CN120281114B - 一种车载电机的定转子结构及车载电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型车载电机的定转子结构及车载电机，包括转子和套设在转子外的定子；定子具有在铁芯间隔环布的齿部，齿部上具有绕组，任意两个相邻的齿部之间具有一个能够容纳绕组的齿槽；转子具有10个磁极，每个磁极的外表面都具有其对应的气隙线组，每段气隙线组至少包括一段外圆弧，每个磁极对应的外圆弧为非同心圆弧，外圆弧的圆心所组成的圆的圆心为转子的中心；每段气隙线组还包括位于外圆弧两侧的侧圆弧，外圆弧与侧圆弧之间还具有第二切平段。本发明所述的新型车载电机的定转子结构及电机，能够有效改善反电势谐波含量，降低转矩脉动，降低径向电磁力,减少电机转动时的噪声。

Description

一种车载电机的定转子结构及车载电机

技术领域

本发明涉及电机技术领域，具体涉及一种车载电机的定转子结构及车载电机。

背景技术

随着新能源汽车产业的快速发展，车载电机对高性能、小型化和低噪声的需求日益提高。永磁同步电机因其具有高效率、高功率密度和良好动态响应等优点，成为当前车载驱动系统的主流方案之一。在现有技术中，为了提高电机的转矩密度和凸极比，通常采用8极12槽的定转子结构，通过提升转子永磁体的磁通量，以实现较高的输出转矩。

虽然现有的8极12槽的定转子结构在转矩能力方面表现良好，但由于极槽配合方式及结构布置的限制，在提高转矩密度的同时，电机的齿槽转矩与径向电磁力亦显著增加。齿槽转矩的增强容易引发电机转矩波动，从而影响电机运行的平稳性；而径向电磁力的提升则是导致电机振动和噪音的主要因素，尤其在高速运行工况下更为明显，这种振动与噪音不仅影响整车的舒适性，也对电机本体的结构强度与寿命带来挑战。

发明内容

为了克服以上不足，本发明的目的是提供一种车载电机的定转子结构及车载电机，能够有效改善反电势谐波含量，降低转矩脉动，降低径向电磁力,减少电机转动时的噪声。

技术方案：本发明公开了一种车载电机的定转子结构，包括转子和套设在所述转子外的定子；

所述定子具有铁芯和15个在所述铁芯间隔环布的齿部，所述齿部上具有绕组，任意两个相邻的所述齿部之间具有一个能够容纳绕组的齿槽；

所述转子具有10个磁极，每个所述磁极的外表面都具有其对应的气隙线组，每段所述气隙线组至少包括一段外圆弧，每个所述磁极对应的所述外圆弧为非同心圆弧，所述外圆弧的圆心所组成的圆的圆心为所述转子的中心；

每段所述气隙线组还包括位于所述外圆弧两侧的侧圆弧，所述外圆弧与所述侧圆弧之间还具有第二切平段；

每一个所述齿部朝向所述转子的端部具有切平齿，所述切平齿具有朝所述齿部的两侧延伸的极靴，所述切平齿朝向所述转子的端面包括以所述转子的中心为圆心的第一圆弧和位于所述第一圆弧两侧的垂直于径向的第一切平段。

进一步的，位于所述齿部上的绕组的绕组系数为0.866。

进一步的，每个所述磁极包括以“一”字型设置的磁槽，每个所述磁槽具有N极磁铁和S极磁铁，任意两个相邻的所述磁槽的所述N极磁铁和所述S极磁铁间隔排布。

进一步的，所述外圆弧与所述转子的中心所成角度为所述气隙线组与所述转子的中心所成角度的0.75-0.8倍；所述侧圆弧的两端与所述转子的中心所成角度为所述气隙线与所述转子的中心所成角度的0.08-0.09倍。

