技术领域
[0001] 本
发明涉及
电动机制造的技术领域，并具体涉及一种绕组错位轮毂电机定子及绕组错位轮毂电机装置，适用于新
能源汽车等需要外
转子直驱的应用场合。
背景技术
[0002] 随着绿色低
碳出行、节能减排政策的推广，新能源电动汽车分布式驱动技术逐步发展起来。分布式驱动系统相比于目前主流
电动车的集中电机驱动简化了整车结构，分布式驱动将电机动
力平均分配到四个独立轮子上，轮毂电机将动力、传动与
制动装置均集成到轮毂内，整车驱动系统不再需要传统的机械换挡、
离合器、
变速器、
传动轴和机械
差速器等装置，底盘结构简单归一，极大地节省车内空间，提升乘车舒适度。分布式驱动系统动力传动由传统的机械硬连接转化为通过总线系统的软连接，由中央
控制器直接调配各轮动力，可实现整车能源的最优化控制与管理；省去原有机械传动方式带来的
能量损失，提升传动效率；而且更容易实现制动过程中的能量回馈，有效节省能源。
[0003] 轮毂电机是分布式驱动的动力来源，轮毂电机可利用空间有限，这就对电机本体的电磁和机械设计提出了更高的要求，需要在有限的空间内设计出功率
密度高，转矩脉动小，易于
散热，机械强度大，抗扰能力强的外转子永磁轮毂电机。近些年来基于磁
钢、
硅钢和电机附属零部件成本上涨，永磁电机的价格也在持续上升，因此研发一种低成本永磁轮毂电机是新能源电动车市场的需求和社会发展的需要。电机主要有磁钢成本，硅钢
铁芯成本和电机附属的端盖，轴，
轴承等成本。外转子轮毂电机
永磁体沿着外转子周向方向贴装且磁钢用量大。因此，为了节约电机成本，有必要对外转子永磁轮毂电机进行优化改进。
申请号为（201210472407.5）的中国
专利提出一种磁阻型轮毂电机结构，对电机磁钢之间的圆弧形铁芯进行了优化以减小转矩脉动，通过该专利给出的电机输出转矩
波形可以看出在未对电机导磁凸极进行优化时电机转矩脉动在27%左右，通过对电机凸极铁芯优化电机转矩脉动可以降低7.5%左右。在新能源电动汽车分布直驱系统中，电机动态转矩性能的好坏将直接影响车辆动态性能，新能源电动汽车等直驱系统对电机输出电磁动态性能提出了更高的要求。
发明内容
[0004] 本发明要解决的技术问题是，提出一种绕组错位轮毂电机定子及绕组错位轮毂电机装置，实现削弱电机由于连续极磁
不平衡在反电势中感应出的
偶次谐波和减小转矩脉动，提高电机输出电磁特性。
[0005] 为实现以上的技术目的，本发明采用以下技术方案：一种绕组错位轮毂电机装置，包括定子铁芯和设于定子铁芯外围的转子铁芯，定子铁芯包括多个模
块化定子铁芯，每个模块化定子铁芯包括一个中间齿和分别位于中间齿两侧的两个边齿，每个模块化定子铁芯的三个齿呈弧形排列，所述模块化定子铁芯的数量为3的倍数，多个模块化定子铁芯沿圆周彼此连接后形成沿圆周排列的多个齿，定子铁芯上设有三相错位绕组，三相错位绕组的绕制方式为相邻的三个模块化定子铁芯为一组，每组内三个模块化定子铁芯中第一个模块化定子铁芯上设有A相线圈绕组，第二个模块化定子铁芯上设有C相线圈绕组，第三个模块化定子铁芯上设有B相线圈绕组，每个模块化定子铁芯中相同
位置的一个或两个边齿上的绕组分多层绕制，每个模块化定子铁芯中具有多层绕制绕组的边齿上绕有本相绕组和相邻模块化定子铁芯上的
相位绕组，其余齿上设有单一相位绕组。
[0006] 进一步地，该装置还包括设于定子铁芯内侧的定子
