一种辅助调制永磁游标电机

1.本发明涉及电机制备技术领域，尤其涉及一种辅助调制永磁游标电机。


背景技术：

2.永磁游标电机由于结构简单、转矩密度大的优点，在电动汽车直驱领域得到了广泛关注。现有的电动汽车驱动电机较多采用异步电机或传统永磁同步电机，应用的电机具有成熟度高、结构简单、加工制造方便且成本低等优点，但缺点是转矩密度都较低，一般需要搭配变速箱、连杆等结构使用，会造成动力系统复杂度增加，机械磨损增大，振动噪声增强，维护保养成本提高。相比于异步电机和传统永磁同步电机，基于磁场调制效应的永磁游标电机具有结构简单、转矩密度高、震动噪声低、维护保养成本低等优势，很好的解决了电动汽车传统动力驱动方案存在的问题，为直驱型永磁游标电机在电动汽车的应用提供了重要参考。
3.另外，采用稀土永磁体的永磁电机虽然具有较高的转矩密度，但稀土材料为重大战略资源，其价格长期处于高位，永磁体成本在电机制造成本中占据主要部分。因此，如何在保证电机性能的前提下，提升永磁体利用效率或减少永磁体用量，针对性设计出低成本永磁电机，实现永磁电机的工业应用已经迫在眉睫。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种辅助调制永磁游标电机，能够有效提升永磁游标电机磁场调制效应、聚磁效应和永磁磁场谐波幅值，有助于提高调制效率、提升电机转矩密度和永磁体利用率、降低电机成本等。
5.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
6.一种辅助调制永磁游标电机，包括定子和转子，所述定子和转子之间通过气隙隔开：
7.所述定子由若干个分裂齿和直齿通过轭部连接组成，若干个分裂齿和直齿均匀间隔排布；所述分裂齿采用极靴结构，在极靴结构的顶部分布有多个分裂极，所述分裂极与直齿共同对电机磁场进行调制；所述分裂齿和直齿之间形成有电枢槽，所述电枢槽内排布有电枢绕组，所述电枢绕组采用集中绕组结构并以分裂齿为电枢齿进行绕制；
8.所述转子内均匀排布有若干个辐射状永磁体，若干个辐射状永磁体之间采用块状铁芯隔开；所述块状铁芯的外侧排布有若干个凸极，若干个凸极间隔排布并与转子轭部铁芯连接，相邻两个凸极之间形成有空腔，所述空腔可以作为散热腔，也可以在其内部排布永磁体。
9.优选地，所述分裂齿为粗齿结构，所述直齿为细齿结构。
10.优选地，每个所述分裂齿顶部的分裂极数量相同且均为形状大小相同的矩形。
11.优选地，所述空腔通过铁芯结构分别与块状铁芯和转子轭部铁芯连接。
12.优选地，所述定子和转子的铁芯均由高导磁率的硅钢片材料叠压而成，所述辐射
状永磁体采用钕铁硼或铁氧体永磁体材料制成。
13.优选地，所述电枢绕组的极对数为pw，所述辐射状永磁体的极对数为p
pm
，所述分裂极和直齿的总数为ns，满足以下关系式：ns＝pw+p
pm
。
14.优选地，所述空腔内排布有径向励磁永磁体，且径向励磁永磁体向内励磁；所述空腔内左右两侧的两块辐射状永磁体为对向励磁，所述径向励磁永磁体和两块辐射状永磁体呈π形阵列排布，所述径向励磁永磁体和两块辐射状永磁体形成聚磁模块。
15.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
16.1、本发明采用磁场调制原理，通过定子调磁齿引起的磁导变化产生低速有效磁场谐波，能显著提升电机转矩密度。
17.2、本发明在传统辐射状永磁体外侧加入凸极齿和轭部结构，能为磁场提供有效路径，发挥辅助调制作用，进而提升电机谐波幅值和产生新工作谐波。
18.3、本发明对于两个转子方案，其内部均会形成空腔结构，而该结构能降低电机重量并有利于电机散热，进而提升电机过载性能。
19.4、本发明对于方案二，转子内形成π形永磁体阵列，该阵列相较于传统辐射状永磁体阵列，具有更强的聚磁效应，能显著提升电机磁场幅值，提高电机性能。
20.5、本发明定子采用混合齿结构，而其中的直齿结构尺寸大小对电机磁场和性能影响较小，因此，在设计时能适当减少其宽度，为电枢槽留出较大空间。
21.6、本发明电枢绕组绕制于分裂齿上，采用集中绕组形式，相邻绕组间通过直齿结构隔开，使得该直齿结构与容错齿作用相似，提升了电机的容错性能。
附图说明
22.图1为本发明的结构示意图；
23.图2为本发明与现有电机结构的永磁磁场分布图；(a)为本发明方案一的永磁磁场分布图；(b)本发明方案二的永磁磁场分布图；(c)现有电机的永磁磁场分布图；
24.图3为本发明与现有电机结构的磁场谐波对比图；
25.图4为本发明与现有电机结构的电机反电势对比图；
26.图5为本发明与现有电机结构的电机转矩波形对比图。
27.图中：1定子、2转子、3气隙、11电枢槽、12分裂齿、13直齿、21辐射状永磁体、22空腔、23块状铁芯、24凸极、25转子轭部铁芯、26径向励磁永磁体、111电枢绕组、121分裂极。
具体实施方式
