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1、(10)申请公布号 CN 103001360 A (43)申请公布日 2013.03.27 CN 103001360 A *CN103001360A* (21)申请号 201210472407.5 (22)申请日 2012.11.19 H02K 1/27(2006.01) H02P 6/18(2006.01) (71)申请人 吴正林 地址 315300 浙江省宁波市杭州湾新区晓塘 路 11 号 (72)发明人 黄文新 吴正林 (74)专利代理机构 宁波诚源专利事务所有限公 司 33102 代理人 张一平 陈洪娜 (54) 发明名称 一种永磁磁阻型轮毂电机 (57) 摘要 一种永磁磁阻型轮毂电机。
2、， 包括外转子和内 定子， 内定子上设置有三相绕组， 外转子沿周向均 布设置有磁钢， 其特征在于 ： 外转子的内圆周面 成型有间隔设置的凹槽， 磁钢嵌设于凹槽内， 磁 钢截面呈矩形， 所有磁钢面向内定子的极性相同 ； 相邻凹槽之间形成有导磁凸极， 导磁凸极和磁钢 为间隔交替设置， 导磁凸极面向内定子一侧端的 截面曲线呈外凸的弧形 ； 外转子的槽数和磁极数 采用近槽配合方式。本发明的优点在于 ： 在不增 加工艺复杂度的前提下， 能有效减少磁钢用量， 提 高磁阻转矩的输出 ； 导磁凸极采用弧形凸面， 有 效减小电机转矩脉动， 保证电机运转的平稳性， 提 高产品可靠性。 (51)Int.Cl. 权利。
3、要求书 1 页 说明书 6 页 附图 5 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 6 页 附图 5 页 1/1 页 2 1. 一种永磁磁阻型轮毂电机， 包括外转子和内定子， 其中， 所述的内定子上设置有三相 绕组， 所述外转子沿周向均布设置有磁钢， 其特征在于 ： 所述外转子的内圆周面成型有间隔 设置的凹槽， 所述磁钢嵌设于所述凹槽内， 所述磁钢截面呈矩形， 所有所述磁钢面向所述内 定子的极性相同 ； 相邻的所述凹槽之间形成有导磁凸极， 所述导磁凸极和所述磁钢为间隔 交替设置， 其中， 所述导磁凸极面向所述内定子一侧端的截面曲线呈外凸的弧形 。
4、； 并且， 所 述外转子的槽数和磁极数采用近槽配合方式。 2. 根据权利要求 1 所述的永磁磁阻型轮毂电机， 其特征在于 ： 所述的近槽配合为以下 两种方式之一 ： 、 以 9 槽 /8 极为基本单元的正整数倍 ； 、 以 9 槽 /10 极为基本单元的正 整数倍。 3. 根据权利要求 1 所述的永磁磁阻型轮毂电机， 其特征在于 ： 所述磁钢的极弧长度与 所述导磁凸极的极弧长度比值为 a:(1-a)， 其中， 0.40.6)， 输出磁阻转矩的效率能获得有效提高， 但同时磁钢的用量增加， 为了能够在最优效率的前提下， 同时减少磁钢的用量， a 的取值需 要在一个合适的范围内， 以 0.4 到 0。
5、.6 区间范围内为最佳。 0011 确定弧形凸极的凸面曲线的具体方法有多种， 可以由设计者在保证电机基本输出 能力的前提下， 通过优化确定， 作为优选， 所述导磁凸极的弧形可以优选地为由同一曲率半 径形成的圆弧凸面。 0012 作为另一优选， 所述导磁凸极的弧形也可以为由多段曲率半径不同的圆弧平滑过 渡形成的弧形凸面。 0013 与现有技术相比， 本发明的优点在于 ： 1、 对传统电动自行车的轮毂电机进行改进， 采用永磁和磁阻转矩组合输出的方式， 相比普通双极性磁钢的无刷直流电机， 在不增加工 艺复杂度的前提下， 能有效减少磁钢用量， 提高磁阻转矩的输出 ； 2、 导磁凸极采用弧形凸 面， 有。
6、效减小电机转矩脉动， 保证电机运转的平稳性， 提高产品可靠性 ； 3、 采用弧形凸面的 导磁凸极结构， 能够优化电感波形， 使电感波形随位置变化的极值点与磁极数一致， 在最大 与最小值间呈单调变化， 以便于观测转子磁极位置， 有利于实施无位置传感器控制技术 ； 4、 相邻的弧形导磁凸极之间自然形成凹槽， 有利于磁钢的嵌放定位， 减小漏磁。 5、 能够简化高 频注入转子位置信号提取算法， 省去霍尔元件， 节省材料并提高系统可靠性。 本发明的电机 既可用于电动自行车外转子电机， 也可用于电动摩托车电机。 说 明 书 CN 103001360 A 4 3/6 页 5 附图说明 0014 图 1 为本。
