CN106059131A - 一种混合磁路驱动电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及汽车电机电器技术领域，尤其涉及一种混合磁路驱动电机。本发明提供了一种混合磁路驱动电机，其包括：主轴、定子、转子及引出线，定子包括定子铁心及嵌设于定子铁心内的定子绕组；转子设于定子的外围且通过轴承与主轴可转动连接，包括转子铁心、复合式径向永磁体及轴向磁极对；复合式径向永磁体及轴向磁极对对应于定子铁心设于转子铁心上，且与定子铁心均设有间隙。本发明通过设置高性能的复合式径向永磁体，功率因数高、高效运行范围大，且实现气隙永磁磁通可调，低速时转矩输出能力强，高速时弱磁扩速性能好；且通过设置径向‑轴向混合磁路及与混合磁路对应设置的定子绕组，实现对绕组端部的充分利用，转矩密度和功率密度高。
Description
技术领域
本发明涉及汽车电机电器技术领域，尤其涉及一种混合磁路驱动电机，具体涉及一种能提升电机效率、功率密度及低速大转矩输出能力，且能改善高速弱磁性能的混合磁路驱动电机。
背景技术
轮毂直驱是极具发展潜力的一种电动汽车驱动方式，也是未来电动汽车的重要发展方向，具有其它车用驱动方式无可比拟的优势，而性能优异的驱动电机则是保证轮毂直驱式电动汽车拥有良好动力性能的关键所在。结合电动车运行工况的特点，轮毂直驱式电机必须满足如下性能要求：低速时提供较大的转矩，以满足汽车启动或爬坡时的需要；具有较宽的转矩和转速调节范围，以满足汽车不同工况下的动力性能。此外，为提高车辆续驶里程，电机应具有较高的效率；为缩减电机尺寸以适应车轮内部有限的空间，进一步减小车辆非簧载质量，电机应具有较高的功率和转矩密度等等。
目前国内外电动轮毂直驱电机以永磁无刷电机为首选，并采用高性能永磁材料，以提高功率密度和效率。作为轮毂直驱电机首选的永磁无刷电机，虽具有高效率、高功率因数的优势，但由于永磁磁场的不可控，电机调速范围较窄，需采取控制策略来拓展其转速范围。而为提高最大转速，永磁电机常采用弱磁控制，但实施中往往难以达到预期效果，并伴随一系列新的问题：(1)弱磁调速时直轴电流Id不断增大，为保持较高的电磁转矩，逆变器必须要有足够的容量；(2)由于Id的影响，定子铜耗较大，效率降低；(3)弱磁时若出现逆变失败，系统失去弱磁控制能力，高速旋转的永磁磁场会在电机绕组中感应出过高电压，可能损坏变频器功率器件。在对现有电机系统方案优化的同时，国内外研究者们也致力于新拓扑结构电机研究，以期更好适应电动汽车轮毂直驱的要求。如横向磁通电机、双凸极电机、磁场调制永磁电机、同步磁阻电机、复合式电机等。研究者们在探寻新拓扑结构和优化策略时的关注点，大多集中侧重于提高轮毂直驱电机的效率、功率密度，或改善低转速区间动态特性，而对兼顾其低速大转矩与宽调速范围的综合性能方面，未给予足够的重视和全面的考虑。
发明专利CN201410140691.5公布了一种电动汽车永磁与电磁混合励磁轮毂驱动装置，将电励磁绕组线圈缠绕在转子铁芯上，轮毂驱动装置气隙内的磁场由永磁钢和电励磁线圈共同提供，磁场强度大，功率密度高；发明专利CN201510323643.4公布了一种轴径向混合磁通永磁电机，转子设置在定子的外部，转子的内圆壁面上均布有多个径向永磁体，并围绕着轴均匀排列，转子的两侧端面上的内表面上分别呈放射线状均布有多个轴向永磁体，该发明主要目的在于提升现有的永磁电机的空间利用率，进一步提升电机的转矩密度和功率密度。以上专利技术均是用以提高电机的功率密度，而在兼顾低速大转矩输出与宽转矩、转速调节范围的问题上未能提供有效的解决办法。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是：提供一种能提升电机效率、功率密度及低速大转矩输出能力，且能改善高速弱磁性能的混合磁路驱动电机，以解决现有的电机只能提高电机的功率密度，而无法兼顾低速大转矩输出与宽转矩及转速调节范围的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种混合磁路驱动电机，其包括：
主轴；
