CN103560634B - 电动汽车用内置式永磁同步电机 - Google Patents

Abstract

一种电动汽车用内置式永磁同步电机，涉及电机技术领域，所解决的是降低电机力矩波动的技术问题。该电机包括定子和转子，所述定子呈环状，其内圈交替形成有多个定子齿及多个定子槽，所述定子槽的槽口正对转子，所述定子齿朝向定子环心的一端为定子齿的齿端，定子齿的齿端端面为定子齿的齿面，定子齿的数量是三的倍数，每个定子齿的齿面均开设有至少一个齿端凹槽，所述齿端凹槽在定子齿的径向截面中呈半圆形，且齿端凹槽的槽口朝向定子环心，相邻定子齿上的齿端凹槽的数量和/或布设位置彼此相异。本发明提供的电机，能降低电机力矩波动，且生产工艺简单。

Description

电动汽车用内置式永磁同步电机

技术领域

齿槽力矩也称磁阻力矩，是自动化场合、机电一体化场合的调速系统中致命缺陷，磁阻力矩及齿槽力矩波动较大，会导致电机功率密度低，高速恒功率范围窄、过载能力低和可靠性差等缺陷。

背景技术

图5是电动汽车用内置式永磁同步电机的d轴、q轴示意图，如图5所示，电机的d轴（直轴）磁通经过磁导率很小（磁阻很大，接近空气）的永磁体53，因此d轴电感Ld较小，电机的q轴（交轴）磁通经过磁导率很大（磁阻很小）的转子铁心52，因此q轴电感Lq较大，内置式永磁同步电机转子为典型的凸极结构，凸极效应（凸极率）显著，交轴电感大于直轴电感（Lq＞Ld），使得电机在永磁转矩的基础上迭加了磁阻转矩，磁阻转矩的存在有助于提高电机的起动特性、过载能力和功率密度，易于弱磁调速，扩大恒功率范围运行。

电机的转矩为：

式中：T为转矩，P为极对数，为磁链，为直轴电感，为交轴电感，为直轴电流，为交轴电流，为电磁转矩，为磁阻转矩；

图6是电动汽车用内置式V型永磁同步电机的径向截面示意图，其中的图6a是转子的径向截面示意图，图6b是径向力示意图，图6c是d轴的径向力示意图，图6d是q轴的径向力示意图；

如图6a所示，V型径向磁化矩形条状磁钢621均匀镶在永磁槽中，与极靴622构成磁极；

如图6b所示，磁钢径向中心角为φ1，极弧角为2φ2，磁极径向中心线为d轴，极间中心线为q轴；

由图6c和图6d可知：d轴永磁磁通密度高，与定子齿的齿面产生的径向力大，q轴永磁磁通密度低，与定子齿的齿面产生的径向力小，由于d轴、q轴处于定子齿齿面产生的径向力差异和变化，使电机运行时产生较大的机械振动、噪音和力矩波动。

降低电机力矩波动可以提高电机性能，现有降低电机力矩波动的方法主要有分数槽法、辅助槽法、辅助齿法、斜槽法、斜极法、闭口槽法和磁化槽楔法等，这些方法各有利弊，但总是难以有效消除齿槽效应。提高齿槽转矩波动的基波次数（频率），就能有效减小齿槽基波和高次谐波转矩幅值，降低齿槽引起的力矩波动，长期以来，降低力矩波动的措施之一就是增加定子槽数，提高齿槽转矩波动的基波次数（频率），但这样生产工艺复杂，定子槽下线困难增加，效率也降低；降低力矩波动的措施之二就是定子铁芯斜槽（定子铁心轴向扭转一定的角度），但这样同样使生产工艺复杂，而且使定子槽面积减小，降低出力，得不偿失。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种能降低电机力矩波动，且生产工艺简单的电动汽车用内置式永磁同步电机。

为了解决上述技术问题，本发明所提供的一种电动汽车用内置式永磁同步电机，包括定子和转子，所述定子呈环状，其内圈交替形成有多个定子齿及多个定子槽，所述定子槽的槽口正对转子，所述定子齿朝向定子环心的一端为定子齿的齿端，定子齿的齿端端面为定子齿的齿面，定子齿的数量是三的倍数，其特征在于：