进一步的，所述第二切平段的两端与所述转子的中心所成角度为所述气隙线组与所述转子中心所成角度的0.02-0.03倍。

进一步的，所述外圆弧的最高点至所述转子的中心距离为所述转子的外圆半径，所述外圆弧半径为所述转子外圆半径的0.72-0.77倍。

进一步的，任两个相邻的所述磁极相距1.0mm-1.2mm。

本发明还公开了一种车载电机，包括上述车载电机的定转子结构。

本发明的有益效果为：

1.本发明所述的定转子结构采用10极15槽的极槽配合形式，配合绕组系数为0.866，有利于提升电机的磁动势利用率，提高输出效率；气隙线组采用非同心圆弧与切平结构，结合不均匀气隙的设计，优化了气隙磁密分布，降低了谐波损耗，从而提升了整体效率和功率密度；

2.本发明所述的车载电机的定转子结构具有不均匀气隙，能够有效削弱电磁力波的谐波含量，从而显著降低运行过程中的电磁振动与噪音，提升车载电机的性能；

3.本发明所述的磁槽结构采用“一”字型设置且合理间隔，保证磁极间热扩散均匀，有利于降低热应力，提升车载电机运行稳定性和使用寿命；

4.本发明所述的气隙线组包括多段外圆弧与切平段，从而提高磁场利用效率，增强定子和转子之间的磁耦合，提高输出转矩，从而有助于精准控制磁通密度峰值位置，使得磁极作用更加均匀、有效。

附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。在附图中：

图1为本发明所述的车载电机的结构示意图；

图2为本发明所述的气隙线组的细节图；

图3为本发明所述的气隙线组的细节图；

图4为本发明与现有技术的EMF谐波对比柱状图；

图5为图4EMF谐波对比曲线图中的局部放大柱状图；

图6为本发明与现有技术的转矩波动对比曲线图；

图7为本发明与现有技术的径向电磁力对比曲线图；

图8为本发明与现有技术的齿槽转矩对比曲线图。

图中：1、定子；11、铁芯；12、齿部；121、切平齿；122、极靴；13、齿槽；14、第一圆弧；15、第一切平段；2、转子；21、磁极；211、磁槽；212、N极磁铁；213、S极磁铁；22、气隙线组；221、外圆弧；222、侧圆弧；223、第二切平段。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。下面根据本发明的整体结构，对其实施方式进行说明。

在目前的车载电机设计中，极槽配合方案对电机性能有重要影响，目前通常使用8极12槽的极槽组合的车载电机，此种电机具有较高的转矩密度，因此电机的齿槽转矩与径向电磁力亦显著增加，影响电机运行的平稳性。10极15槽电机作为一种特定的极槽组合，在小型高效驱动场景中具有一定的应用前景，但在实际运行过程中也面临多项技术挑战。

由于该极槽配合的定子槽数与极数的最小公倍数较小，导致齿槽转矩的发生周期较少，从而引起齿槽转矩幅值较高。这种现象会使电机在启动过程中阻力矩增大，启动电流增加，发热严重，影响其效率与寿命。该类型的车载电机在运行时会产生主阶次为5次与25次的电磁力波，易激发定子结构的共振，进而引起高频振动与尖锐噪声，影响设备的使用舒适性与环境适应性。由于该极槽组合下的空载反电动势谐波含量较高，总谐波畸变率（THD）偏大，不利于矢量控制策略的实现与系统稳定运行，通常需要在控制算法中引入谐波注入补偿技术，以提升控制精度。

如图1-3所示，为克服以上10极15槽在应用上的技术问题，本发明公开了一种车载电机的定转子结构，包括转子2和套设在所述转子2外的定子1；

所述定子1具有铁芯11和15个在所述铁芯11间隔环布的齿部12，所述齿部12上具有绕组，任意两个相邻的所述齿部12之间具有一个能够容纳绕组的齿槽13；

所述转子2具有10个磁极21，每个所述磁极21的外表面都具有其对应的气隙线组22，每段所述气隙线组22至少包括一段外圆弧221，每个所述磁极21对应的所述外圆弧221为非同心圆弧，所述外圆弧221的圆心所组成的圆的圆心为所述转子2的中心；

每段所述气隙线组22还包括位于所述外圆弧221两侧的侧圆弧222，所述外圆弧221与所述侧圆弧222之间还具有第二切平段223；

每一个所述齿部12朝向所述转子2的端部具有切平齿121，所述切平齿121具有朝所述齿部12的两侧延伸的极靴122，所述切平齿121朝向所述转子2的端面包括以所述转子2的中心为圆心的第一圆弧14和位于所述第一圆弧14两侧的垂直于径向的第一切平段15。

