一种双转子永磁游标电机的制作方法

本发明属于混合动力汽车领域，具体涉及一种双转子永磁游标电机。

背景技术

近年来，汽车刚性需求保持旺盛，汽车保有量也呈快速增长的趋势，但汽车在给人类社会带来重大便利的同时，也带来了严峻的问题，主要体现在能源消耗和环境污染两方面。为适应节能环保的绿色发展道路，电动汽车被视为最有效的解决方案之一，但受制于电池技术，目前难以推广于市场。因此，将内燃机和电动机组合作为动力源的混合动力车得到了广泛关注。其采用先进的驱动电机和驱动控制系统使两种动力源有机协调配合，实现最佳能量分配，达到低能耗、低污染。

中国文献cn106374701a于2017年2月1日公开了一种采用halbach永磁阵列的磁场调制型双转子电机。该电机内到外共层依次为内定子、调制环转子、中间转子和外定子。调制环转子与内燃机输出轴相连，中间转子与双转子电机输出轴相连，完成动力分配过程。该电机存在的不足是：调制环转子是由导磁块和非导磁块交替排布构成，并采用叠片形式，机械强度差，降低了整个装置的可靠性；中间转子内、外两侧永磁体采用表贴式结构，占空间体积大，且在电机运转时因产生的离心力较大容易造成永磁体脱落；整个装置由4个部件3层气隙构成，电机结构复杂，加工难度较大，且体积和质量较大，降低了电机的实用性。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明所要解决的技术问题是提供了一种双转子永磁游标电机，它仅有3个部件2层气隙，并能提高转矩输出能力、转矩密度、机体结构、机械强度。

本发明所要解决的技术问题是通过这样的技术方案实现的，它包括电机壳，在电机壳内部，由外向内依次布设有定子、外转子和内转子，定子为四极十二槽结构，定子槽嵌有定子三相集中电枢绕组，定子齿顶面为圆弧面、布设halbach阵列永磁体，halbach阵列永磁体为七块永磁体、相邻的永磁体的充磁方向互相垂直；外转子靠近定子一侧有二十三个外转子凸极，靠近内转子一侧嵌入四块永磁体；内转子为四极十二槽结构，内转子槽中嵌入内转子三相集中电枢绕组。

“halbach永磁伺服电机结构研究及优化设计”，包西平等，微特电机第42卷第5期，第20-26页，2014年记载了halbach阵列永磁体。定子的halbach阵列永磁体与外转子凸极构成永磁游标外电机；外转子与内转子构成永磁内电机。

与背景技术中的磁场调制型双转子电机相比，本发明的技术效果是：

本发明将halbach阵列永磁体嵌入定子齿上，利用外转子的凸极结构调制出一系列空间谐波与电枢绕组产生的空间谐波作用产生电磁转矩，省去了了调制环转子，将电机部件减少至3个，气隙减少至2层，简化了电机加工装配工艺，降低了装置的质量和体积，同时也解决了叠片形式的调制环转子单独放置时机械强度差的问题，提高了整个装置的可靠性。本发明定子上的halbach阵列永磁体是将径向与切向阵列结合在一起的一种新型磁性结构，相邻永磁体的充磁方向互相垂直，平行和切向磁场相互作用，可使一边的磁场增强而另一边的磁场减弱，提高永磁体利用率。本发明的充磁方式将气隙磁密提高而使定子齿部及轭部的磁密减弱，同时也可形成近于正弦分布的气隙磁场，进而有效降低电机运行时的转矩脉动，提高电机运行的平稳性。另外，本发明所有永磁体（包括halbach阵列永磁体、外转子靠近内转子一侧的永磁体）均为嵌入式结构，与背景技术中采用的表贴式相比，将永磁体置于铁心内部，所占空间体积小，可保护永磁体，也可避免因离心力过大而使永磁体脱落；同时，内嵌式结构可以产生更大的磁阻转矩，有利于提高本发明的转矩输出能力及过载能力。本发明位于最内层的内转子铁芯采用凸极结构，与背景技术中位于最内层的隐极式内定子相比，具有结构及制造工艺简单、机体坚固、容错能力强、起动转矩大、调速范围广及运行转速高等优点，适用于不同的路况需求。