每个定子齿的齿面均开设有至少一个齿端凹槽，所述齿端凹槽在定子齿的径向截面中呈半圆形，且齿端凹槽的槽口朝向定子环心，相邻定子齿上的齿端凹槽的数量和/或布设位置彼此相异。

进一步的，各定子齿分成三类，分别为A类齿、B类齿、C类齿，各定子齿的排列方式为：沿定子的周向，重复A类齿、B类齿、C类齿这一顺序；

定子齿的径向截面中，定子齿的齿面有三个布槽点，该三个布槽点分别为第一布槽点、第二布槽点、第三布槽点，且该三个布槽点在定子齿的齿面上沿定子的周向等距间隔分布，其中的第二布槽点位于定子齿的齿面中心；

A类齿、C类齿各有一个齿端凹槽，B类齿有两个齿端凹槽，A类齿的齿端凹槽布设在第二布槽点，B类齿的两个齿端凹槽分别布设在第一布槽点、第三布槽点，C类齿的齿端凹槽布设在第三布槽点。

进一步的，所述定子槽的数量有12个或18个或24个。

进一步的，所述定子齿的数量是四的倍数；

各定子齿分成四类，分别为A类齿、B类齿、C类齿、D类齿，各定子齿的排列方式为：沿定子的周向，重复A类齿、B类齿、D类齿、C类齿这一顺序；

定子齿的径向截面中，定子齿的齿面有三个布槽点，该三个布槽点分别为第一布槽点、第二布槽点、第三布槽点，且该三个布槽点在定子齿的齿面上沿定子的周向等距间隔分布，其中的第二布槽点位于定子齿的齿面中心；

A类齿、C类齿、D类齿各有一个齿端凹槽，B类齿有两个齿端凹槽，A类齿的齿端凹槽布设在第二布槽点，B类齿的两个齿端凹槽分别布设在第一布槽点、第三布槽点，C类齿的齿端凹槽布设在第三布槽点，D类齿的齿端凹槽布设在第一布槽点。

进一步的，所述定子槽的数量有24个。

进一步的，所述定子槽的径向截面具有如下特征：定子槽的槽底两角部具有倒角，定子槽有一中心线，该中心线经过转子的轴心，并将定子槽的径向截面分成对称的两半。

进一步的，所述定子槽的槽底两角部的倒角面交汇于定子槽的中心线。

本发明提供的电动汽车用内置式永磁同步电机，在各定子齿的齿面开设半圆形的齿端凹槽，相当于增加电机的定子槽数量，从而在实际不增加定子槽数量的情况下，提高了齿槽转矩波动的基波次数（频率），减小了齿槽基波和高次谐波转矩幅值，降低齿槽引起的转矩波动，使d轴与q轴径向力趋于平衡，能降低机械振动、噪音、振动和反电势谐波，减少铁心损耗，实现电机高效、高功率密度、高可靠性、低噪、低波动平稳运行等特点，而且生产工艺简单。另外，定子槽的槽底两角部具有倒角，能减小定子齿的齿根端应力及磁路饱和，从而抑制静态和动态电枢反应，能显著减小转子高速运行时的噪音、机械振动和定子铁心变形，特别是可显著减小反电势谐波分量，使有效降低反电势总谐波失真，有利于电机频繁启动，具有较高的过载能力和可靠性。

附图说明

图1是本发明第一实施例的电动汽车用内置式永磁同步电机的定子齿排列方式示意图；

图2是本发明第二实施例的电动汽车用内置式永磁同步电机的定子齿排列方式示意图；

图3是本发明第三实施例的电动汽车用内置式永磁同步电机的定子槽结构示意图；

图4是本发明第四实施例的电动汽车用内置式永磁同步电机的定子槽结构示意图；

图5是电动汽车用内置式永磁同步电机的d轴、q轴示意图；

图6是电动汽车用内置式V型永磁同步电机的径向截面示意图，其中的图6a是转子的径向截面示意图，图6b是径向力示意图，图6c是d轴的径向力示意图，图6d是q轴的径向力示意图；

