一种混合式无磁电机

技术领域

本申请属于电动车电机领域，具体是一种混合式无磁电机。

背景技术

电磁能转化为机械能的方法已经广泛的应用于异步电机及同步电抗电机。目前，电动自行车、电动摩托车主要由无刷直流电动机驱动。无刷直流电动机转子的核心部件是永磁体，检测转子旋转位置的传感器是霍尔磁敏元件。电动机使用的永磁体是用稀土材料制造的，而稀土材料非常昂贵且稀少，另外，电动交通工具对霍尔传感器的灵敏度等性能也有很高的要求，所以适用于电动车的霍尔传感器的价格也很高。以上两个关健部件决定了目前电动车用电机的制造成本非常高。而现有的无磁电机存在耗电高，起动速度慢、转子惯性大等问题。

经检索，未发现与本专利申请相同或相似的已公开专利文件。

发明内容

本申请的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种混合式无磁电机，可以为电动交通工具提供良好的行驶性能、高可控性、降低成本。

本发明提供的一种混合式无磁电机采用如下的技术方案：

一种混合式无磁电机，包括电机外壳、固定轴、环形定子、环形转子以及鼠笼式转子，电机外壳为中空的圆筒形腔体结构，电机外壳同轴套设在固定轴上并且转动连接，在电机外壳内的固定轴上安装有环形定子；在环形定子外周对应的电机外壳内固装有一环形转子，环形转子内嵌套固装有一鼠笼式转子。

通过采用上述技术方案，本申请的技术方案与传统形式的同步电抗电机相比，在转子结构中环形转子还附加有鼠笼式绕组，能够产生更高的启动力矩，进一步降低定子绕组中需要的启动电流。同时，这为缩短转子转速到额定工况的输出时间和降低起动电流对定子绕组绝缘的热效应提供了可能，能够提高电机的使用寿命。

进一步的，所述环形转子内均匀排列设置有多组轴向的贯穿型腔。

通过采用上述技术方案，利用环形转子上设置贯穿型腔在环形转子内产生磁阻，从而驱动环形转子旋转，并且镂空还能够减轻自身重量，保证良好的加速减速控制性能。

进一步的，所述鼠笼式转子包括铜丝以及铜圈，铜丝均匀间隔设置在对应的贯穿型腔内，且铜丝的两端分别穿出贯穿型腔的两端；在环形转子轴向两端分别设置有一铜圈，铜圈与对应端的铜丝的端部均固接。

通过采用上述技术方案，鼠笼式转子作为附加短路绕组，增加扭矩，帮助加速瞬态过程，具体为，当转子与定子场同步旋转时，定子绕组的导线中没有电流。当定子绕组的供电频率发生变化时，旋转频率不能突然变化，该频率将小于或者大于定子场的旋转频率。由于这种频率差，在鼠笼式绕组的导线中产生电流和附加扭矩。如果转子的旋转速度小于定子场的旋转速度，则加速力矩，如果相反，则制动力矩。

进一步的，所述环形定子内设置有多组轴向的通槽，在通槽内均安装有三相绕组，三相绕组通过导线连接三相交流电压源线。

通过采用上述技术方案，环形定子的内安装三相绕组，三相绕组通入电流产生磁场，三相绕组的数量与转子旋转时形成的多极磁系的极数匹配。

进一步的，所述环形转子是由多层转子片层压制成，所述环形定子是由多层定子片层压制成，环形转子的转子片以及环形定子的定子片均沿固定轴的轴向层层叠加。

通过采用上述技术方案，环形转子以及环形转子均采用设置有镂空结构的层压电工钢板制成，电工钢板是常用于制作电机铁芯的材料，自身结构强度高，而横向分层的转子结构在旋转中具有更稳定的周向性能。