支架，间隔的多个模块化定子铁芯与定子支架连为一体，其他的模块化定子铁芯设于间隔的多个模块化定子铁芯之间，相邻的模块化定子铁芯在定子铁芯压接处紧固连接。
[0007] 进一步地，定子铁芯包括九个模块化定子铁芯，互差120°机械
角度的三个模块化定子铁芯与定子支架连为一体，其他六个模块化定子铁芯两两设于间隔的多个模块化定子铁芯之间，相邻的模块化定子铁芯在定子铁芯压接处紧固连接。
[0008] 进一步地，所述转子铁芯上沿圆周内侧贴有间隔设置的连续极永磁体，相邻的永磁体之间设有凸极铁芯，所述永磁体和凸极铁芯为间隔交替设置，所述凸极铁芯的形状为正弦+3次谐波形状。
[0009] 进一步地，所述定子铁芯与设于定子铁芯内侧的定子支架固接，定子支架套设于轴上且与轴固接。
[0010] 进一步地，所述转子铁芯与转子铁芯两侧的端盖连接，转子铁芯两侧的端盖通过转子铁芯两侧的轴承与轴连接。
[0011] 进一步地，模块化定子铁芯上的绕组绕制方式适用于电机槽数和极数相差1的单元电机和以此类单元电机为子电机的电机，单元电机极数和槽数满足Ns=2P±1，Ns为单元电机定子铁芯槽数，P为单元电机极对数，其中，以3槽2极为单元电机的电机除外。
[0012] 一种绕组错位轮毂电机定子，所述定子包括定子铁芯，所述定子铁芯包括多个模块化定子铁芯，每个模块化定子铁芯包括一个中间齿和分别位于中间齿两侧的两个边齿，每个模块化定子铁芯的三个齿呈弧形排列，所述模块化定子铁芯的数量为3的倍数，多个模块化定子铁芯沿圆周彼此连接后形成沿圆周排列的多个齿，定子铁芯上设有三相错位绕组，三相错位绕组的绕制方式为相邻的三个模块化定子铁芯为一组，每组内三个模块化定子铁芯中第一个模块化定子铁芯上设有A相线圈绕组，第二个模块化定子铁芯上设有C相线圈绕组，第三个模块化定子铁芯上设有B相线圈绕组，每个模块化定子铁芯中相同位置的一个或两个边齿上的绕组分多层绕制，每个模块化定子铁芯中具有多层绕制绕组的边齿上绕有本相绕组和相邻模块化定子铁芯上的相位绕组，其余齿上设有单一相位绕组。
[0013] 进一步地，还包括设于定子铁芯内侧的定子支架，间隔的多个模块化定子铁芯与定子支架连为一体，其他的模块化定子铁芯设于间隔的多个模块化定子铁芯之间，相邻的模块化定子铁芯在定子铁芯压接处紧固连接。
[0014] 进一步地，定子铁芯包括九个模块化定子铁芯，互差120°机械角度的三个模块化定子铁芯与定子支架连为一体，其他六个模块化定子铁芯两两设于间隔的多个模块化定子铁芯之间，相邻的模块化定子铁芯在定子铁芯压接处紧固连接。
[0015] 本发明采用模块化定子铁芯，便于电机批量生产，尤其采用互差120°机械角度的三个模块化定子铁芯与定子支架连为一体，其他模块化定子铁芯设于之间的方式，使得模块化定子铁芯组装方便，组装后牢固可靠；模块化定子铁芯上绕有相绕组偏移的三相绕组，每个模块化定子铁芯中具有多层绕制绕组的边齿上绕有本相绕组和相邻模块化定子铁芯上的相位绕组，边齿上的多层绕组的相位不同，其余的齿上线圈绕组方式不变，属于各相的线圈按照设计的绕组错位相带依次连接，此绕组连接方式降低了由于连续极磁路不对称在线圈中感应出的偶次谐波反电势，可以降低转矩脉动，提高电机电