7、发明实施例的电机转子和定子配合的截面结构示意图 （磁钢未全放） 。 0015 图 2 为本发明实施例具有弧形导磁凸极的电机转子截面局部放大示意图。 0016 图 3 为现有技术中具有平行气隙导磁凸极的电机截面局部放大图。 0017 图 4 为本发明实施例的电机与图 3 所示现有技术电机的转矩波形对比图。 0018 图 5 为本发明实施例的电机与图 3 所示现有技术电机的相电感波形对比图。 0019 图 6 为现有技术中的双极性磁钢电机的电枢反应磁场数值分析图 （去掉磁钢） 。 0020 图 7 为本发明实施例电机的电枢反应磁场数值分析图 （去掉磁钢） 。 具体实施方式 0021 以下结合附图实。
8、施例对本发明作进一步详细描述。 0022 如图 1、 图 2 所示， 本实施例为一种用于电动自行车的永磁磁阻型轮毂电机， 该电 机采用外转子结构， 包括内定子 1、 外转子 2、 轴和轮毂外壳， 内定子 1 固定于轴上， 外转子 2 固定于轮毂外壳上， 轴和轮毂外壳采用的结构与常规电动自行车电机相同， 定子铁芯与常 规外转子无刷直流电机的定子结构相同， 本实施例的内定子 1 为 36 槽 （齿） 均匀分布， 定子 绕组 3 三相对称分布， 相位互差 120 度， 绕组 3 线圈集中绕制在一个齿上， 即线圈上下边放 置于相邻定子槽内。 0023 本实施例的外转子2在内圆周面成型有间隔设置的凹槽2。
9、1， 凹槽21内嵌设有磁钢 4， 磁钢 4 截面呈矩形， 所有磁钢 4 面向内定子 1 的极性相同 ； 相邻的凹槽 21 之间形成导磁 凸极22， 导磁凸极22和磁钢4为间隔交替设置， 导磁凸极22面向内定子1一侧端的截面曲 线呈外凸的弧形， 为有效利用磁阻转矩， 并减小转矩脉动， 外转子 2 的槽数和磁极数采用近 槽配合。 所谓近槽配合， 是指电机的磁极数与槽数相近的一种分数槽电机的极槽配合形式， 如以 9 槽 /8 极、 9 槽 /10 极等作为基本单元， 选择上述槽极配合的正整数倍数 （1、 2、 3、 4、 5、 6） 。对于低转速电机来说， 槽数多， 槽极配合可以为 36 槽 /32。
10、 极 （分别为 9 槽 /8 极的 四倍关系） ， 这种槽极配合常被用于电动自行车的轮毂电机设计中 ； 而高速电机的情况则相 反， 可以采用如 18/16 极 （为 9 槽 /8 极的二倍关系） 、 9 槽 /8 极 （为 9 槽 /8 极的一倍关系） 等。对于近槽配合的其他方式， 如槽数极数的偶数配合 12 槽 /10 极、 槽数磁极数较大的配 合 15 槽 /16 极或 15 槽 /14 极， 由于齿槽与导磁凸极的错位小或作用相抵， 不利于磁阻转矩 产生， 不宜采用。 0024 本实施例的极槽配合采用三相 36 槽 32 极的近槽配合配合方式， 将一台 36 槽的电 动自行车的普通无刷直流。
11、轮毂电机的定子冲片不变， 将转子换成本发明所提出的结构， 气 隙不变， 电机的磁钢厚度、 长度相同， 宽度略增 ； 样机试验结果表明， 电机的出力不变， 但原 方波驱动的无刷电机的最高效率为 84.6%， 而本实施例的正弦波驱动的电机最高效率提高 到 85.5%， 重要的是磁钢用量几乎减少一半。 0025 如图 2 所示， 本实施例导磁凸极的截面弧形曲线的具体确定方法有多种， 可以由 设计者通过多次有限元磁场分析确定， 在保证电机基本输出能力的前提下， 根据优化的出 发点不同， 来确定导磁凸极的弧形曲线的形状。本实施例对导磁凸极的外凸弧形曲面的确 定基于转矩脉动减小和电机相电感曲线随转子位置呈。
12、现规则变化这两个出发点， 通过多次 说 明 书 CN 103001360 A 5 4/6 页 6 磁场有限元数值分析优化选取。 0026 具体地， 该导磁凸极的外凸弧形端面可以为由同一曲率半径形成的圆弧凸面， 该 导磁凸极 22 的外凸端面的弧形边由两相邻交点 X、 Z 及转子内径与导磁凸极的外凸圆弧中 心线的交点 Y 三点确定 ； 外转子 2 沿周长均匀分成 16 等份， 每一等份由安装有磁钢 4 的 凹槽 21 和导磁凸极 22 组成， 且每一等份的长度为 2r1/16 ； 设定每一等份中磁钢 4 的极 弧长度占据该等份的总长度百分比为 a， 则导磁凸极 22 极弧长度占据的百分比为 (1。
