CN101789663A - 车用永磁同步电机以及可削弱磁阻力矩的定子铁芯 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种车用永磁同步电机，其中，在转子铁芯内部的圆周方向均匀镶嵌有径向磁化的磁钢，磁钢与极靴形成永磁磁极，在极靴的内部设有扇形空腔，在空腔的外缘与内部分别设有弧形的导电启动条与树脂填料，此种结构可防止静态、动态电枢反应对磁钢永久去磁，提高启动转矩和峰值转矩，减小转子惯量与离心力，提高快速响应能力；应用于该同步电机中的定子铁芯由三层定子冲片齿面不同的铁芯依次叠压构成，第一层铁芯为齿面右移θ角的定子冲片构成，第二层铁芯由齿面左、右移θ/2角的定子冲片构成，第三层铁芯由齿面左移θ角的定子冲片构成，三层铁芯的齿面叠压后形成斜齿，此种结构可削弱磁阻力矩，抑制齿槽力矩波动，避免铁芯斜槽的缺点。

Description

车用永磁同步电机以及可削弱磁阻力矩的定子铁芯

技术领域

本发明涉及电机技术领域，尤其是一种车用永磁同步电机以及可削弱磁阻力矩的定子铁芯。

背景技术

当前汽车工业可持续发展所面临的两大难题是：环境污染、石油资源匮乏。汽车的排气污染、噪声、燃油存放的火灾隐患等问题，越来越引起人们的关注，环保和节能是二十一世纪汽车技术的一个重要发展方向，电动汽车成为新一代清洁能源汽车。其中驱动电机和传动系统是电动汽车的心脏，电机是驱动系统的核心，电机的综合性能直接影响电动汽车的性能。目前电动汽车用驱动电机制约着中国电动汽车的研发及其产业化进程。

目前，国内外正在研发永磁直流无刷电机(PMBLM)，其电枢励磁为“非圆形跳跃式”的旋转磁场，存在较大的力矩波动，影响电机高效、高精度、高速和平稳运行。然而，现有的永磁直流无刷电机在使用过程中，由于无法阻止电枢反应磁通的上升，使系统过流保护装置没有足够时间动作，使静态、动态电枢反应对磁钢永久去磁，降低了启动转矩和峰值转矩；另外，由于现有用于同步电机中的定子铁芯无法削弱磁阻力矩，抑制齿槽力矩的波动，从而无法避免铁芯斜槽的缺点。

发明内容

本发明提供一种可以防止静态、动态电枢反应对磁钢永久去磁，提高启动转矩和峰值转矩的一种车用永磁同步电机。

本发明还提供一种可以削弱磁阻力矩、抑制齿槽力矩波动，可避免铁芯斜槽缺点的一种应用于车用永磁同步电机中的可削弱磁阻力矩的定子铁芯。

为实现上述目的，本发明提供一种车用永磁同步电机，在机壳的内部安装有定子与转子，所述定子由固定在所述机壳内壁的定子铁芯和定子绕组构成，所述定子铁芯包括定子磁轭、定子槽以及定子齿，所述转子由转轴与转子铁芯构成，在所述转子铁芯内部的圆周方向均匀镶嵌有径向磁化的磁钢，所述磁钢与其外侧的极靴形成永磁磁极，在所述极靴的内部设有扇形空腔，在所述空腔的外缘表面设有弧形的导电启动条。

