專利名稱：容錯式永磁游標電機的制作方法
技術領域：
本發明涉及電工、電機、電動汽車領域，特指一種低速大轉矩的電動汽車用五相永磁容錯型游標電機。
背景技術：
隨著日益增長的油價以及環境污染危機，電動汽車開始受到越來越廣泛的關注。不同于傳統汽車，電動汽車的推進系統主要采用高性能的電機驅動，因此，電機是決定電動汽車效率和性能的關鍵部件。相比于現有電勵磁電機或者有刷直流電機驅動系統，永磁無刷電機擁有高效率、結構簡單緊湊、運行可靠、體積小和重量輕等優點。隨著具有外轉子結構的輪轂電機的出現，電機與車輪間的機械連接得以取消，大大提高了整車效率和可靠性，輪轂式永磁容錯電 機具有高穩定性和帶故障運行能力。眾所周知，電動汽車運行在爬坡等低速運動場合時，往往需要通過機械齒輪變速以達到低速大轉矩運行的效果，即兼顧電機高功率密度的設計要求與低速大轉矩運行需要的矛盾。而輪轂式電機去除了機械連接，根據電機原理，轉子轉速越低，電機的體積、重量和制造成本就越大。永磁游標電機作為一種基于磁齒輪原理而產生的新型電機，它具有體積小，重量輕，輸出轉矩大，適用于低速大轉矩應用場合等優點。現有技術中的永磁容錯電機盡管具有高可靠性和高容錯性能，但因其轉矩密度不高(與普通永磁電機類似)，將其運用于直接驅動的電動汽車上時，電機體積受到輪胎大小限制，從而使其輸出轉矩也受到限制無法滿足低速大轉矩運行的需要。現有技術中的永磁游標電機均采用3相電樞繞組且每極每相槽數7 二 1/2的分數槽雙層式集中繞組結構，首先7=1/2的分數槽集中繞組由于其一個線圈兩圈邊在空間呈120°電角度，從而導致繞組因數不高(約為O. 866)，某種程度上降低了反電勢和輸出轉矩。其次三相雙層式的集中繞組不具備高容錯性能，自互感比值低，導致相與相間耦合程度相對較高，當一相發生故障，該故障相產生磁場將會嚴重影響其他兩正常相，導致系統無法正常工作不具備帶故障運行能力。

發明內容
本發明針對現有技術的不足進行設計，提出了一種低速大轉矩的電動汽車用五相永磁容錯型游標電機，目的在于在低速大轉矩應用情況下相對于普通永磁容錯電機提高了電機的轉矩密度，從而減小了電機體積、重量和制造成本；而相對于永磁游標電機大幅提高容錯性能，使其具備高可靠性以及帶故障運行能力。為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案為包括同軸的內定子和外轉子，內定子和外轉子之間設置永磁體、電樞繞組、電樞齒、容錯齒和調制極，永磁體沿圓周方向固定貼于外轉子的內表面上，永磁體的充磁方向為徑向且N極和S極交替排列，內定子圓周上布置彼此相交錯的10個電樞齒和10個容錯齒，電樞齒上繞有單層集中電樞繞組，徑向相對兩電樞齒上的集中電樞繞組串聯成一相，電樞繞組為五相繞組；電樞齒的齒寬和容錯齒的齒寬不相等，在電樞齒和容錯齒的齒頂上設有沿圓周方向上均勻分布的40個調制極；每兩個調制極之間是間隔分布的槽口和小槽，槽口與電樞齒和容錯齒形成的齒間槽相通，小槽設在電樞齒和容錯齒上，小槽的寬度、槽口的寬度和調制極的寬度三者相等，小槽的深度、槽口的深度和調制極的高度均相等。進一步地，調制極數/ 5、電樞繞組的極對數和永磁體的永磁體極對數三者滿足關系式P2 = kns - BiPvPl = l,m = I, 3, 5...,左=O, ±1, ±2,…。本發明采用上述技術方案后具有如下有益效果
I、采用外轉子結構，車輪可與外轉子很好集合在一起，省除了機械齒輪箱，提高了可靠性。同時減小了電機的體積，重量和制造成本。2、電樞繞組為每極每相槽數q錄的分數槽集中式繞組，端部短，安裝方便，且繞組因數高(約O. 96)。3、采用單層繞組，每槽只有一相繞組，無繞組的容錯齒作為磁通回路，同時也對相間電路、磁路和溫度進行解耦。相與相間互感幾乎為0，自互感比達到238 : 1，當電機一相發生故障(短路或者開路)時，該相對其他相繞組影響非常小，實現了相間獨立，提高了電機的可靠性和帶故障運行能力。4、有效地結合了永磁容錯電機和永磁游標電機的優點，在保留并進一步加強了容錯性能的同時顯著的增大了輸出轉矩，具有高轉矩密度和高功率密度。