13、-a)， 即磁钢 4 的极弧长度与导磁凸极 22 的极弧长度比值为 a:(1-a)， 于是， 磁钢 4 的长度 I1=(2r1a)/16， 磁钢 4 的厚度为 (r2-r1)， 导磁凸极 22 的长度 L2=2r1(1-a)/16， 其 中， r1为外转子 2 的内径， r2为与导磁凸极 22 的弧形端面相切的中心圆半径 ； 对于普通双 极性磁钢的永磁电机， 磁钢的气隙磁场分布必然是对称的， 但是采用本实施例提出的单极 性磁钢与弧形导磁凸极交替安排的新拓扑结构时， 永磁磁极与弧形导磁凸极所处的气隙磁 场分布实际上是不对称的， 这会对电机转矩的输出产生影响， 为使各谐波磁场最小化， 就需 选择合。
14、适的 a 值， 通过多次有限元数值分析优化确定， a 过大或过小均会影响电机性能 ； 如 果 a 取值过大 ( 如 a0.6)， 输出磁阻转矩的效率能获得有效提高， 但同时磁钢的用量增加， 当 a 取值过小 ( 如 a0.4)， 虽然能够减少磁钢用量， 但是输出磁阻转矩的效率降低 ； 实际设 计时， 应当配合齿顶宽度选取， 本实施例经电磁仿真优化， 优选地， 应以 0.4a0.6 为宜， 此 时， 能够使得电机性能达到最佳状态。另外， 本实施例导磁凸极 22 的截面弧形曲线也可采 用由多段曲率半径不同的圆弧平滑过渡形成， 曲率半径的实际大小可以通过磁场分析软件 分析后确定。 0027 图 3 。
15、是现有技术中具有导磁凸极的电机截面局部放大图， 该电机包括有定子 1 和 转子 2 ， 转子 2 内圈的导磁凸极 21 的凸面为矩形结构， 导磁凸极 21 和磁钢 3 之间形成 的是平行气隙 ； 本实施例采用局部模型有限元分析方法， 对电机性能进行模拟， 得到图 4、 图 5 所示的对比图。 0028 其中， 图 4 为具有平行气隙的导磁凸极的电机与具有弧形导磁凸极的电机转矩波 形对比， 两者的相电流均为 10A， 除转子结构外， 电机的其他部分均相同， 可以看到， 导磁凸 极的形状对转矩影响很大， 利用平行气隙的凸极 ( 矩形凸极 )， 当转子凸极与定子齿顶凸极 作相对运动移入移出时， 会有。
16、很大的转矩脉动及定位力矩， 使电机运转不平稳。 本实施例将 导磁凸极形状设计成中间外凸的弧形凸面， 弱化原平行气隙凸极边缘磁导的剧烈变化， 减 小转矩脉动， 电机运行更加平稳 ； 同时， 本实施例采用的磁钢 4 为矩形截面， 较普通瓦型磁 钢， 磁钢的利用率高， 磁钢 4 面向圆形的定子， 使得磁钢 4 中心气隙小于磁钢 4 边缘的气隙， 也有利于气隙磁场谐波含量， 于是， 弧形导磁凸极的边缘与矩形磁钢的边缘自然分离， 带来 的另一好处是可以减小永磁体漏磁。 0029 图 5 为具有平行气隙导磁凸极的电机与具有弧形导磁凸极的电机相电感波形对 比， 由对比结果可见， 本实施例为具有弧形导磁凸极的。
17、电机， 其电感按分区基本平滑变化， 可以通过检测各相的电感， 来推算转子磁极位置， 满足相关控制需要。 0030 本实施例电机的转矩方程如下 ： 0031 0032 该电机转矩由两部分组成， 一部分是永磁励磁的电磁转矩， 另一部分是磁阻转矩， 说 明 书 CN 103001360 A 6 5/6 页 7 普通永磁电机的磁阻转矩的产生依赖于提高交轴磁路磁导， 最有效的手段是采用磁钢内埋 式， 但是这样使电机结构复杂， 工艺成本增加， 不适合电动自行车电机采用。 0033 本实施例贴装的永磁磁钢的极性一样， 如同为 N 极 （或同为 S 极） ， 则导磁凸极表现 为 S 极 （或 N 极） ， 由。
18、此可产生常规的永磁励磁电磁转矩。以近槽配合 9 槽 /8 极单元为例， 定子的9个齿 （相当于定子的9个凸极， 称齿凸极） ， 每个齿绕一个集中绕组 （8/9短距） ， 即每 个槽跨过的极距为九分之八， 近槽配合使得绕组跨距与磁极极距接近， 各相绕组没有交叠， 对电枢反应磁场来说， 由于由于每个 9 槽 /8 极单元中的 4 个导磁凸极的存在， 使得电枢反 应磁场磁力线存在跨极距的闭合通路。 于是， 对照普通双极性磁钢的外转子轮毂电机， 其整 个外转子内侧均为低磁导的磁钢， 电枢反应磁场弱， 而本实施例的磁钢 4 与导磁凸极交替 排列， 电机的直轴磁路因磁钢的存在而磁阻较大， 与普通贴装双极性。