所述空腔的内部填充有树脂填料。

由所述磁钢表面发出的磁力线向所述极靴延伸，并汇聚于磁极中心形成一个能够增加气隙磁密的磁极。

所述气隙设置所述极靴与所述定子齿之间。

所述磁钢的形状为一字形条状结构、U形单层多段式结构或双层多段式结构中的一种。

本发明同时还提供一种应用于车用永磁同步电机中的可削弱磁阻力矩的定子铁芯，所述定子铁芯包括定子磁轭、定子槽以及定子齿，所述定子铁芯由三层定子冲片齿面不同的铁芯依次叠压构成，所述第一层铁芯为齿面右移θ角的定子冲片构成，所述第二层铁芯由齿面左、右移θ/2角的定子冲片构成，所述第三层铁芯由齿面左移θ角的定子冲片构成，三层铁芯的齿面叠压后形成斜齿，在所述定子齿的表面还设有半圆形的凹槽。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提供一种车用永磁同步电机，其中，在转子铁芯内部的圆周方向均匀镶嵌有径向磁化的磁钢，磁钢与极靴形成永磁磁极，在极靴的内部设有扇形空腔，在空腔的外缘表面与内部分别设有弧形的导电启动条与树脂填料，此种结构可有效阻止电枢反应磁通的上升，使系统过流保护装置就有足够时间动作，防止静态、动态电枢反应对磁钢永久去磁，提高启动转矩和峰值转矩，并且还可以减小转子惯量与离心力，提高快速响应能力，便于高速运行；应用于该同步电机中的定子铁芯由三层定子冲片齿面不同的铁芯依次叠压构成，第一层铁芯为齿面右移θ角的定子冲片构成，第二层铁芯由齿面左、右移θ/2角的定子冲片构成，第三层铁芯由齿面左移θ角的定子冲片构成，三层铁芯的齿面叠压后形成斜齿，本发明采用此种结构可削弱磁阻力矩，抑制齿槽力矩波动，可避免铁芯斜槽的缺点；另外，在定子齿的表面还设有半圆形的凹槽，可提高谐波频率降低幅值，减小气隙磁导的变化与齿槽力矩波动，使电机实现高精度、高功率密度、高启动转矩、宽调速、快响应和平稳运行，满足电动汽车驱动要求。

附图说明

图1为本发明同步电机第一实施例的剖面图；

图2为图1的另一实施例的剖面图；

图3为本发明同步电机第二实施例的剖面图；

图4为本发明同步电机第三实施例的剖面图；

图5为本发明同步电机力矩波动分析示意图；

图6为本发明中三层铁芯的分解示意图；

图7为本发明中定子铁芯齿面的局部示意图；

图8为本发明中定子齿端面的结构图。

主要元件符号说明如下：

1aU形单层多段式磁钢            1b一字形条状磁钢

1c双层多段式磁钢               1d磁钢端面

2磁钢槽        3极靴           4气隙

5定子磁轭      6定子槽         7定子齿

7a第一层铁芯   7b第二层铁芯    7c第三层铁芯

L-7a齿面为左移θ角的定子铁芯段

L-7b齿面为左、右移θ角的定子铁芯段

L-7c齿面为右移θ角的定子铁芯段 8永磁转子

9空腔          10导电启动条    11树脂杆

12定子         13转轴          14半圆槽

15定子铁芯     16凹凸面

具体实施方式

如图1所示，本发明提供一种车用永磁同步电机，在机壳的内部安装有定子与转子，定子由固定在机壳内壁的定子铁芯和定子绕组构成，定子铁芯包括定子磁轭5、定子槽6以及定子齿7，转子由转轴与转子铁芯构成，在转子铁芯内部的圆周方向均匀镶嵌有径向磁化的磁钢，磁钢与其外侧的极靴3形成永磁磁极，形成后的永磁磁极起到聚磁、改善气隙磁场波形、降低转矩波动、抑制静态和动态电枢反应作用。由磁钢表面发出的磁力线向极靴延伸，并汇聚于磁极中心形成一个能够增加气隙磁密的磁极，提高了电机过载能力和功率密度，使电机小型轻量化。该磁钢的形状为U形单层多段式磁钢1a，该U形单层多段式磁钢1a固定于转子铁芯内部的磁钢槽2中，U形单层多段式磁钢1a的两端均延伸至转子的内侧边缘，使永磁磁路在达到饱和的同时，漏磁减少。在极靴3的内部设有扇形的空腔9，在空腔9的内部填充有树脂填料(图中未描述)，因此可减小转子惯量，提高快速响应能力，与磁钢结合后，可进一步减轻转子重量，减小转子离心力，便于高速运行。在空腔9的外缘设有弧形条状的导电启动条10，因此可有效阻止电枢反应磁通的上升，使系统过流保护装置就有足够时间动作，防止静态、动态电枢反应对磁钢永久去磁，提高启动转矩和峰值转矩。定子铁芯设置于极靴3的外侧，定子磁轭5为弧形结构，定子齿7由定子磁轭5的内侧表面延伸出，定子槽6设置于相邻的两个定子齿7之间。在定子齿7与极靴3之间还设有气隙4。