借由上述结构，车载电机的定转子结构包括定子1和转子2，定子1可以由若干定子冲片组合而成，转子2也可以由若干转子冲片组合而成，定子1具有铁芯11和15个在铁芯11周向间隔均匀分布的齿部12，每个齿部12上均能够用于绕组，任意两个相邻齿部12之间形成一个齿槽13，从而用以容纳固定在齿部12上的绕组，构建起有效的电磁激励结构。转子2具有10个沿其周向分布的磁极21，每个磁极21所对应的转子的的外表面的部分轮廓包括相应的气隙线组22，一个气隙线组22至少包括一段外圆弧221，每一个外圆弧221都为非同心圆弧，即其圆心不与转子2中心重合，并且外圆弧221的圆心所组成的圆的圆心为所述转子2的中心，从而使得各磁极21表面的磁场分布更为均匀，能够有效改善气隙磁密波形，降低转矩脉动，并提升磁通利用率。进一步的，定子1与转子2之间还具有不均匀气隙，即定子1与转子2之间的不同部位的气隙尺寸存在差异，有助于打破定字和转子2间的电磁对称性，从而抑制齿槽13转矩的产生，降低电机在运行过程中的电磁噪音与机械振动，提高车载电机整体运行的平稳性。本发明提供的定转子结构不仅具备良好的电磁性能和高效的输出能力，同时具有结构紧凑、加工可控的优点，适用于对电机噪音、振动控制要求较高的车载电机系统中。

任一个磁极21所对应的气隙线组22还包括位于外圆弧221两侧的侧圆弧222，侧圆弧222也沿转子2的周向分布，侧圆弧222的曲率半径与外圆弧221不同，侧圆弧222也为非同心圆弧，任一个侧圆弧222的圆心不与转子2的中心重合。在外圆弧221和其两侧的侧圆弧222之间，还设有一段过渡结构，即第二切平段223，第二切平段223可以为线性也可以为微弧形，第二切平段223连接外圆弧221和与其相邻的侧圆弧222。一个磁极21所对应的一段气隙线组22包括位于中间的外圆弧221、位于外圆弧221两侧的侧圆弧222和将外圆弧221与侧圆弧222连接起来的第二切平段223，从而形成一种依次为圆弧、过渡段和圆弧的复合外形轮廓。位于气隙线组22中间的外圆弧221有助于在磁极21的主要工作区域内形成较高而稳定的气隙磁密，增强主磁通耦合，两侧的侧圆弧222则在磁极21边缘区域提供辅助磁通通道，改善边缘磁通分布，减缓磁密梯度的突变。设置在外圆弧221与侧圆弧222之间的第二切平段223，起到磁场缓冲和过渡作用，有效削弱了因几何突变带来的磁通集中现象，从而降低车载电机在转动过程中产生的局部磁饱和和高频振动。

定子1的齿部12朝向转子2的端部具有切平齿121。所述切平齿121靠近转子2的端面包括以转子2中心为圆心的第一圆弧14，第一圆弧14位于切平齿121端面的中央区域，用于贴合转子2的磁极21所对应的气隙线组22的外圆弧221，并保持良好的气隙磁通连接。此外，切平齿121还包括向齿部12的两侧延伸的极靴122，极靴122的形状可以是矩形、扇形或过渡曲面等。极靴122有利于扩大磁通导入面积，增强磁通密度均匀性，改善气隙磁密分布。优选的，在第一圆弧14的两侧，即极靴122朝向转子2的端面，该端面具有垂直于径向的第一切平段15，从而使整个切平齿121呈中间为第一圆弧14，两侧为第一切平段15的复合形状。切平齿121使得齿顶不再完全呈圆弧或尖锐形态，而是形成具有一定面积和宽度的平坦结构，从而改善磁通进入齿部12的路径。极靴122的设置扩大了齿部12与磁极21之间的有效磁通交互面积，使气隙磁密分布更加平滑，降低局部磁饱和现象，提高磁通利用率。同时，在不增加定子1的齿部12数量的前提下，提升了电机单位体积下的输出能力，改善转矩输出性能。