磁性能。特别地，采用一个齿上的绕组分上下两层绕制，上层绕组和下层绕组的相位不同，其余的齿上线圈绕组方式不变，两层的基波绕组系数最大，该结构的电机实现了更好的连续极电机的基波绕组因数和磁不平衡的抑制效果，并提高了电机的功率密度和电磁性能。电机转子为连续极即永磁体都为相同极性（同为S极或同为N极），电机转子上连续级永磁体之间的凸极铁芯采用正弦+3次谐波形状引起的不均匀气隙，优化了气隙磁密波形，减小了转矩脉动，提高了输出转矩动态性能，该电机结构适用于永磁无刷交流电机驱动系统。经有限元证明，上述的电机结构在节约一半永磁体用量的同时还可以保证较好的输出电磁特性。
附图说明
[0016] 图1 是本发明一种绕组错位连续极永磁电机剖面示意图。
[0017] 图2 是本发明一种绕组错位连续极永磁电机截面示意图。
[0018] 图3 是本发明一种绕组错位连续极永磁电机3个模块化定子铁芯与定子支架冲片截面图。
[0019] 图4 是本发明一种绕组错位连续极永磁电机正弦形凸极转子和注入的3次谐波形状截面示意图。
[0020] 图5 是本发明优化后的正弦+3次谐波形凸极转子截面示意图。
[0021] 图6 是本发明一种绕组错位连续极永磁电机转子局部放大示意图。
[0022] 图7 是本发明9槽10极永磁电机单元电机错位绕组连接示意图。
[0023] 图8 是传统9槽10极永磁电机单元电机的绕组连接示意图。
[0024] 图9 是本发明错位绕组和传统分数槽集中绕组的相感应反电势图。
[0025] 图10 是图9中相反电势的谐波含量图。
[0026] 图11 是本发明一种绕组错位正弦+3次谐波形（优化后）和绕组错位瓦片形凸极铁芯转子电机的输出转矩随转子位置的变化图。
具体实施方式
[0027] 附图非限制性的公开了本发明所涉及的结构示意图，以下结合附图详细说明本发明的技术方案。
[0028] 如图1-2所示，本发明的绕组错位轮毂电机装置，包括轴29、定子支架26、模块化定子铁芯12、三相错位绕组24、从轴29端伸出的三相
导线30、转子铁芯11、瓦片形的连续极永磁体13、正弦+3次谐波形状的凸极铁芯14、端盖21、端盖25、轴承22、轴承28、紧固压片23和
键槽27，所述轴29为电机空
心轴，定子支架26套装在轴29上，轴29与定子支架26通过键槽27固定以传递
扭矩，定子支架26一侧轴的直径要大于定子支架叠片的内圆开孔半径，以便于紧固定子支架，定子支架26另一侧依靠紧固压片23紧固。转子铁芯11两侧通过6个
螺栓孔10用螺栓20与转子铁芯11两侧的端盖21和端盖25连接，转子铁芯11两侧的端盖21、25通过轴承22、28与轴29连接。
[0029] 所述转子铁芯11上沿圆周内侧贴有间隔设置的连续极永磁体13，相邻的永磁体13之间设有凸极铁芯14，所述永磁体13和凸极铁芯14为间隔交替设置，所述凸极铁芯14的形状为正弦+3次谐波形状。
[0030] 如图2-3所示，定子铁芯包括多个模块化定子铁芯12，每个模块化定子铁芯12包括一个中间齿和分别位于中间齿两侧的两个边齿，每个模块化定子铁芯的三个齿呈弧形排列，所述模块化定子铁芯的数量为3的倍数，多个模块化定子铁芯12沿圆周彼此连接后形成沿圆周排列的多个齿，定子铁芯上设有三相错位绕组24，三相错位绕组24的绕制方式为相邻的三个模块化定子铁芯为一组，每组内三个模块化定子铁芯中第一个模块化定子铁芯上设有A相线圈绕组，第二个模块化定子铁芯上设有C相线圈绕组，第三个模块化定子铁芯上设有B相线圈绕组，每个模块化定子铁芯12中相同位置的一个或两个边齿上的绕组分多层绕制，上述的每个边齿上各层绕组的相位不同，具体的为，每个模块化定子铁芯12中具有多层绕制绕组的边齿上绕有本相绕组和相邻模块化定子铁芯上的相位绕组，其余齿上设有单一相位绕组。例如，每个模块化定子铁芯12中最后一个齿上的绕组分上下两层绕制，上层绕组和下层绕组的相位不同，前面的齿上设有单一相位的