如图2所示，在U形单层多段式磁钢1a两端的内部分别插入有树脂杆11，可避免应力集中，减小高速运行时转子铁芯的应力，适合高速和高可靠性运行。将U形单层多段式磁钢1a的两端靠近永磁转子8内缘的距离h可以控制的很窄，可保证磁路饱和，减少漏磁，增加气隙磁密，提高出力。

如图3所示，固定于转子铁芯内部的磁钢为双层多段式磁钢1c，该双层多段式磁钢1c与极靴3形成永磁磁极，形成后的永磁磁极起到聚磁、改善气隙磁场波形、降低转矩波动、抑制静态和动态电枢反应作用。双层多段式磁钢1c的两端均延伸至转子的内侧边缘，使永磁磁路在达到饱和的同时，漏磁减少。由双层多段式磁钢1c表面发出的磁力线向极靴3延伸，并汇聚于磁极中心形成一个能够增加气隙4磁密的磁极，提高了电机过载能力和功率密度，使电机小型轻量化。定子铁芯设置于极靴3的外侧，定子磁轭5为弧形结构，定子齿7由定子磁轭5的内侧表面延伸出，定子槽6设置于相邻的两个定子齿7之间。在定子齿7与极靴3之间还设有气隙4。双层多段式磁钢的磁通线(箭头方向)同时通过极靴3挤向气隙4，使聚磁效应显著，有效地增加气隙磁密，电机出力与气隙磁密成正比，从而显著提高了出力，相应地也提高了过载能力和快速响应。同时，聚磁效应改善了气隙磁场波形、降低转矩波动、抑制静态和动态电枢反应去磁，实现高效、高精度、高功率密度的平稳运行。

如图4所示，固定于转子铁芯内部的磁钢为一字形条状磁钢1b，该一字形条状磁钢1b与极靴3形成永磁磁极，形成后的永磁磁极起到聚磁、改善气隙磁场波形、降低转矩波动、抑制静态和动态电枢反应作用。为了增加转子的强度，避免应力集中，相邻的两个一字形条状磁钢1b的磁钢通过凹凸面16相衔接，因此减少了高速运行时转子铁芯的应力，适合高速和高可靠性运行。在实施例中，多个一字形条状磁钢1b衔接后形成环状结构。另外，在极靴3的中心还设有转轴13，气隙4设置于定子12与极靴3之间。

如图5所示，永磁转子8由箭头方向K移动时，定子齿槽与磁钢之间的气隙磁导发生变化，气隙磁场储能也发生变化，特别是在磁钢端面1d齿槽定位力矩Tcog幅值变化最大。

如图6与图7所示，本发明提供一种应用于车用永磁同步电机中的可削弱磁阻力矩的定子铁芯，该定子铁芯包括定子磁轭5、定子槽6以及定子齿7。定子磁轭5为弧形结构，定子齿7由定子磁轭5的内侧表面延伸出，定子槽6设置于相邻的两个定子齿7之间。其中，定子铁芯由三层定子冲片齿面不同的铁芯依次叠压构成，第一层铁芯7a为齿面右移θ角的定子冲片构成，第二层铁芯7b由齿面左、右移θ/2角的定子冲片构成，第三层铁芯7c由齿面左移θ角的定子冲片构成。在叠压后的定子铁芯的齿面上形成三个不同的铁芯段，三个铁芯段分别为齿面为左移θ角的铁芯段L-7a与齿面为左、右移θ角的铁芯段L-7b、以及齿面为右移θ角的铁芯段L-7c，三个铁芯段的齿面叠压后形成只斜齿，不斜槽的定子铁芯的齿面。采用此种结构可达到铁芯轴向斜槽的同样效果：削弱了磁阻力矩，抑制齿槽力矩波动；另外，还避免了铁芯斜槽的缺点：减少槽面积、铜耗增加、降低出力、无法自动嵌线。由于没有减少直槽的面积，同时便于定子绕组自动化嵌线。