定子，所述定子包括定子铁心及定子绕组，所述定子铁心为环形柱体，所述定子绕组嵌设于所述定子铁心内，所述定子铁心固定于所述主轴上；
转子，设于所述定子的外围，包括转子铁心、复合式径向永磁体及轴向磁极对，所述转子铁心为环形柱体且通过轴承与所述主轴可转动连接，所述复合式径向永磁体对应于所述定子铁心的外圆上端面设于所述转子铁心的内圆上端面上，所述轴向磁极对对应于所述定子铁心的外圆侧面设于所述转子铁心的内圆侧面上；所述复合式径向永磁体及轴向磁极对与所述定子铁心均设有间隙；
引出线，所述引出线与所述定子绕组连接。
其中，所述复合式径向永磁体包括多个沿圆周布置的永磁体单元，每个永磁体单元均包括两个相邻且沿周向布置的第一永磁体及两个第二永磁体，所述两个第二永磁体径向布置且分别设于所述两个第一永磁体的两端。
其中，所述轴向磁极对包括至少一组磁极对子单元，每组所述磁极对子单元均包括第一磁极及第二磁极，且所述第一磁极和第二磁极为不对称磁系结构。
其中，所述定子铁心上设有沿其圆周方向间隔布置的倒U型凹槽，所述倒U型凹槽用于安装所述定子绕组，且所述凹槽的尺寸与所述定子绕组的尺寸相匹配。
其中，该混合磁路驱动电机还包括穿设于所述定子铁心的冷却装置。
其中，所述定子铁心上设有多个周向布置的轴向通孔，所述冷却装置包括多根水冷铜管，所述水冷铜管穿设在所述轴向通孔内。
其中，所述冷却装置的两端分别设有第一水套、第二水套，多根所述水冷铜管的两端分别与所述第一水套及第二水套连通。
其中，所述第一水套内设有相互独立的内层通道及外层通道，一部分所述水冷铜管与所述内层通道连通，另一部分所述水冷铜管与所述外层通道连通；所述第一水套上设有与所述内层通道连通的出水口及与所述外层通道连通的进水口。
其中，所述主轴开设有导线盲孔，所述引出线沿着所述导线盲孔伸入至所述定子铁心与冷却装置之间并与所述定子绕组连接。
其中，所述定子铁心通过定子支架固定于所述主轴上。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供了一种混合磁路驱动电机，其包括：主轴；定子，定子包括定子铁心及定子绕组，定子铁心为环形柱体，定子绕组嵌设于定子铁心内，定子铁心固定于主轴上；转子，设于定子的外围，包括转子铁心、复合式径向永磁体及轴向磁极对，转子铁心为环形柱体且通过轴承与主轴可转动连接，复合式径向永磁体对应于定子铁心的外圆上端面设于转子铁心的内圆上端面上，轴向磁极对对应于定子铁心的外圆侧面设于转子铁心的内圆侧面上；复合式径向永磁体及轴向磁极对与定子铁心均设有间隙；引出线，引出线与定子绕组连接。本发明通过设置高性能的复合式径向永磁体，功率因数高、高效运行范围大，且实现气隙永磁磁通可调，低速时转矩输出能力强，高速时弱磁扩速性能好；且通过设置径向-轴向混合磁路及与混合磁路对应设置的定子绕组，实现对绕组端部的充分利用，转矩密度和功率密度高；同时，本申请提供的混合磁路驱动电机可用于各类电动车辆，并有望推广于工程机械、舰船等运载工具的电气化推进，具有广阔应用前景。
附图说明
图1是本发明一种混合磁路驱动电机实施例的驱动电机的剖面结构示意图；
图2是本发明一种混合磁路驱动电机实施例的复合式径向永磁体的具体结构示意图；
图3是本发明一种混合磁路驱动电机实施例的轴向磁极对的具体结构示意图；
图4是本发明一种混合磁路驱动电机实施例的定子铁心的具体结构示意图；
图5是本发明一种混合磁路驱动电机实施例的定子绕组的具体结构示意图；
图6是本发明一种混合磁路驱动电机实施例的定子铁心与定子绕组的连接方式示意图；
图7是本发明一种混合磁路驱动电机实施例的轴向通孔在定子铁心上的布置方式示意图；
图8是本发明一种混合磁路驱动电机实施例的冷却装置的具体结构示意图；
图9是本发明一种混合磁路驱动电机实施例的冷却装置与定子铁心的连接方式示意图。