图7是本发明第一实施例的电动汽车用内置式永磁同步电机的齿槽力矩波形图；

图8是现有永磁同步电机的齿槽力矩波形图；

图9是现有电动汽车用内置式永磁同步电机的工作特性曲线；

图10是本发明第三实施例的电动汽车用内置式永磁同步电机的工作特性曲线。

具体实施方式

以下结合附图说明对本发明的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。

如图1所示，本发明第一实施例所提供的一种电动汽车用内置式永磁同步电机，包括定子和转子，所述定子呈环状，其内圈交替形成有多个定子齿及多个定子槽16，所述定子槽16的槽口正对转子，所述定子齿朝向定子环心的一端为定子齿的齿端，定子齿的齿端端面为定子齿的齿面，定子齿的数量是三的倍数，其特征在于：

每个定子齿的齿面均开设有至少一个齿端凹槽19，所述齿端凹槽19在定子齿的径向截面中呈半圆形，且齿端凹槽19的槽口朝向定子环心，相邻定子齿上的齿端凹槽19的数量和/或布设位置彼此相异；

各定子齿分成三类，分别为A类齿11、B类齿12、C类齿13，各定子齿的排列方式为：沿定子的周向，重复A类齿11、B类齿12、C类齿13这一顺序；

定子齿的径向截面中，定子齿的齿面有三个布槽点，该三个布槽点分别为第一布槽点、第二布槽点、第三布槽点，且该三个布槽点在定子齿的齿面上沿定子的周向等距间隔分布，其中的第二布槽点位于定子齿的齿面中心；

A类齿11、C类齿13各有一个齿端凹槽，B类齿12有两个齿端凹槽，A类齿11的齿端凹槽19布设在第二布槽点，B类齿12的两个齿端凹槽19分别布设在第一布槽点、第三布槽点，C类齿13的齿端凹槽19布设在第三布槽点。

本发明第一实施例中，所述定子槽16的数量有12个或18个或24个。

本发明第一实施例的电动汽车用内置式永磁同步电机，能降低电机运行时的机械振动、噪音、振动和反电势谐波，能减少铁心损耗，可实现电机高效、高功率密度、高可靠性、低噪、低波动平稳运行。

图7是本发明第一实施例的电动汽车用内置式永磁同步电机的齿槽力矩波形图，图中的Tcog轴（竖轴）为齿槽力矩数值轴，θ轴（横轴）为电机转矩角数值轴，该电机的额定功率为12KW，额定力矩为57.3Nm，同步转速为2000转/分，实际测得该电机工作时的齿槽力矩峰值为0.58Nm，齿槽力矩波动为1.01%。

图8是现有永磁同步电机的齿槽力矩波形图，图中的Tcog轴（竖轴）为齿槽力矩数值轴，θ轴（横轴）为电机转矩角数值轴，该电机的额定功率为12KW，额定力矩为57.3Nm，同步转速为2000转/分，实际测得该电机工作时的齿槽力矩峰值为6Nm，齿槽力矩波动为10.47%。

由图7、图8测得的数据可见，本发明第一实施例相对现有永磁同步电机，齿槽力矩波动从10.47%减少到1.01%，电机性能的峰值齿槽力矩得到有效的抑制，使电机综合品质大幅度提高，能有效提高电机的综合性能，能实现高功率密度、低噪、低力矩波动、宽调速、快响应、频繁启动和平稳运行，能满足电动、混合动力汽车驱动要求。

如图2所示，本发明第二实施例所提供的一种电动汽车用内置式永磁同步电机，包括定子和转子，所述定子呈环状，其内圈交替形成有多个定子齿及多个定子槽26，所述定子槽26的槽口正对转子，所述定子齿朝向定子环心的一端为定子齿的齿端，定子齿的齿端端面为定子齿的齿面，定子齿的数量是三的倍数且定子齿的数量是四的倍数，其特征在于：