圖I是本發明結構示意 圖2是圖I中電樞齒5、容錯齒6、調制極7的局部放大 圖3是圖2中電樞齒5、容錯齒6、調制極7的局部展開 圖1-3中1.內定子；2.外轉子；3.永磁體；4.繞組；5.電樞齒；6.容錯齒；7.調制極；8.齒間槽；9.槽口；10.小槽'K.小槽10的寬度；B.調制極7的寬度；C.槽口 9的寬度；D小槽10的深度。圖4是本發明氣隙磁密空間分布 圖5是本發明空載反電勢隨m值變化而變化 圖6是本發明自感和互感對比 圖7是本發明輸出轉矩與同體積永磁容錯電機比較圖。
具體實施例方式參照圖I，本發明包括內定子I、外轉子2、永磁體3、電樞繞組4、電樞齒5、容錯齒6和調制極7。內定子I和外轉子2同軸，在內定子I和外轉子2之間設置永磁體3、電樞繞組4、電樞齒5、容錯齒6和調制極7。沿外轉子2內表面的圓周方向上,永磁體3固定貼在外轉子2的內表面上，永磁體3的材料為釹鐵硼，充磁方向為徑向，永磁體3的N極和S極交替排列。內定子I圓周上布置10個電樞齒5和10個容錯齒6，電樞齒5和容錯齒6彼此相交錯，電樞齒5上繞有單層集中電樞繞組4，徑向相對兩電樞齒5上的集中電樞繞組串聯成、一相繞組，本發明電樞繞組4為每極每相槽數^<1/2分數槽集中繞組構成的五相繞組，具體是有ABCDE五相繞組在定子I的10個電樞齒5上呈A、D、B、E、C、A、D、B、E、C分布。電樞齒5和容錯齒6采用不等齒寬，在保證磁力線完全通過容錯齒6的前提下最大限度增大電樞齒5和容錯齒6形成的齒間槽8的面積；在電樞齒5和容錯齒6的齒頂上設置在定子圓周方向上等寬均勻分布的調制極7，如附圖2。為細致描述調制極7的結構，參見附圖3的橫向展開圖，每兩個調制極7之間是間隔分布的槽口 9和小槽10，槽口 9與齒間槽8相通，小槽10設置在電樞齒5和容錯齒6的齒頂上，即，在電樞齒5和容錯齒6上各開一小槽10，保證小槽10的寬度A、槽口 9的寬度C和調制極7的寬度B三者相等，即A = B = C，小槽10的深度、槽口 9的深度和調制極7的高度均相等，為圖3中的D，如此最終形成在定子外圓周等寬均勻分布的40個調制極7，即= 40。根據圖I繞組分相可知，定子電樞單相繞組基波極對數為1，即電樞繞組4的基波極對數為1，即定子電樞繞組極對數P1 = I。調制極數&、定子電樞繞組極對數A和永磁體3的永磁體極對數三者滿足關系式=左/ 5 - /71 = 1,3, 5···,^ = 0,±1,±2，…。為得到空間最大的諧波磁場，取其中A = I, = 9，從而得到永磁體極對數為31。
電樞繞組4采用每極每相槽數<1/2的分數槽集中繞組結構，槽數為20，》/ i為9，Q 二 20/5/18 = 2/9，最大限度增大了繞組因數，從而增大了繞組反電勢。當內定子電樞繞組4通以交流電時，產生電樞磁場，其旋轉角速度為_ 2，經過調制極7的調制作用，在氣隙中產生一個調制波磁場，其旋轉角速度為W1，該速度與外轉子2速度一致，從而使該磁場與轉子永磁體作用產生力矩。W1 : ω2為轉速變比，等于與/ 2之比。本發明工作原理具體說明如下具有Α對極的電樞繞組產生的磁場以速度ω2旋轉時，磁場經過調制極7 (個數為&)調制后，在氣隙中形成空間分布磁場，該磁場在半徑為r，空間角度為Θ處的磁感應強度徑向分量^可表示為
Br (r, B) = 4。(/) (r) cos— (Θ - αφ + mp^)
w-1,3,5,..