图中：1：主轴；2：转子铁心；3：复合式径向永磁体；3-1：第一永磁体；3-2：第二永磁体；4：轴向磁极对；4-1：第一磁极；4-2：第二磁极；5：定子绕组；5-1：轴向绕组；5-2：径向绕组；6：定子铁心；6-1：轴向凹槽；6-2：径向凹槽；7：引出线；8：轴承；9：轴向通孔；10：水冷铜管；11：第二水套；12：外层通道；13：内层通道；14：进水口；15：出水口；16：冷却装置。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1至图9所示，本发明实施例提供了一种混合磁路驱动电机，其包括主轴1；定子，定子包括定子铁心6及定子绕组5，定子铁心6为环形柱体，定子绕组5嵌设于定子铁心6内，定子铁心6固定于主轴1上，在本实施例中，具体地，定子铁心6通过定子支架固定于主轴1上；转子，设于定子的外围，包括转子铁心2、复合式径向永磁体3及轴向磁极对4，转子铁心2为环形柱体且通过轴承8与主轴1可转动连接，复合式径向永磁体3对应于定子铁心6的外圆上端面设于转子铁心2的内圆上端面上，本发明通过设置高性能的复合式径向永磁体3，功率因数高、高效运行范围大，且实现气隙永磁磁通可调，低速时转矩输出能力强，高速时弱磁扩速性能好；轴向磁极对4对应于定子铁心6的外圆侧面设于转子铁心2的内圆侧面上；其中，上端面指的是附图1中图示方位，外圆指的是柱体的外表面，相对的，内圆指的是柱体的内表面；复合式径向永磁体3及轴向磁极对4与定子铁心6均设有间隙；引出线7，引出线7与定子绕组5连接。特别的，本发明通过设置径向-轴向混合磁路(即复合式径向永磁体3及轴向磁极对4)及与上述径向-轴向混合磁路对应设置的定子绕组5，实现对绕组端部的充分利用，大大提高了转矩密度和功率密度；另外，本申请提供的混合磁路驱动电机结构简单，使用简便，实用性强，既可用于各类电动车辆，并有望推广于工程机械、舰船等运载工具的电气化推进，具有广阔应用前景。
具体地，复合式径向永磁体3包括多个沿圆周布置的永磁体单元，每个永磁体单元均包括两个相邻且沿周向布置的第一永磁体3-1及两个第二永磁体3-2，两个第二永磁体3-2径向布置且分别设于两个第一永磁体3-1的两端。在本实施例中，复合式径向永磁体3包括8个内置复合式永磁体单元；每一个永磁体单元由两个相邻的径向充磁的钕铁硼永磁体3-1与两个切向充磁的铝镍钴永磁体3-2共同构成，其中，布置方式为一个切向充磁的铝镍钴永磁体3-2、两个相邻的径向充磁的钕铁硼永磁体3-1及一个切向充磁的铝镍钴永磁体3-2。具体地，径向充磁的第一永磁体3-1作为主要励磁，提供气隙主磁通；切向充磁的第二永磁体3-2可由定子绕组5中施加的正反向Id脉冲产生的直轴电枢磁动势正反向磁化，起到调节磁场的作用。
具体地，轴向磁极对4包括至少一组磁极对子单元，每组磁极对子单元均包括第一磁极4-1及第二磁极4-2，且第一磁极4-1和第二磁极4-2为不对称磁系结构。具体地，外转子的轴向磁极对4采用双向不对称斜极结构，在本实施例中，一共设置了八组磁极对子单元，且八组磁极对子单元沿圆周方向排列，第一磁极4-1及第二磁极4-2内磁极的倾斜方向相反。通过采用不对称磁系结构的第一磁极4-1及第二磁极4-2，大幅削弱了齿槽转矩，有助于提高整个电机的运行平稳性。
具体地，定子铁心6上设有沿其圆周方向间隔布置的倒U型凹槽，倒U型凹槽用于安装定子绕组5，且凹槽的尺寸与定子绕组5的尺寸相匹配。在本实施例中，定子绕组5包括轴向绕组5-1和两个径向绕组5-2，轴向绕组5-1和径向绕组5-2一体成型且构成倒U型结构；定子铁心6的外圆周面开有轴向凹槽6-1，定子铁心6的两端面外环开有径向凹槽6-2；定子绕组5嵌设于定子铁心6的凹槽内，其中轴向绕组5-1嵌于轴向凹槽6-1内，径向绕组5-2嵌于径向凹槽6-2内。
进一步地，该混合磁路驱动电机还包括穿设于定子铁心6的冷却装置16，用于对定子铁心6及定子绕组进行有效冷却。
具体地，定子铁心6上设有多个周向布置的轴向通孔9，冷却装置16包括多根水冷铜管10，水冷铜管10穿设在轴向通孔9内；冷却装置16的两端分别设有第一水套、第二水套11，多根水冷铜管10的两端分别与第一水套及第二水套11连通。由此，轴向通孔9与水冷铜管10、第一水套及第二水套11构成冷却回路。