单层或双层绕组，相较于两个边齿上均设有不同相位绕组或者多层绕组数量大于2的情况，两层的基波绕组系数最大，上述结构的电机实现了更好的连续极电机的基波绕组因数和磁不平衡的抑制效果，并提高了电机的功率密度和电磁性能。
[0031] 定子铁芯包括九个模块化定子铁芯12，互差120°机械角度的三个模块化定子铁芯与定子支架连为一体，其他六个模块化定子铁芯两两设于间隔的多个模块化定子铁芯之间，相邻的模块化定子铁芯在定子铁芯压接处15紧固连接。
[0032] 下面结合图4、图5、图6给出正弦+3次谐波形凸极铁芯的优化方法。图4中实线给出了一个极下的正弦形凸极转子，虚线给出了注入的三次谐波形状，在传统双极电机中三次谐波的最优注入幅值为1/6基波幅值；图5给出了考虑边缘厚度的正弦+3次谐波形凸极铁芯，电机的边缘厚度取值可以气隙磁密的谐波畸变率为目标函数进行优化，以谐波畸变率最小为目标对凸极铁芯边缘进行优化，在本发明中电机采用连续极永磁体转子，三次谐波的最优注入幅值可在
有限元分析中通过参数化扫描以输出平均转矩最大和转矩脉动最小为目标得到；图4和图5中凸极铁芯保持相同的最大厚度16，以保证电机拥有相同的最小气隙，凸极铁芯的最大厚度与瓦片形的连续极永磁体13的最大厚度16保持一致。图6给出了连续极转子铁芯局部截面示意图，19是定子铁芯和转子铁芯之间的均匀气隙，17和18是由于凸极铁芯的削极形成的不均匀气隙，此不均匀气隙可以优化气隙磁密谐波含量，提高电机电磁特性。
[0033] 图8给出了一个9槽10极单元电机传统绕组连接示意图，图中的31、32、33、34、35、36、37、38、39分别代表单元电机的齿标号，图中圆圈中的×号表示
电流从垂直纸面流入表示电流为正，圆圈中的•表示电流垂直直面流出表示电流为负，规定齿上线圈电流从齿右边进入左边流出为正线圈，齿上线圈电流从齿左边进入右边流出为负线圈，图8中右边的模块化定子铁芯上绕有A相线圈，右边第一个齿上绕有A+线圈，中间齿上绕有A-线圈，左边齿上绕有A+线圈；图8中中间的模块化定子铁芯上绕有B相线圈，右边第一个齿上绕有C+线圈，中间齿上绕有C-线圈，左边齿上绕有C+线圈；图8中左边的模块化定子铁芯上绕有B相线圈，右边第一个齿上绕有B+线圈，中间齿上绕有B-线圈，左边齿上绕有B+线圈。通过三相绕组连接可以得到反电势基波和2次谐波绕组因数分别为0.945和0.061。
[0034] 图7给出了本发明的一个9槽10极单元电机的错位绕组连接示意图，图中的1、2、3、4、5、6、7、8、9分别代表单元电机的齿标号。图7中右边的模块化定子铁芯上绕有A相和C相线圈，右边第一个齿上绕有A+线圈，中间齿上绕有A-线圈，左边齿上绕有A+和C-线圈；图7中中间的模块化定子铁芯上绕有B相和C相线圈，右边第一个齿上绕有C+线圈，中间齿上绕有C-线圈，左边齿上绕有C+和B-线圈；图7中左边的模块化定子铁芯上绕有A相和B相线圈，右边第一个齿上绕有B+线圈，中间齿上绕有B-线圈，左边齿上绕有B+和A-线圈。通过对相绕组进行分析可得出反电势基波绕组因数由传统绕组的0.945降为0.931，降低了1.5%，二次谐波绕组因数由0.061降为0.021，降低了65.6%，在9槽10极单元电机中由于连续极转子结构的使用会导致气隙磁密正负不对称，在反电势中感应出大量偶次谐波，本发明中的绕组连接可以削弱反电势中感应出的偶次谐波，可以减小转矩脉动，优化电机电磁性能。
