分布式磁极行星转子永磁电机 |
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| 申请号 | CN202410300145.7 | 申请日 | 2024-03-15 | 公开(公告)号 | CN117955309A | 公开(公告)日 | 2024-04-30 |
| 申请人 | 哈尔滨工业大学; | 发明人 | 柴凤; 陈泳丹; 陈叹辞; 裴宇龙; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种分布式磁极行星 转子 永磁 电机 ，属于 电动机 技术领域。该分布式磁极行星转子永磁电机包括机壳和多个 定子 ，还包括：太阳轴，与所述机壳轴枢连接；多个行星转子，所述多个行星转子均布于所述太阳轴的外围，每个行星转子对应一个定子，每个行星转子包括行星轴、 铁 芯和 永磁体 ，所述行星轴与机壳轴枢连接，所述铁芯连接于所述行星轴一端，所述永磁体设于铁芯上，行星轴另一端与所述太阳轴齿接。本发明的分布式磁极行星转子永磁电机，利用多个行星转子共同驱动太阳轴转动，从而能提升转矩与功率 密度 的前提下，降低 机体 尺寸，减小电机机械应 力 ，从而有利于 轮毂 电机驱动系统的高速稳定运行。 | ||||||
| 权利要求 | 1.分布式磁极行星转子永磁电机，包括机壳(101)和多个定子(102)，其特征在于，还包括： |
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| 说明书全文 | 分布式磁极行星转子永磁电机技术领域背景技术[0002] 进入21世纪以来，电动汽车愈发普及于大众的生活中。为了提高电动汽车电驱动系统的过载能力，常采用高速永磁轮毂电机加减速器方案提升转矩与功率密度。此外，电机驱动系统各部分集成程度也在进一步提升。 [0003] 传统的电动汽车内的动力模块，一般是减速器与高速永磁轮毂电机分立设计与安置，高速永磁轮毂电机的输出端与减速器连接，高速轮毂电机的输出端高速转动，经减速器减速后，能够增大整个动力模块的转矩。 [0004] 然而现有的这种分体式动力模块，不但增加了额外的空间与体积，且为保证高速永磁轮毂电机的功率密度，高速永磁轮毂电机转子外径一般较大，从而在转子转动时会产生较大的机械应力，不利于高速永磁轮毂电机驱动系统的高速稳定运行。 发明内容[0005] 本发明的目的是为了克服现有技术中的问题，提供分布式磁极行星转子永磁电机，通过多个定子驱动多个行星转子同时转动，利用多个行星转子共同驱动太阳轴转动，从而能提升转矩与功率密度的前提下，降低机体尺寸，减小电机机械应力，从而有利于轮毂电机驱动系统的高速稳定运行。 [0006] 本发明提供了一种分布式磁极行星转子永磁电机，包括机壳和多个定子，还包括： [0007] 太阳轴，与所述机壳轴枢连接； [0008] 多个行星转子，所述多个行星转子均布于所述太阳轴的外围，每个行星转子对应一个定子，每个行星转子包括行星轴、铁芯和永磁体，所述行星轴与机壳轴枢连接，所述铁芯连接于所述行星轴一端，所述永磁体设于铁芯上，行星轴另一端与所述太阳轴齿接，每个行星转子上的永磁体设于其所对应的定子内侧。 [0009] 较佳地，每个行星转子上永磁体的极对数pr与定子产生的电枢磁场的等效极对数ps的关系为pr＝ps＝p，所述p为正整数，所述定子的相数为m相，所述行星转子的个数为n，m与n均为大于等于2的正整数，各相定子中通入对称分布的正弦电流。 [0010] 较佳地，相邻所述行星转子之间相差的机械角度为2π/n，磁极中心线相差机械角度为2π×k/(n×p)，参数k的取值需为0或2p，且n与m、p之间的函数关系需满足n＝l×GCD(n，p)×m，GCD(n，p)为n与p的最大公约数，l取正整数。 [0011] 较佳地，所述多个定子中通入对称分布多相电流，相邻两相电流相位差为h×2π/m，h为正整数，取值范围为1至m‑1，电机各行星转子磁极中心线相差角度不同时，绕组中电流相序也不同。 [0012] 较佳地，所述多个定子分为左右两排，左排的定子设于机壳左侧，右排的定子设于机壳右侧，每个行星转子上设有两组铁芯和永磁体，一组铁芯和永磁体设于行星轴的左侧，另一组铁芯和永磁体设于行星轴的右侧，左侧的铁芯和永磁体设于左排的定子的内侧，右侧的铁芯和永磁体设于右排的定子的内侧，所述太阳轴齿接于行星轴上左右两侧的铁芯和永磁体之间。 [0014] 较佳地，所述太阳轴上设有齿圈，每个行星轴通过其上的齿轮与所述齿圈啮合。 [0015] 较佳地，所述机壳包括左端盖、左壳体、右壳体和右端盖，左端盖设于左壳体左侧，右端盖设于右壳体右侧，左壳体右侧与右壳体左侧连接，所述太阳轴一端轴枢连接于左端盖上，太阳轴另一端轴枢连接左壳体中部，每个行星轴的一端与左端盖轴枢连接，每个行星轴的另一端与右端盖轴枢连接。 [0016] 较佳地，所述永磁体采用表面式、内置式结构。 [0017] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的分布式磁极行星转子永磁电机，通过多个定子驱动多个行星转子同时转动，利用多个行星转子共同驱动太阳轴转动，从而能提升转矩与功率密度的前提下，降低机体尺寸，减小电机机械应力，从而有利于轮毂电机驱动系统的高速稳定运行。 [0018] 当pr＝ps＝p时电机的基波反电动势最大，从而能提升电机的功率密度，将m与n均设置为大于等于2的正整数，能在满足电机功率密度的前提下，兼顾经济性需求。当驱动电压、电流满足上述的幅值相等、相序相同、相位均布的关系时，电机能有效利用驱动器的母线电压，且可以输出平稳的电磁转矩。太阳轴上输出转矩的直流分量为各行星转子输出转矩直流分量之和与减速比之乘积，能将二倍频脉动分量消去，实现平稳的电磁转矩输出。将多个定子分为左右两排，左右两侧的铁芯和磁永磁体共同驱动行星轴转动，从而驱动整个行星转子转动，能够进一步提升整个电机的输出转矩以及输出转矩的稳定性。每个行星轴在转动时通过各自的齿轮驱动太阳轴转动，通过将各行星轴上的齿轮的齿数设置为相同，能够保证每个行星轴对太阳轴施加的驱动力平衡，从而进一步提升电机高速运动时的稳定性。附图说明 [0019] 图1为本发明第一种实施例的结构示意图； [0020] 图2为本发明第二种实施例的结构示意图； [0021] 图3为本发明第三种实施例的结构示意图； [0023] 图5为本发明的电机转子与其对应转矩波形示意图。 [0024] 附图标记说明： [0025] 101.机壳，102.定子，103.太阳轴，104.行星转子，105.行星轴，106.铁芯，107.永磁体，2.齿轮，3.齿圈，401.左端盖，402.左壳体，403.右壳体，404.右端盖。 具体实施方式[0026] 下面结合附图1‑5，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。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。 [0027] 如图1‑5所示，本发明提供的分布式磁极行星转子永磁电机，包括机壳101和多个定子102，还包括：太阳轴103和多个行星转子104，太阳轴103与所述机壳101轴枢连接；多个行星转子104所述多个行星转子104均布于所述太阳轴103的外围，每个行星转子104对应一个定子102，每个行星转子104包括行星轴105、铁芯106和永磁体107，所述行星轴105与机壳101轴枢连接，所述铁芯106连接于所述行星轴105一端，所述永磁体107设于铁芯106上，行星轴105另一端与所述太阳轴103齿接，每个行星转子104上的永磁体107设于其所对应的定子102内侧。 [0028] 现简述上述实施例的工作原理： [0029] 本电机的各行星转子104的尺寸结构相同，且转子几何中心与定子102几何中心之间的偏心距相同。行星轴105与太阳轴103上均具有齿轮2，定子102与多个行星转子104同轴套装在一起，采用外定子102内行星转子104结构。本电机在使用时，向各相定子102中通入对称分布的正弦电流。各相定子102产生绕组产生的电枢磁场，驱动其内侧所对应的行星转子104的铁芯106和永磁体107转动，从而驱动行星轴105转动，多个转动的行星轴105同时驱动太阳轴103转动，从而能够起到提升转矩与功率密度的作用。 [0030] 本发明的分布式磁极行星转子永磁电机，通过多个定子驱动多个行星转子104同时转动，利用多个行星转子104共同驱动太阳轴103转动，从而能提升转矩与功率密度的前提下，降低机体尺寸，减小电机机械应力，从而有利于轮毂电机驱动系统的高速稳定运行。 [0031] 在上述实施例的基础上，为了提升电机的功率密度，并在满足电机功率密度的前提下，兼顾经济性需求。 [0032] 如图4和5所示，其中，每个行星转子104上永磁体107的极对数pr与定子102产生的电枢磁场的等效极对数ps的关系为pr＝ps＝p，所述p为正整数，所述定子102的相数为m相，所述行星转子104的个数为n，m与n均为大于等于2的正整数，各相定子102中通入对称分布的正弦电流。 [0033] 当pr＝ps＝p时电机的基波反电动势最大，从而能提升电机的功率密度，电机需要在有限的尺寸空间下，输出尽可能大的电磁转矩，以保证高功率密度的需求。n的值越大，行星转子104的个数越多，便可获得更高的功率密度，但永磁体107的用量也就更多。将m与n均设置为大于等于2的正整数，能在满足电机功率密度的前提下，兼顾经济性需求。 [0034] 作为一种优选方案，如图4和5所示，其中，相邻所述行星转子104之间相差的机械角度为2π/n，磁极中心线相差机械角度为2π×k/(n×p)，参数k的取值需为0或2p，且n与m、p之间的函数关系需满足n＝l×GCD(n，p)×m，GCD(n，p)为n与p的最大公约数，l取正整数。电动汽车用永磁轮毂电机系统在实际工作运行时，常采用三相既m＝3驱动器逆变供电，m＝3的条件下可选择n的最小值为3，即各相驱动电压由脉冲宽度调制的方式得到。若各相电压的幅值不相同或相位不均布时，一方面无法对直流母线电压实现有效利用，另一方面行星转子104的二倍频脉振分量将不能被消去，在实际系统中需要避免。当各相驱动电压基波幅值相同，且相位相差2π/3时，可在电机定子102上获得幅值相等，相序相同且相位相差2π/3的三相电流。对于各行星转子104，直流分量可直接相加，且二倍频的脉振分量相差2π/3，在求和时可消去。当驱动电压、电流满足上述的幅值相等、相序相同、相位均布的关系时，电机能有效利用驱动器的母线电压，且可以输出平稳的电磁转矩。 [0035] 作为一种优选方案，如图4和5所示，其中，所述多个定子102中通入对称分布多相电流，相邻两相电流相位差为h×2π/m，h为正整数，取值范围为1至m‑1，电机各行星转子104磁极中心线相差角度不同时，绕组中电流相序也不同。 [0036] 本实施方式中，参数k的取值为0或2p，且n与m，p之间的函数关系需满足n＝l×GCD(n，p)×m，GCD(n，p)为n与p的最大公约数，l为正整数。该数学关系具体包括一下配合：n＝3、m＝3、p＝1；n＝3、m＝3、p＝2；n＝3、m＝3、p＝4；n＝4、m＝4、p＝1；n＝4、m＝4、p＝3……。 电机正常工作时，定子102中通入对称多相电流，相邻两相电流相位差为h×2π/m，h为正整数，取值范围为1至m‑1。