所以本发明的优点是，具有3个部件2层气隙，并能提高转矩输出能力、转矩密度、机体结构、机械强度，非常适用于混合动力车及其他直驱系统等应用领域。

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1为本发明应用于混合动力车的驱动系统结构图；

图2为本发明的剖面图；

图3为定子嵌入的本发明halbach阵列永磁体的示意图。

图中：1.电机壳；2.定子；2-1.定子齿；2-2.halbach阵列永磁体；3.外转子；3-1.外转子凸极；3-2.永磁体；4.内转子；4-1.内转子槽；5.定子三相集中电枢绕组；6.内转子三相集中电枢绕组；7.永磁游标外电机；8.永磁内电机；9.内燃机；10.蓄电池；11.主减速器；12.电刷滑环；13.ac-dc整流器；14.dc-ac逆变器；15.外电机气隙；16.内电机气隙。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1和图2所示，本发明包括电机壳1，在电机壳1内部，由外向内依次布设有定子2、外转子3和内转子4，定子为四极十二槽结构，定子槽嵌有定子三相集中电枢绕组5，定子齿2-1顶面为圆弧面、布设halbach阵列永磁体2-2，halbach阵列永磁体为七块永磁体、相邻的永磁体的充磁方向互相垂直；外转子3靠近定子一侧有二十三个外转子凸极3-1，靠近内转子一侧嵌入四块永磁体3-2；内转子4为四极十二槽结构，内转子槽4-1中嵌入内转子三相集中电枢绕组6。

定子的halbach阵列永磁体2-2与外转子凸极3-1构成永磁游标外电机7；外转子3与内转子4构成永磁内电机8。根据“变磁阻可控磁通永磁游标电机电磁性能分析”，仲叙等，电机控制与应用，2018，45(6)，62-67，记载了永磁游标电机各部分极对数的数量关系。因此，本发明定子三相集中电枢绕组极对数、定子永磁体极对数与外转子凸极数满足条件是：外转子凸极数=定子三相集中电枢绕组极对数+永磁体极对数（如23=2+6*7/2）。

如图1所示，本发明应用于混合动力车的驱动系统中：内燃机9的输出轴驱动内转子4，内燃机9的一部分机械功率利用电磁能量转换经由内电机气隙16直接传递至外转子3，外转子3与混合动力车主减速器11相连，进而直接驱动混合动力车；剩余的输出功率由内转子三相集中电枢绕组6产生电动势，通过电刷滑环12结构流入定子三相集中电枢绕组5中，或流入ac/dc逆变换器13中，转换为直流电后在蓄电池10电池电量不足时为其充电。

定子三相集中电枢绕组5产生的电磁转矩经由外电机气隙15传递至外转子3，与直接传递至外转子3的转矩相叠加为混合动力车提供总输出转矩。若仍不能满足车辆需求转矩，蓄电池10启动，蓄电池10的电能经dc-ac逆变器14输入到三相集中电枢绕组5中并产生电磁力矩传递给外转子3，外转子获得增加的转矩，以提高驱动力。

本发明的工作原理是：

本发明的定子halbach阵列永磁体2-2与外转子凸极3-1构成永磁游标外电机7；外转子3与内转子4构成永磁内电机8。永磁游标外电机7具有转矩调节功能，通过改变定子三相集中电枢绕组的磁场大小以改变传递的转矩的大小，补偿内燃机与车辆需求的转矩差。永磁内电机8具有转速调节作用，在保证内燃机9始终运行于高效率区的前提下，通过改变定子三相集中电枢绕组电流频率调节电枢反应磁场转速以调节外转子3转速，补偿内燃机9与车辆需求的转速差，并传递内燃机9的转矩。

永磁游标外电机7利用外转子凸极3-1对外气隙磁场15进行调制，相邻定子齿2-1之间嵌入halbach阵列永磁体2-2，而永磁体的磁导率与空气相接近，等同定子2与调制齿结合，定子齿距与外转子凸极的齿距不等，外转子3转动很小的位置时引起气隙磁导发生周期性变化，气隙磁导与halbach阵列永磁体2-2产生的磁动势相互作用，调制出一系列空间谐波与三相集中式定子电枢绕组5产生的空间谐波作用产生电磁转矩。外转子运动过程中，电机的定子齿与外转子凸极类似于游标卡尺的上下刻度，即“游标效应”。气隙磁导的变化会改变定子三相集中电枢绕组电感，带来较大的磁通变化。永磁游标外电机7的电磁转矩由两部分构成：（1）halbach阵列永磁体2-2与定子三相集中电枢绕组5电流作用产生的永磁转矩分量；（2）三相集中电枢绕组电感变化产生的磁阻转矩分量；因此，利用外转子凸极3-1的磁通调制作用，对低极对数的定子三相集中电枢绕组磁场进行调制，从而得到能与高极对数halbach阵列永磁体磁场相匹配共同作用的谐波磁场分量，产生磁阻转矩以加大永磁游标外电机7的总输出转矩。定子齿磁场分布如图3所示。

本发明中，具有内转子三相集中电枢绕组6的内转子4可作为永磁内电机8的定子，内转子4采用凸极结构，具有结构及制造工艺简单、机体坚固、容错能力强、起动转矩大、调速范围广及运行转速高等优点。由于内转子4槽内放置电枢绕组且位于整台电机装置的最内部，导致散热困难，影响电机的工作效率。本发明在内转子槽中放置集中绕组，降低了电机在运行过程中的铜损，同时也可增大绕组与空气的接触面积，提高散热效率。