如图8所示，定子铁芯包括定子磁轭5、定子槽6以及定子齿7，在定子齿的端面设有半圆槽14，该半圆槽14可提高谐波频率降低幅值，减小气隙磁导的变化，显著减小齿槽力矩波动。由于齿槽力矩波动大小与半圆槽14数量有关，因此，半圆槽14的数量越多，谐波的频率也就越高，齿槽力矩幅值也就越低。齿槽力矩波动大小还与半圆槽的直径Φ有关，在本发明实例中，当半圆槽的直径Φ为1mm时，齿槽力矩波动削弱3.5％；当半圆槽的直径Φ为2mm时，齿槽力矩波动削弱14.5％，从而使电机高精度、高效、高功率密度的平稳运行。

本发明实现了高精度、高效、高功率密度、快响应、频繁启动和平稳运行。使电机综合品质大幅度提高，满足电动汽车驱动要求。可实现产业化生产，打破驱动电机制约电动汽车发展的局面，提高电动汽车的整体技术水平。

惟以上所述者，仅为本发明的较佳实施例而已，举凡熟悉此项技艺的专业人士.在了解本发明的技术手段之后，自然能依据实际的需要，在本发明的教导下加以变化。因此凡依本发明申请专利范围所作的同等变化与修饰，曾应仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims (9)

1.一种车用永磁同步电机，在机壳的内部安装有定子与转子，所述定子由固定在所述机壳内壁的定子铁芯和定子绕组构成，所述定子铁芯包括定子磁轭、定子槽以及定子齿，所述转子由转轴与转子铁芯构成，在所述转子铁芯内部的圆周方向均匀镶嵌有径向磁化的磁钢，所述磁钢与其外侧的极靴形成永磁磁极，其特征在于，在所述极靴的内部设有扇形空腔，在所述空腔的外缘表面设有弧形的导电启动条。

2.如权利要求1所述的一种车用永磁同步电机，其特征在于，所述空腔的内部填充有树脂填料。

3.如权利要求1所述的一种车用永磁同步电机，其特征在于，由所述磁钢表面发出的磁力线向所述极靴延伸，并汇聚于磁极中心形成一个能够增加气隙磁密的磁极。

4.如权利要求3所述的一种车用永磁同步电机，其特征在于，所述气隙设置所述极靴与所述定子齿之间。

5.如权利要求1或3所述的一种车用永磁同步电机，其特征在于，所述磁钢的形状为一字形条状结构、U形单层多段式结构或双层多段式结构中的一种。

6.如权利要求5所述的一种车用永磁同步电机，其特征在于，在所述一字形条状结构磁钢的两端设有凹凸面，相邻的两个一字形条状结构的磁钢通过凹凸面相衔接。

7.如权利要求5所述的一种车用永磁同步电机，其特征在于，所述U形单层多段式磁钢与所述双层多段式磁钢的两端均延伸至所述转子的内侧边缘。

8.如权利要求5所述的一种车用永磁同步电机，其特征在于，所述U形单层多段式结构磁钢两端的内部分别插入有树脂杆。

9.如权利要求1所述的一种应用于车用永磁同步电机中的可削弱磁阻力矩的定子铁芯，所述定子铁芯包括定子磁轭、定子槽以及定子齿，其特征在于，所述定子铁芯由三层定子冲片齿面不同的铁芯依次叠压构成，所述第一层铁芯为齿面右移θ角的定子冲片构成，所述第二层铁芯由齿面左、右移θ/2角的定子冲片构成，所述第三层铁芯由齿面左移θ角的定子冲片构成，三层铁芯的齿面叠压后形成斜齿，在所述定子齿的表面还设有半圆形的凹槽。

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