每个定子齿的齿面均开设有至少一个齿端凹槽29，所述齿端凹槽29在定子齿的径向截面中呈半圆形，且齿端凹槽29的槽口朝向定子环心，相邻定子齿上的齿端凹槽29的数量和/或布设位置彼此相异；

各定子齿分成四类，分别为A类齿21、B类齿22、C类齿23、D类齿24，各定子齿的排列方式为：沿定子的周向，重复A类齿21、B类齿22、D类齿24、C类齿23这一顺序；

定子齿的径向截面中，定子齿的齿面有三个布槽点，该三个布槽点分别为第一布槽点、第二布槽点、第三布槽点，且该三个布槽点在定子齿的齿面上沿定子的周向等距间隔分布，其中的第二布槽点位于定子齿的齿面中心；

A类齿21、C类齿23、D类齿24各有一个齿端凹槽，B类齿22有两个齿端凹槽，A类齿21的齿端凹槽29布设在第二布槽点，B类齿22的两个齿端凹槽29分别布设在第一布槽点、第三布槽点，C类齿23的齿端凹槽29布设在第三布槽点，D类齿24的齿端凹槽29布设在第一布槽点。

本发明第二实施例中，所述定子槽26的数量有24个。

本发明第二实施例的电动汽车用内置式永磁同步电机，能降低电机运行时的机械振动、噪音、振动和反电势谐波，能减少铁心损耗，可实现电机高效、高功率密度、高可靠性、低噪、低波动平稳运行。

如图3所示，本发明第三实施例所提供的一种电动汽车用内置式永磁同步电机，包括定子和转子，所述定子呈环状，其内圈交替形成有多个定子齿31及多个定子槽32。

本发明第三实施例的结构特征与与本发明第一实施例类似，本发明第三实施例与本发明第一实施例的区别特征在于：定子槽32的槽形不同。

本发明第三实施例中，所述定子槽32的径向截面具有如下特征：定子槽32的槽底两角部具有倒角43，定子槽32有一中心线X，该中心线X经过转子的轴心，并将定子槽32的径向截面分成对称的两半。

本发明第三实施例的电动汽车用内置式永磁同步电机，能降低电机运行时的机械振动、噪音、振动和反电势谐波，能减少铁心损耗，可实现电机高效、高功率密度、高可靠性、低噪、低波动平稳运行。

以额定功率为12KW，额定力矩为57.3Nm，同步转速为2000转/分的电机为例，经实测：

本发明第三实施例的电动汽车用内置式永磁同步电机实际测得：电机工作时的齿槽力矩峰值为0.3Nm，齿槽力矩波动为0.52%；

现有永磁同步电机实际测得：电机工作时的齿槽力矩峰值为6Nm，齿槽力矩波动为10.47%。

由实测数据可见，本发明第三实施例相对现有永磁同步电机，齿槽力矩波动从10.47%减少到0.52%，电机性能的峰值齿槽力矩得到有效的抑制，使电机综合品质大幅度提高，能有效提高电机的综合性能，能实现高功率密度、低噪、低力矩波动、宽调速、快响应、频繁启动和平稳运行，能满足电动、混合动力汽车驱动要求。

如图4所示，本发明第四实施例所提供的一种电动汽车用内置式永磁同步电机，包括定子和转子，所述定子呈环状，其内圈交替形成有多个定子齿41及多个定子槽42。

本发明第四实施例的结构特征与与本发明第一实施例类似，本发明第四实施例与本发明第一实施例的区别特征在于：定子槽42的槽形不同。

本发明第四实施例中，所述定子槽42的径向截面具有如下特征：定子槽32的槽底两角部具有倒角43，定子槽42有一中心线Y，该中心线Y经过转子的轴心，并将定子槽42的径向截面分成对称的两半，定子槽42的槽底两角部的倒角面交汇于定子槽的中心线。

本发明第三、第四实施例中的各定子齿也可以采用本发明第二实施例中的定子齿结构及布设方式。

本发明第一、第二、第三、第四实施例的电动汽车用内置式永磁同步电机，能降低电机运行时的机械振动、噪音、振动和反电势谐波，能减少铁心损耗，可实现电机高效、高功率密度、高可靠性、低噪、低波动平稳运行。