优选的，在本发明中，位于定子1齿部12上的绕组的绕组系数为0.866，配合具有10极的转子2，能够减少高次谐波分量对主磁通的干扰，从而提升感应电动势的基波分量输出，增强车载电机的电磁耦合效率。具体来说，该绕组系数在保持较高电动势输出能力的同时，还能显著降低绕组中因谐波干扰所产生的附加损耗，减少铜损和铁损，提升车载电机的整体能效。此外，绕组系数为0.866能够抑制电机运行中的电磁噪声与振动，提高运行稳定性。

本实施例中，每个磁极21包括有一个“一”字型磁槽211，磁槽211周向设置在转子2上。“一”字型的磁槽211有利于增强转子2结构的对称性与机械强度。磁槽211的两端分别设置有磁铁，包括一块N极磁铁212和一块S极磁铁213，两块磁铁沿磁槽211长度方向设置，用以形成磁极对。多个磁槽211沿转子2的圆周方向依次排布，且相邻磁槽211中的磁铁极性交替排列，即一个磁槽211中的第一端为N极，第二端为S极，与其相邻的磁槽211中第一端为N极，第二端为S极，以此类推，从而形成间隔排布的极性结构。通过在每个磁极21内部设置“一”字型磁槽211，并在其中嵌入一对相对极性的磁铁，可在紧凑空间内有效构建强磁通密度的磁极对，从而提升磁极21的磁通输出能力。相邻磁槽211中磁铁极性的间隔交替排布，有助于在转子2周向上形成连续、均匀的磁场变化，实现更平滑的气隙磁密波形，降低高次谐波含量，从而提升定子1绕组中感应电动势的基波成分，增强电机的能效输出。

如图2和图3所示，本实施例中，每个磁极21的外表面设置有一组气隙线组22，为优化磁极21气隙的磁通分布，提高电机的电磁性能，各弧段相对于转子2中心角度的比例关系进行了精确设计。具体的，外圆弧221相对于转子2中心所形成的角度为整个气隙线组22与转子2中心形成的总角度的0.75-0.8倍，外圆弧221在气隙线组22中占据主要部分，集中承担主磁通通道作用。而侧圆弧222的两端相对于转子2中心所形成的角度为整个气隙线组22的角度的0.08-0.09倍，侧圆弧222处于气隙线组22边缘位置，起到磁场分布修正与磁通引导作用。第二切平段223的两端与转子2中心之间所成的角度占整个气隙线组22圆心角的0.02-0.03倍，即第二切平段223在整个气隙线组22中占比较小，第二切平段223处于外圆弧221与侧圆弧222之间的过渡缓冲区段，在几何轮廓上起到平滑连接、削弱曲率突变的作用，构成气隙磁密变化的中间“缓冲梯度”。由于外圆弧221和侧圆弧222直接连接易产生磁密跳变或梯度突变，通过引入角度占比适中的第二切平段223作为中间过渡，能够有效缓解磁通密度变化的梯度，使气隙磁密波形更加平滑，接近理想正弦，从而减少高次谐波含量，提高电动势波形质量。

本实施例中，外圆弧221的最高点至所述转子2中心的距离等于转子2的外圆半径，即外圆弧221轮廓贴近转子2的外轮廓，不会产生额外凸起或缩进，有利于控制有效气隙。此外，外圆弧221的半径为转子2外圆半径的0.72至0.77倍，即外圆弧221为一段非同心圆弧，其圆心位于转子2中心之外，从而使得外圆弧221在气隙线组22的变化上能够配合第二切平段223和侧圆弧222构建出自然缓和的磁密过渡区，有效减弱高频电磁扰动与边缘漏磁现象，降低由此带来的齿槽13转矩与振动噪声。