+ | Σ ΣCOSdmp1 +Μ)(θ - mPim2 O + m^')
+1 Σ Σ4.(^0)Cosdmp1 — jns)($ —-歷逆2—t) +mp^)
MP1-Jns
其中是徑向磁密分布的傅里葉系數，』"是徑向調制函數的傅里葉系數；t為時間變量；β ^為初始空間相位角。從公式可得出磁密分布空間的諧波極對數與轉速比有如下表示
P2 = Jwp1 + kns I
G _ Φ2 — \ηργ + L·、I m = 1,3, b…，k = 0, ± I, ±2，...
r a\ Mpl
由于本發明特殊的分相方式導致當A = ~l,m = 9時所對應的空間調制諧波磁場幅值最大。為在不同轉速下穩定的傳遞轉矩和能量，外轉子2上永磁體3的極對數就必須等于P2。進而可得到高速電樞磁場與外轉子永磁體3磁場轉速比ω2 =CO1=Z72 : mp'。附圖4為本發明電機的氣隙磁密空間分布圖，本發明由于調制極7的引入，使得氣隙I個機械周期360°磁密呈現永磁體極對數31對分布(31個波峰或波谷)，同時也對應了定子I電樞磁場( = 9, = I)對極分布(9處波峰或出現下凹),證實了調制極7對磁場的調制作用。附圖5為本發明電機空載反電勢隨m值變化而變化圖，可看出 = 7和 = 13幾近重合，同時 = 9和《 = 11也幾近重合，顯然只有當m取9或11時，能得到最大空間諧波分量，進而考慮到轉速比能一定程度上正比于輸出轉矩，本發明選取 = 9。附圖6為本發明電機自感和互感對比圖，本發明通過容錯齒6進行了相間解耦，互感占自感比為O. 42%，使得電機擁有極高的容錯性 能。附圖7為本發明電機輸出轉矩與同體積下常規永磁容錯電機比較圖，本發明引入調制極7，通過調制極7對低速旋轉的永磁磁場和高速旋轉的電樞磁場的調制作用使得轉子在轉動很小的角度下磁力線分布變化很大的角度，從而輸出更大的轉矩。因此，本發明由于調制極7的引入，打破了傳統永磁同步電機定子電樞繞組極對數必須等于轉子永磁體極對數的法則，它能將高速旋轉的電樞磁場主諧波在氣隙內調制成能與低速旋轉的轉子永磁體磁場相匹配的諧波，從而能在槽數不增加的情況下增大永磁體極對數，而通常大極對數電機適用于低速大轉矩場合。同時，強烈的調制作用使得電機漏磁增加，漏磁導致漏感的增大，從而使總自感增大，電感的增大能有效的抑制電機故障時產生的短路電流，進一步提聞了電機的容錯性能。本發明通過調制極7增大輸出轉矩的機理在于其一，調制作用使內定子電樞磁場和外轉子永磁體磁場的旋轉速度產生31 / 9轉速比，從而使轉子在轉動很小的角度下空間磁力線分布變化很大的角度，即可理解為轉子轉動9°磁力線空間分布轉動31° ,顯然，在低速下繞組線圈切割磁力線速度仍能很快，因而提高了輸出轉矩，適用于低速大轉矩應用場合；其二，由于不需要通過增加槽數來增大極對數，使得有效槽面積能顯著大于同體積的同大極對數的永磁容錯電機，如此槽內繞組線圈數得到增大，從而提高了輸出轉矩。同體積下，低速大轉矩的電動汽車用永磁容錯型游標電機輸出轉矩的大幅提高同時也就意味著在要求達到某一指定輸出轉矩情形下時，低速大轉矩的電動汽車用永磁容錯型游標電機能相對于普通永磁容錯電機減小體積，而單單只是通過在電樞齒5和容錯齒6上開小槽10形成調制極7 (而非增大槽數等其他措施)就達到這一效果，可見同時也減小了重量和制造成本。另外，本發明采用圓周均勻分布的調制極7保證了電機磁路的對稱性，不至于產生不平衡磁拉力，能保證電機工作的穩定性。