进一步的，所述贯穿型腔的端部均布置在转子片的同一圆周位置。

通过采用上述技术方案，贯穿型腔的端部位置用于限位安装铜丝，铜丝与固定轴同轴设置，且每根铜丝与固定轴的距离相同，用于构成鼠笼式绕组。

进一步的，所述贯穿型腔包括由内向外等间距设置的多条贯通腔，每条贯通腔均为对称的折线槽结构，折线槽结构的两端均设置在环形转子的同一圆周位置。

通过采用上述技术方案，多层贯通腔体的镂空结构能够减轻转子重量，减少惯性，并且对称结构加工定位精度高，便于安装鼠笼。

一种控制器电路，用于上述任一电机，所述控制电路包括控制器、逆变器、蓄电池以及相线，控制器的控制线路连接到逆变器，逆变器分别电连接蓄电池，逆变器的输出线与电机的相线相连，在相线产生的磁场范围内设置有转子，转子能够在磁场驱动作用下旋转。

通过采用上述技术方案，连接定子绕组的相线通电能够产生磁场，而电机的动作源于控制器中内置的算法，控制器产生控制信号，改变定子绕组的相线的供电电压频率，从而控制转子的转速。

进一步的，所述的控制器还连接一个位置传感器，采用三个分别和逆变器内MOS管串联的电阻取电压差的方式，采集转子的位置，并将此电压信号传递给控制器。

通过采用上述技术方案，位置传感器不需要霍尔传感器，有效的降低了成本，控制器的内置算法基于场效应管（也叫MOS管）下所连接的电阻，当电流经过所述电阻时，产生电压差信号，将此信号传递给CPU控制器，CPU发出相应MOS开和关的指令，由此来感知转子的位置。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1、本申请中带有额外鼠笼式绕组的同步电抗电机是在异步电动机的基础上制造的，与异步电动机的尺寸相同，安装和连接尺寸相同，便于代替现有电机安装在电动车上，而不需要对车体进行额外设计改造，便于推广应用。

2、本申请为附加鼠笼式绕组的同步磁阻电机，与传统同步磁阻电机相比，附额外鼠笼式同步磁阻电机能够产生更高的转子扭矩，降低定子绕组启动电流。这为缩短转子转速到额定工况的输出时间和降低起动电流对定子绕组绝缘的热效应提供了可能，提高了电机的使用寿命。

3、本申请与其他异步电动机相比，所采用的带有轴向空气屏障的转子设计结构，可以减少鼠笼绕组的铜重量，并减少转子硅钢的重量。

4、对于500W电机，本申请的电机系统的能效（效率）值至少为80％，对于1000w以上的功率，效率已经超过84％，与同等功率和相同尺寸的异步电动机和转子上带励磁绕组的同步电动机相比显着更高，其提供更高的比功率指数（W/kg）。

5、本申请通过矢量控制，可以节省电力（在某些情况下-高达60％），因为大部分时间里控制器将保持给定的速度需求的能量传输到电动机。

附图说明

图1是本电机立体结构示意图。

图2是本电机的中剖截面立体结构示意图。

图3是图2中B部的局部放大示意图。

图4是环形转子的结构示意图。

图5是图4中C部的局部放大示意图。

图6是从定子的固定轴α ， β到转子的旋转轴d ， q的坐标转换示意图。

图7是具有鼠笼式绕组和无绕组的同步-电抗电机转子从350转每分到470转每分过渡过程的对比示意图。

图8是实施例中的控制电路示意图。

图9是从三相到两相的相变示意图。

附图标记：

1、电机外壳；11、轮毂；12、端盖；13、轴承组件；2、固定轴；3、环形转子；311、转子层板；312、贯穿型腔；3121、第一贯通腔；3122、第二贯通腔；3123、第三贯通腔；4、环形定子；41、定子层板；42、三相绕组；5、鼠笼式转子；51、铜圈；52、铜丝。

具体实施方式

以下结合附图对本申请作进一步详细说明。

参见附图1、2所示，一种混合式无磁电机，轮毂11的轴向两端均相对固装有一端盖12，端盖12与轮毂11密封连接，端盖12的中心均设置有可供固定轴2通过的轴孔，在轴孔位置的端盖12内安装有轴承组件13，端盖12通过轴承组件13连接固定轴2，轮毂11、端盖12以及轴承组件13构成中空的圆筒形腔体结构的电机外壳1；