[0035] 本发明中的电机结构可应用于新能源电动汽车，电机中凸极铁芯转子的使用会使电机d、q轴磁路不对称，电机在进行弱磁控制时会产生磁阻转矩，可以采用安装光电
编码器或旋转
变压器等位置检测元件检测转子磁极的轴线位置，实现对电机精准控制，充分利用电机凸极效应。
[0036] 图9和图10分别给出了采用传统绕组和错位绕组正弦+3次谐波形凸极转子电机的A相反电势波形和反电势的谐波含量，从图9中可以看出错位绕组反电势中的2次谐波与传统绕组相比降低约62%，与理论分析基本一致，反电势中2和4次谐波的削弱可以减小电机转矩中的3次脉动，提高电机电磁性能。
[0037] 图11给出了采用瓦片形和正弦+3次谐波形凸极转子电机的输出转矩随转子位置的变化，从图中可以看出绕组错位瓦片形连续极电机的转矩脉动为8.5%，绕组错位正弦+3次谐波形连续极电机的转矩脉动为3.0%，平均转矩基本不变。相比申请号为（201210472407.5）所提出的磁阻型轮毂电机的转矩脉动下降了约4.5个百分点。
[0038] 由于外转子电机安装在轮毂内，电机的转矩脉动将对整车运行和乘客乘坐舒适性造成直接的影响，本发明的绕组错位连续极电机结构成本低，输出转矩特性优良，可广泛应用于新能源电动汽车驱动系统。本发明的模块化定子铁芯上的绕组绕制方式适用于电机槽数和极数相差1的单元电机和以此类单元电机为子电机的电机，单元电机极数和槽数满足Ns=2P±1，Ns为单元电机定子铁芯槽数，P为单元电机极对数，其中，以3槽2极为单元电机的电机除外。
[0039] 本发明的一种绕组错位轮毂电机定子，所述定子包括定子铁芯，所述定子铁芯包括多个模块化定子铁芯12，每个模块化定子铁芯12包括一个中间齿和分别位于中间齿两侧的两个边齿，每个模块化定子铁芯的三个齿呈弧形排列，所述模块化定子铁芯的数量为3的倍数，多个模块化定子铁芯12沿圆周彼此连接后形成沿圆周排列的多个齿，定子铁芯上设有三相错位绕组24，三相错位绕组24的绕制方式为相邻的三个模块化定子铁芯为一组，每组内三个模块化定子铁芯中第一个模块化定子铁芯上设有A相线圈绕组，第二个模块化定子铁芯上设有C相线圈绕组，第三个模块化定子铁芯上设有B相线圈绕组，每个模块化定子铁芯12中相同位置的一个或两个边齿上的绕组分多层绕制，每个边齿上各层绕组的相位不同，其余齿上设有单一相位绕组。
[0040] 进一步地，还包括设于定子铁芯内侧的定子支架26，间隔的多个模块化定子铁芯与定子支架连为一体，其他的模块化定子铁芯设于间隔的多个模块化定子铁芯之间，相邻的模块化定子铁芯在定子铁芯压接处15紧固连接。
[0041] 例如，定子铁芯包括九个模块化定子铁芯12，互差120°机械角度的三个模块化定子铁芯与定子支架连为一体，其他六个模块化定子铁芯两两设于间隔的多个模块化定子铁芯之间，相邻的模块化定子铁芯在定子铁芯压接处15紧固连接。
[0042] 以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，所属领域的普通技术人员应当理解：对本发明的具体实施方式进行
修改或者对部分技术特征进行等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明
请求保护的技术方案范围当中。