權利要求
1.一種容錯式永磁游標電機，包括同軸的內定子(I)和外轉子(2)，其特征是內定子(I)和外轉子(2 )之間設置永磁體(3 )、電樞繞組(4 )、電樞齒(5 )、容錯齒(6 )和調制極(7 )，永磁體(3)沿圓周方向固定貼于外轉子(2)的內表面上，永磁體(3)的充磁方向為徑向且N極和S極交替排列，內定子(I)圓周上布置彼此相交錯的10個電樞齒(5)和10個容錯齒(6 )，電樞齒(5 )上繞有單層集中電樞繞組(4 )，徑向相對兩電樞齒(5 )上的集中電樞繞組(4)串聯成一相，電樞繞組(4)為五相繞組；電樞齒(5)的齒寬和容錯齒(6)的齒寬不相等，在電樞齒(5)和容錯齒(6)的齒頂上設有沿圓周方向上均勻分布的40個調制極(7);每兩個調制極(7)之間是間隔分布的槽口(9)和小槽(10)，槽口(9)與電樞齒(5)和容錯齒(6)形成的齒間槽(8)相通，小槽(10)設于電樞齒(5)和容錯齒(6)上，小槽(10)的寬度、槽口(9)的寬度和調制極(7)的寬度三者相等，小槽(10)的深度、槽口(9)的深度和調制極(7)的聞度均相等。
2.根據權利要求I所述的容錯式永磁游標電機，其特征是調制極數&、電樞繞組(4)的極對數A和永磁體(3)的永磁體極對數三者滿足關系式-.P2 = kns - Iapl, P1 = I, m =I,3,5…，左=0, + I, +2,…。
3.根據權利要求2所述的容錯式永磁游標電機,其特征是4= l,m = 9。
4.根據權利要求I所述的容錯式永磁游標電機，其特征是在保證磁力線完全通過容錯齒(6)的前提下最大限度增大齒間槽(8)的面積。
全文摘要
本發明公開了一種低速大轉矩的電動汽車用容錯式永磁游標電機，包括同軸的內定子和外轉子，永磁體沿圓周方向固定貼于外轉子的內表面上，永磁體的充磁方向為徑向且N極和S極交替排列，內定子圓周上布置彼此相交錯的10個電樞齒和10個容錯齒，電樞齒上繞有單層集中電樞繞組，徑向相對兩電樞齒上的集中電樞繞組串聯成一相，電樞繞組為五相繞組；電樞齒的齒寬和容錯齒的齒寬不相等，在電樞齒和容錯齒的齒頂上設有沿圓周方向上均勻分布的40個調制極；在大幅度提高了轉矩密度的同時保留并加強了容錯性能，有助于減小電機體積，提高電機可靠性和帶故障運行能力。
文檔編號H02K21/12GK102710078SQ20121019265
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月13日 優先權日2012年6月13日
發明者劉國海, 楊俊勤, 瞿瀝, 趙文祥, 陳前 申請人:江蘇大學