固定轴2同轴安装在电机外壳1内，且固定轴2的两端均穿过轴孔延伸至端盖12外侧；轴承组件13能够封闭端盖12与固定轴2之间的间隙，使电机外壳1内部封闭。

参见附图2、3所示，在电机外壳1内的固定轴2上安装有环形定子4，环形定子4内安装有定子绕组，定子绕组通过导线外接电源，向定子绕组供电能够产生电磁场，从而驱动转子带动电机外壳转动。

本实施例中环形定子4是由层压电工钢板制成的环形结构，在环形定子4内沿径向均匀间隔设置有多组通槽，通槽轴向贯穿环形定子4，在通槽内安装三相绕组42，本实施例采用三相绕组42作为定子绕组，三相绕组42与三相交流电压源相线相连，通电后能够产生旋转电磁场。

在环形定子4外周对应的电机外壳1内固装有一环形转子3，环形转子3是由沿轴向叠加的多层转子片层压制成，转子片由电工钢板制成，在环形转子3内均匀设置有多组轴向穿透环形转子3的贯穿型腔312。横向分层的转子结构在旋转中具有更稳定的周向性能，而贯穿型腔312能够减轻环形转子3的重量，从而减小转子惯性。

环形转子3内还嵌装固定有一鼠笼式转子5，具体结构为，在环形转子3的贯穿型腔312内轴向安装铜丝52，铜丝52与固定轴2的轴心距离相同，铜丝52的两端分别伸出环形转子3的轴向端面；

在环形转子3的轴向两端分别同轴设置有一铜圈51，铜圈51固定连接对应侧的全部铜丝52端部，铜丝52与两端铜圈51组成圆筒形的鼠笼式绕组，当加速或减速时，该鼠笼式绕组中产生电流和附加扭矩。

参见图4、5所示，环形转子3的转子片上沿径向均匀分布多组贯通腔体，每组贯通腔体均包括由内向外等间距设置的第一贯通腔3121、第二贯通腔3122、第三贯通腔3123，第一贯通腔3121、第二贯通腔3122、第三贯通腔3123均为对称的折线槽结构；第一贯通腔3121、第二贯通腔3122、第三贯通腔3123的端部均设置转子片的同一圆周上，在第一贯通腔3121、第二贯通腔3122、第三贯通腔3123的端部位置同轴向穿设有铜丝52。

参见附图6所示，通过定子绕组的交流电，在电机外壳1内中产生旋转磁场。当转子试图用施加在其上的磁场来建立其最具磁性的导电轴（d轴）以使磁路中的电阻最小化时产生转矩。换言之，环形定子4的旋转磁场牵引转子。环形定子4的磁链幅值通过d轴控制，而负责转矩的电流通过q轴控制，轴线引至电机定子。

在本实施例所讨论的转子设计中，通过增加沿q轴的气隙来实现轴磁阻之间的差异。力矩幅值与纵向Ld和横向Lq电感的差值成正比。因此，差异越大，产生的力矩就越大。

通过转子上无励磁的同步凸极电磁转矩公式来表达：

Мр = [mU2 /(2ω1 )] (1/Хq - 1/Хd ) sin 2θ,

公式中，对于定子的三相结构，m=3，ω1——转子角速度，Xq——转子q轴上的电感电阻，Xd——转子d轴上的电感电阻，θ——“磁弹簧”拉伸程度的转子场与定子场之间的夹角。

在转子,转速加速或制动时，额外鼠笼式绕组帮助加速转子转速，从一个值变化到另一个值时瞬态过程。额外鼠笼式绕组的作用表现为：转子转速与定子绕组产生的磁场转速之间的差异出现时产生转矩。当转子与定子场同步旋转时，该绕组的铜线中没有电流，从而增加了电池的运行时间。