电机各行星转子104磁极中心线相差角度不同时，绕组中电流相序也不同。当参数k取0时，h取1；当参数k取2p时，h取m‑1。此时m相绕组中端电压相序与电流相序相同，各行星转子104能合成平稳的电磁转矩。例如n＝3、m＝3、p＝1、k＝0时的结构情况。 定子102中反电动势与通电电流波形如图4所示。各行星转子104输出的电磁转矩如图5所示。从图5中的结果可知，各行星转子104输出的电磁转矩主要包含直流分量以及二倍基频脉动分量。当采用行星轴105与太阳轴103啮合的方式，将各行星轴105输出的转矩进行求和，可得到太阳轴103上输出转矩。太阳轴103上输出转矩的直流分量为各行星转子104输出转矩直流分量之和与减速比之乘积，能将二倍频脉动分量消去，实现平稳的电磁转矩输出。 [0037] 作为一种优选方案，如图1所示，其中，所述多个定子102分为左右两排，左排的定子102设于机壳101左侧，右排的定子102设于机壳101右侧，每个行星转子104上设有两组铁芯106和永磁体107，一组铁芯106和永磁体107设于行星轴105的左侧，另一组铁芯106和永磁体107设于行星轴105的右侧，左侧的铁芯106和永磁体107设于左排的定子102的内侧，右侧的铁芯106和永磁体107设于右排的定子102的内侧，所述太阳轴103齿接于行星轴105上左右两侧的铁芯106和永磁体107之间。将多个定子102分为左右两排，左排的定子102通电后驱动行星转子104上左侧的铁芯106和永磁体107转动，右排的定子102通电后驱动行星转子104上右侧的铁芯106和永磁体107转动，左右两侧的铁芯106和磁永磁体107共同驱动行星轴105转动，从而驱动整个行星转子104转动，太阳轴103齿接于行星轴105上左右两侧的铁芯106和永磁体107之间，多个行星转子104共同驱动太阳轴103转动，从而能够进一步提升整个电机的输出转矩以及输出转矩的稳定性。 [0038] 作为一种优选方案，如图1所示，其中，所述每个行星轴105上均设有齿轮2，各行星轴105上的齿轮2齿数相同，各行星轴105上通过其上的齿轮2与太阳轴103上啮合。每个行星轴105在转动时通过各自的齿轮2驱动太阳轴103转动，通过将各行星轴105上的齿轮2的齿数设置为相同，能够保证每个行星轴105对太阳轴103施加的驱动力平衡，从而进一步提升电机高速运动时的稳定性。 [0039] 作为一种优选方案，如图3所示，其中，所述太阳轴103上设有齿圈3，每个行星轴105通过其上的齿轮2与所述齿圈3啮合。行星轴105上与太阳轴103上的齿轮2可采用直齿式或斜齿式实现，通过在太阳轴103上设置齿圈3，不仅能够将各行星转子104提供的电磁转矩求和，消去二倍频脉振分量，还能将得到的平稳电磁转矩从太阳轴103上输出。且由于各齿轮2之间相互啮合，因此电机中各永磁行星转子104磁极中心线的相对位置能够在运行时保持不变。 [0040] 作为一种优选方案，如图1‑3所示，其中，所述机壳包括左端盖401、左壳体402、右壳体403和右端盖404，左端盖401设于左壳体402左侧，右端盖404设于右壳体403右侧，左壳体402右侧与右壳体403左侧连接，所述太阳轴103一端轴枢连接于左端盖401上，太阳轴103另一端轴枢连接左壳体402中部，每个行星轴105的一端与左端盖401轴枢连接，每个行星轴105的另一端与右端盖404轴枢连接。通过将机壳101设置为左端盖401、左壳体402、右壳体 403和右端盖404，能够方便机壳101内太阳轴103的安装与拆卸，从而方便整个电机的安装与维护。 [0041] 作为一种优选方案，如图1‑3所示，其中，所述永磁体107采用表面式、内置式结构。 |
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