有较高的转矩密度，较大的传动比，较小的齿槽转矩，较高的容错性能，较好的对称的反电势，较高的效率，适用于直驱式电动汽车领域。