参见附图7所示，是具有鼠笼式绕组和无鼠笼式绕组的同步-电抗电机转子从350转每分到470转每分过渡过程的对比示意图，经过对同步磁阻电机转子上附加短路绕组的作用进行测试，模拟了转子转速从350转/分到470转/分的过渡过程。并且，对空载工况进行了计算实验。鼠笼式绕组转子的机械瞬态时间为85ms，无绕组的转子机械瞬态时间为264ms。从结果还可清楚地看出，不带鼠笼式绕组的转子的摆动曲线b比带鼠笼式绕组的转子的摆动曲线a的摆动幅度要大得多。

在本测试中，电机额定功率500W，转子外径为212mm，定子星形连接的牵引电机。经试验，本电机具有以下优点：效率不低于80%（与转子外径相同异步电动机相比，绝对值增加10%）；降低转子的惯性，异步电机为0.078 kg*m2，同步电抗式电机为0.07 kg*m2，而且，与相同功率的电机相比重量较轻。

参见图8，为本实施例电机系统控制结构图，电机系统控制结构包括控制器、逆变器、蓄电池以及相线，

控制器的控制线路连接到逆变器，逆变器分别电连接蓄电池，逆变器的输出线与电机的相线相连，相线能够产生磁场，在相线产生的磁场范围内设置有转子，转子能够在磁场驱动作用下旋转；

控制器包括一个CPU模块和电动单车速度控制电路，CPU模块的控制线连接到电动单车速度控制电路，控制器能够改变定子绕组的相线的供电电压频率，从而控制转子的旋转速度。电机的动作源于控制器中处理器CPU内置的算法，通过电动车的速度控制电路Accel控制定子磁化电流id和负责力矩iq的定子电流，

控制器连接位置传感器，该位置传感器包括三个电阻，电阻分别对应串联一组逆变器内场效应管（也叫MOS管），当电流经过所述电阻时，产生电压差信号，将此信号传递给控制器CPU，CPU发出相应MOS开和关的指令，由此来感知转子的位置，控制器基于位置传感器信息号得出控制指令。

控制器还可以连接流保护电路，进一步保护控制电路的稳定运行；此外，控制器还可以连接无线通信电路，进行无线传传输信息或接收控制指令等。

逆变器工作原理，参见附图9所示，通过坐标转换组件实现两相与三相的相变，坐标组件使用帕克变换，将输入向量旋转给定角度，BCP_1转向+θ，BCP_2转向-θ；BCP_2将电流从固定轴α和β映射到固定轴d和q映射到转子（使用转子角度）；而BCP_1进行逆变换，从沿d轴和q轴设定应力向α轴和β轴过渡。三相电流与两相电流一样，用于一个目的——创建指向正确方向并具有正确振幅的定子电流矢量Is，将三相电流简单地重新计算为两相电流，并使用与两相设备相同的控制系统。

本申请的技术原理如下：

附加鼠笼式绕组同步磁阻电机，鼠笼式绕组嵌入到转子铁心的通入轴向方向空腔中。在转子加速或制动时，鼠笼式绕组有助于加速转子转速从一个值变化到另一个值时的瞬态过程。当转子与定子磁场同步旋转时，鼠笼式绕组的导线中没有电流。

为了控制转子的旋转速度，需改变定子绕组的供电电压频率。当定子绕组电源频率发生变化时，旋转速度不能急速改变。在初始时刻，这个频率将小于或大于定子磁场的旋转频率。由于转子转速和定子绕组磁场的这种差异，在额外附加鼠笼式绕组的导线中产生电流和额外转矩。如果转子转速小于定子磁场转速，则为加速力矩，反之则为制动力矩。这样就可以加速从一种转子旋转模式到另一种转子旋转模式的转变，并避免同步电抗电机常见的转子振荡。

上述实施例的各种技术特征可以任意组合。上述实施例仅表达了本发明的几个实施例，描述更为具体和详细，但不应理解为限制了发明专利的范围。需要注意的是，本领域的普通技术人员在不背离本发明概念的前提下，可以进行若干修改和改进，并且都属于本发明的保护范围。因此，本发明的专利保护范围应以所附专利准则为准。