28.下面结合附图将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以使本领域的技术人员能够更好的理解本发明的优点和特征，从而对本发明的保护范围做出更为清楚的界定。本发明所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
29.实施例一：
30.参照图1-5：一种辅助调制永磁游标电机，包括定子1和转子2，所述定子1和转子2之间通过气隙3隔开。
31.其中，所述定子1由若干个分裂齿12和直齿13通过轭部连接组成，若干个分裂齿12和直齿13均匀间隔排布；所述分裂齿12采用极靴结构，在极靴结构的顶部分布有多个分裂极121，所述分裂极121与直齿13共同对电机磁场进行调制；所述分裂齿12和直齿13之间形成有电枢槽11，所述电枢槽11内排布有电枢绕组111，所述电枢绕组111采用集中绕组结构并以分裂齿12为电枢齿进行绕制。
32.其中，所述转子2内均匀排布有若干个辐射状永磁体21，若干个辐射状永磁体21之间采用块状铁芯23隔开；所述块状铁芯23的外侧排布有若干个凸极24，若干个凸极24间隔排布并与转子轭部铁芯25连接，相邻两个凸极24之间形成有空腔22，所述空腔22为散热腔。
33.在实际应用时，空腔22结构采用两种设计方案，方案一：空腔22内不放置任何材料，仅作为散热腔；方案二即下述的实施例二：在空腔22内排布径向励磁永磁体26，形成π形永磁体阵列。
34.具体的，所述分裂齿12为粗齿结构，所述直齿13为细齿结构。
35.具体的，每个所述分裂齿12顶部的分裂极121数量相同且形状为矩形。
36.具体的，所述空腔22通过铁芯结构分别与块状铁芯23和转子轭部铁芯25连接。
37.实际应用时，通过在空腔22中插入较细的铁芯结构用以连接块状铁芯23和转子轭部铁芯25。
38.具体的，所述定子1和转子2的铁芯均由高导磁率的硅钢片材料叠压而成，所述辐射状永磁体21采用钕铁硼或铁氧体永磁体材料制成。
39.具体的，所述电枢绕组111的极对数为pw，所述辐射状永磁体21的极对数为p
pm
，所述分裂极121和直齿13的总数为ns，满足以下关系式：ns＝pw+p
pm
。
40.实施例二：
41.所述空腔22内排布有径向励磁永磁体26，且径向励磁永磁体26向内励磁；所述空腔22内左右两侧的两块辐射状永磁体21为对向励磁，所述径向励磁永磁体26和两块辐射状永磁体21呈π形阵列排布，所述径向励磁永磁体26和两块辐射状永磁体21形成聚磁模块。
42.本实施例中，其他结构均与实施例一相同。
43.图1为本发明电机的结构图，可以看到，定子1采用混合齿结构，分裂齿12和直齿13呈间隔排布，电枢绕组111采用集中绕组形式绕制与分裂齿12上，转子2内均匀排布辐射状永磁体21，辐射状永磁体21间用块状铁芯23隔开，在反向励磁辐射状永磁体21间的块状铁芯23外侧排布凸极24，凸极24呈现间隔排布形式并通过最外侧的转子轭部铁芯25进行连接，并在转子2内形成空腔22。这里存在两种方案，方案一为空腔22内不放置任何材料；方案二为空腔22内放置径向励磁永磁体26，具体励磁方式见图1。需要说明的是，方案一相较于传统结构，永磁体用量减少了48％；而方案二相较于传统结构，永磁体用量减少了25.9％。
44.图2为本发明与现有电机结构的永磁磁场分布图，对于图2(a)和图2(b)，可以看出本发明方案一和方案二的永磁磁场会从转子轭部铁芯25形成回路，因此，通过辅助调制结构能有效改变电机磁场走向。另外，从定子1的磁力线密集程度可以看出，辅助调制结构具有更密集的磁力线，同时，本发明的两个方案电机中均存在较多的长回路磁力线，而在传统结构中不明显。
45.图3对比了本发明公开的辅助调制永磁游标电机及传统电机的永磁磁场谐波频谱，可以看出本发明的电机能调制产生较高的低对极磁场，其中方案二产生的调制磁场和
基波磁场最高，方案一的基波磁场最低，而调制产生的低对极谐波略高于传统结构，对于传统电机，其基波磁场谐波在本发明两个方案之间，而调制磁场幅值最低。
46.图4为本发明的反电势与传统电机反电势的对比图，可以看出，方案二反电势最高，其次为传统电机，最后为方案一电机，但方案一与传统电机反电势幅值相差不大。另外，本发明及传统电机结构均具有较高的反电势正弦度。本发明的单位永磁体产生的反电势较传统结构得到了显著提升。
47.图5为本发明和传统电机的转矩性能对比，可以看出，方案二电机的平均转矩最高，其次是方案一，最后是传统电机。另外，三个电机的转矩脉动相差不大。因此，本发明在永磁体用量大幅减少的情况下仍能提供更高的平均转矩，也使得电机的永磁体利用率得到了大幅提升。
48.本发明中披露的说明和实践，对于本技术领域的普通技术人员来说，都是易于思考和理解的，且在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的修改或改进，也应视为本发明的保护范围。