进一步地，第一水套内设有相互独立的内层通道13及外层通道12，一部分水冷铜管10与内层通道13连通，另一部分水冷铜管10与外层通道12连通；第一水套上设有与内层通道13连通的出水口15及与外层通道12连通的进水口14，构成双路水循环冷却系统。其中，第二水套11与所有的水冷铜管10全部连通。采用上述双层内嵌式定子水冷结构，散热效果好，有利于维护驱动电机的正常运行。
进一步地，主轴1开设有导线盲孔，引出线7沿着导线盲孔伸入至定子铁心6与冷却装置16之间并与定子绕组5连接。结构简洁，且又有利于提高安全性能。
综上所述，本发明提供了一种混合磁路驱动电机，其包括：主轴；定子，定子包括定子铁心及定子绕组，定子铁心为环形柱体，定子绕组嵌设于定子铁心内，定子铁心固定于主轴上；转子，设于定子的外围，包括转子铁心、复合式径向永磁体及轴向磁极对，转子铁心为环形柱体且通过轴承与主轴可转动连接，复合式径向永磁体对应于定子铁心的外圆上端面设于转子铁心的内圆上端面上，轴向磁极对对应于定子铁心的外圆侧面设于转子铁心的内圆侧面上；复合式径向永磁体及轴向磁极对与定子铁心均设有间隙；引出线，引出线与定子绕组连接。本发明通过设置高性能的复合式径向永磁体，功率因数高、高效运行范围大，且实现气隙永磁磁通可调，低速时转矩输出能力强，高速时弱磁扩速性能好；且通过设置径向-轴向混合磁路及与混合磁路对应设置的定子绕组，实现对绕组端部的充分利用，转矩密度和功率密度高；同时，本申请提供的混合磁路驱动电机可用于各类电动车辆，并有望推广于工程机械、舰船等运载工具的电气化推进，具有广阔应用前景。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种混合磁路驱动电机，其特征在于：包括
主轴；
定子，所述定子包括定子铁心及定子绕组，所述定子铁心为环形柱体，所述定子绕组嵌设于所述定子铁心内，所述定子铁心固定于所述主轴上；
转子，设于所述定子的外围，包括转子铁心、复合式径向永磁体及轴向磁极对，所述转子铁心为环形柱体且通过轴承与所述主轴可转动连接，所述复合式径向永磁体对应于所述定子铁心的外圆上端面设于所述转子铁心的内圆上端面上，所述轴向磁极对对应于所述定子铁心的外圆侧面设于所述转子铁心的内圆侧面上；所述复合式径向永磁体及轴向磁极对与所述定子铁心均设有间隙；
引出线，所述引出线与所述定子绕组连接。
2.根据权利要求1所述的混合磁路驱动电机，其特征在于：所述复合式径向永磁体包括多个沿圆周布置的永磁体单元，每个永磁体单元均包括两个相邻且沿周向布置的第一永磁体及两个第二永磁体，所述两个第二永磁体径向布置且分别设于所述两个第一永磁体的两端。
3.根据权利要求1所述的混合磁路驱动电机，其特征在于：所述轴向磁极对包括至少一组磁极对子单元，每组所述磁极对子单元均包括第一磁极及第二磁极，且所述第一磁极和第二磁极为不对称磁系结构。
4.根据权利要求1所述的混合磁路驱动电机，其特征在于：所述定子铁心上设有沿其圆周方向间隔布置的倒U型凹槽，所述倒U型凹槽用于安装所述定子绕组，且所述凹槽的尺寸与所述定子绕组的尺寸相匹配。
5.根据权利要求1所述的混合磁路驱动电机，其特征在于：还包括穿设于所述定子铁心的冷却装置。
6.根据权利要求5所述的混合磁路驱动电机，其特征在于：所述定子铁心上设有多个周向布置的轴向通孔，所述冷却装置包括多根水冷铜管，所述水冷铜管穿设在所述轴向通孔内。
7.根据权利要求6所述的混合磁路驱动电机，其特征在于：所述冷却装置的两端分别设有第一水套、第二水套，多根所述水冷铜管的两端分别与所述第一水套及第二水套连通。
8.根据权利要求7所述的混合磁路驱动电机，其特征在于：所述第一水套内设有相互独立的内层通道及外层通道，一部分所述水冷铜管与所述内层通道连通，另一部分所述水冷铜管与所述外层通道连通；所述第一水套上设有与所述内层通道连通的出水口及与所述外层通道连通的进水口。
9.根据权利要求5所述的混合磁路驱动电机，其特征在于：所述主轴开设有导线盲孔，所述引出线沿着所述导线盲孔伸入至所述定子铁心与冷却装置之间并与所述定子绕组连接。
10.根据权利要求1所述的混合磁路驱动电机，其特征在于：所述定子铁心通过定子支架固定于所述主轴上。
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