图9是现有的额定功率为11.5KW的电动汽车用内置式永磁同步电机的工作特性曲线，图10是本发明第三实施例的额定功率为11.5KW的电动汽车用内置式永磁同步电机的工作特性曲线；

图9、图10中，竖轴P为电机输出功率数值轴，竖轴I为电流数值轴，竖轴η为效率数值轴，横轴θ为转矩角数值轴，曲线P为输出功率曲线，曲线I为电流曲线，曲线η为效率曲线，Pn为额定输出功率，In为额定电流，ηn为额定效率值，θn为额定转矩角；

由图9、图10可见，现有的额定功率为11.5KW的电动汽车用内置式永磁同步电机的额定点效率为92%，本发明第三实施例的电动汽车用内置式永磁同步电机的额定点效率为94.35%，本发明第三实施例相比同规格的现有电机，电机效率得到明显提升。

Claims (4)

1.一种电动汽车用内置式永磁同步电机，包括定子和转子，所述定子呈环状，其内圈交替形成有多个定子齿及多个定子槽，所述定子槽的槽口正对转子，所述定子齿朝向定子环心的一端为定子齿的齿端，定子齿的齿端端面为定子齿的齿面，定子齿的数量是三的倍数；

每个定子齿的齿面均开设有至少一个齿端凹槽，所述齿端凹槽在定子齿的径向截面中呈半圆形，且齿端凹槽的槽口朝向定子环心，相邻定子齿上的齿端凹槽的数量和/或布设位置彼此相异；

其特征在于：各定子齿分成三类，分别为A类齿、B类齿、C类齿，各定子齿的排列方式为：沿定子的周向，重复A类齿、B类齿、C类齿这一顺序；

定子齿的径向截面中，定子齿的齿面有三个布槽点，该三个布槽点分别为第一布槽点、第二布槽点、第三布槽点，且该三个布槽点在定子齿的齿面上沿定子的周向等距间隔分布，其中的第二布槽点位于定子齿的齿面中心；

A类齿、C类齿各有一个齿端凹槽，B类齿有两个齿端凹槽，A类齿的齿端凹槽布设在第二布槽点，B类齿的两个齿端凹槽分别布设在第一布槽点、第三布槽点，C类齿的齿端凹槽布设在第三布槽点。

2.根据权利要求1所述的电动汽车用内置式永磁同步电机，其特征在于：所述定子槽的数量有12个或18个或24个。

3.一种电动汽车用内置式永磁同步电机，包括定子和转子，所述定子呈环状，其内圈交替形成有多个定子齿及多个定子槽，所述定子槽的槽口正对转子，所述定子齿朝向定子环心的一端为定子齿的齿端，定子齿的齿端端面为定子齿的齿面，定子齿的数量是三的倍数；

每个定子齿的齿面均开设有至少一个齿端凹槽，所述齿端凹槽在定子齿的径向截面中呈半圆形，且齿端凹槽的槽口朝向定子环心，相邻定子齿上的齿端凹槽的数量和/或布设位置彼此相异；

其特征在于：所述定子齿的数量是四的倍数；

各定子齿分成四类，分别为A类齿、B类齿、C类齿、D类齿，各定子齿的排列方式为：沿定子的周向，重复A类齿、B类齿、D类齿、C类齿这一顺序；

定子齿的径向截面中，定子齿的齿面有三个布槽点，该三个布槽点分别为第一布槽点、第二布槽点、第三布槽点，且该三个布槽点在定子齿的齿面上沿定子的周向等距间隔分布，其中的第二布槽点位于定子齿的齿面中心；

A类齿、C类齿、D类齿各有一个齿端凹槽，B类齿有两个齿端凹槽，A类齿的齿端凹槽布设在第二布槽点，B类齿的两个齿端凹槽分别布设在第一布槽点、第三布槽点，C类齿的齿端凹槽布设在第三布槽点，D类齿的齿端凹槽布设在第一布槽点。

4.根据权利要求3所述的电动汽车用内置式永磁同步电机，其特征在于：所述定子槽的数量有24个。