本实施例中，任意两个相邻磁极21之间的最小间距为1.0mm-1.2mm。合理的间距有助于稳定每个磁极21的磁场边界条件，使各磁极21之间的气隙磁通过渡更加自然，不出现磁通混叠或边缘尖峰，改善定子1感应电动势波形，提升波形因数。磁极21间保留适当间隙不仅满足磁路设计要求，还可作为应力缓冲区，有效抵消运行过程中磁铁因温升产生的热膨胀压力，降低磁铁间挤压失效风险，提升转子2的结构安全性与可靠性。

本发明还公开了一种车载电机，包括了上述的定转子结构，定子1与转子2同轴设置，转子2在驱动装置的作用下能够在定子1内转动。

如图4和图5所示，由本发明与现有技术的EMF谐波对比可知，本发明明显改善了EMF谐波含量，谐波THD由12.3%降低为4.0%，降低了8个百分点，从而车载电机的损耗会降低，提高电机效率；高次谐波会产生涡流损耗使永磁体温度升高，发生不可逆退磁。因此，降低谐波能提高电机电磁性能同时有助于提高电机使用寿命。

如图6所示，本发明与现有技术相比，也有效降低了转矩波动，转矩波动由12.00%降低为4.05%，同比降低66.3%。转矩波动低，能使电机在旋转产生转矩时更加平稳，电机输出功率更加稳定。

如图7所示，本发明与现有技术相比，降低了径向电磁力，降低了18.6%，有助于降低电机定子的齿部在电机旋转中所受到的无用径向拉力，从而降低电机的振动与噪声，提高电机使用寿命，减少噪声污染。

如图8所示，本发明与现有技术相比，降低了齿槽转矩，降低了42.8%，不仅提升了电机在低速状态下的运行平滑性，同时也提升了启停响应速度和定位精度，在工业自动化及伺服控制领域具有广泛应用前景。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种车载电机的定转子结构，其特征在于，包括转子和套设在所述转子外的定子；

所述定子具有铁芯和15个在所述铁芯间隔环布的齿部，所述齿部上具有绕组，任意两个相邻的所述齿部之间具有一个能够容纳绕组的齿槽；

所述转子具有10个磁极，每个所述磁极的外表面都具有其对应的气隙线组，每段所述气隙线组至少包括一段外圆弧，每个所述磁极对应的所述外圆弧为非同心圆弧，所述外圆弧的圆心不与所述转子的中心重合，所述外圆弧的圆心所组成的圆的圆心为所述转子的中心；

每段所述气隙线组还包括位于所述外圆弧两侧的侧圆弧，所述外圆弧与所述侧圆弧之间还具有第二切平段；

每一个所述齿部朝向所述转子的端部具有切平齿，所述切平齿具有朝所述齿部的两侧延伸的极靴，所述切平齿朝向所述转子的端面包括以所述转子的中心为圆心的第一圆弧和位于所述第一圆弧两侧的垂直于径向的第一切平段；

所述外圆弧与所述转子的中心所成角度为所述气隙线组与所述转子的中心所成角度的0.75-0.8倍；所述侧圆弧的两端与所述转子的中心所成角度为所述气隙线与所述转子的中心所成角度的0.08-0.09倍。

2.根据权利要求1所述的车载电机的定转子结构，其特征在于，位于所述齿部上的绕组的绕组系数为0.866。

3.根据权利要求1所述的车载电机的定转子结构，其特征在于，每个所述磁极包括以“一”字型设置的磁槽，每个所述磁槽具有N极磁铁和S极磁铁，任意两个相邻的所述磁槽的所述N极磁铁和所述S极磁铁间隔排布。

4.根据权利要求1所述的车载电机的定转子结构，其特征在于，所述第二切平段的两端与所述转子的中心所成角度为所述气隙线组与所述转子中心所成角度的0.02-0.03倍。

5.根据权利要求1所述的车载电机的定转子结构，其特征在于，所述外圆弧的最高点至所述转子的中心距离为所述转子的外圆半径，所述外圆弧半径为所述转子外圆半径的0.72-0.77倍。

6.根据权利要求3所述的车载电机的定转子结构，其特征在于，任两个相邻的所述磁极相距1.0mm-1.2mm。

7.一种车载电机，其特征在于，包括权利要求1-6中任一项所述车载电机的定转子结构。