19、磁钢的电机差异不大， 但交轴磁路磁导由于导磁凸极的存在而与普通双极性磁钢的电机差异较大。 0034 图 6 和图 7 分别为电机的电枢反应磁场的数值分析图， 其中， 图 6 为普通双极性磁 钢的轮毂电机去掉磁钢后的电枢反应磁场的数值分析结果， 该分析过程中将导磁凸极设置 为与磁钢一样的导磁率 （即非导磁材料） ， 根据分析结果可以看到， 磁场很弱 ； 图 7 为将本实 施例电机的磁钢 4 去掉后的电枢反应磁场数值分析结果， 可以看到磁场大大增强， 采用本 实施例的弧形导磁凸极后， 电机可以形成可利用的磁阻转矩， 通过合适的控制策略 （如已有 的 FOC 控制策略） ， 可以实现磁阻转矩与电磁转。
20、矩的有效组合， 即在输出同样大小的转矩的 条件下， 可以减少电磁转矩， 从而减小永磁磁钢的用量。 0035 另一方面， 要利用磁阻转矩， 根据电机理论， 三相合成电流矢量必须与转子磁极轴 线保持一定的角度， 其转矩公式可表示成 ： 0036 0037 上式中， 为定子电流矢量和转子磁链 f（转子磁极轴线） 的夹角。显然， 调节 大小， 可实现每安培最大转矩磁场定向矢量 （FOC） 控制， 输出转矩一定， 增加磁阻力矩减 小电磁转矩， 也就是本实施例需要通过相适应的 FOC 控制技术才能发挥磁阻转矩、 以达到 减小磁钢用量目的。 0038 但是， 要实现每安培最大转矩 FOC 控制， 首先要知道。
21、转子磁极的轴线位置， 这就需 要安装光电编码器或旋转变压器等位置检测元件， 但是对于低成本的电动自行车来说， 安 装一个价格较贵的位置检测元件不会为市场接受， 这也是当前广泛采用低成本的霍尔元件 作为电动车无刷直流电机位置检测器的原因。通常， 电动自行车电机都是采用三个霍尔元 件作为检测元件， 在 360 电角度范围内， 仅输出 6 个位置变化信号， 这种检测方式用于转子 磁极位置的定位精度低， 不足以支持 FOC 算法。 0039 目前， 电机的无位置传感器技术已经得到广泛的研究， 并且由于控制芯片 DSP 性 价比的提升， 使得在电动自行车控制器中采用无位置传感器技术成为可能， 由此可以省。
22、掉 霍尔位置检测器及相关电路， 特别是霍尔器件是电动自行车电机的最主要的故障来源， 采 用无位置传感器技术大大提高整机的可靠性， 可减小后期维修成本。 0040 现有技术中的无位置传感器技术有多种可实现方案， 在电机处于中高速运转的情 况下， 各方案的技术性能无大的差别， 但是电动自行车的驱动要求有低速大转矩的能力， 保 证启动过程的平稳有力， 这使得高频电流注入电机相电感以观测检测转子位置的方法 （简 说 明 书 CN 103001360 A 7 6/6 页 8 称高频注入法） 成为首选。其中， 高频注入法的基本原理是检测电机的各相电压及电流， 提 取高频分量， 转子位置不同， 各相绕组电流。
23、中的高频电流分量的大小随转子位置不同而变 化， 根据电机的数学模型， 获知电机相电感， 即可按一定的算法推知转子位置。 0041 本实施例将外转子 2 的导磁凸极设计为弧形外凸的端面， 而不采用平行于定子外 圈的弧面 ( 平行气隙 )， 其主要目的是减小转矩脉动， 同时， 这种弧形导磁凸极结构还可以 使相电感值的变化表现为单峰值形状， 而不是双峰值， 使得无位置传感器技术的控制算法 （如高频注入法） 易于实施， 并且保证了检测的可靠性。 说 明 书 CN 103001360 A 8 1/5 页 9 图 1 说 明 书 附 图 CN 103001360 A 9 2/5 页 10 图 2 说 明 书 附 图 CN 103001360 A 10 3/5 页 11 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103001360 A 11 4/5 页 12 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 103001360 A 12 5/5 页 13 图 7 说 明 书 附 图 CN 103001360 A 13 。