CN102761182B - 电动机转子及具有其的电动机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电动机转子及具有其的电动机。根据本发明的电动机转子，以永磁体远离铁心的中心的一侧的两端点之间的距离为永磁体长度L，以永磁体远离铁心的中心的一侧的两端点之间的连线与永磁体靠近铁心的中心的一侧的中点之间的距离为永磁体宽度H，则：

根据本发明的一种电动机，包括前述的电动机转子。通过调整永磁体长度L和宽度H之间的关系，可以有效地增加永磁体气隙磁密，即有效地增加转子的d轴和q轴方向的永磁磁通，从而在不增加永磁体用量的前提下提高永磁体利用率和提高电动机转子性能。

Description

电动机转子及具有其的电动机

技术领域

本发明涉及电动机领域，更具体地，涉及一种电动机转子及具有其的电动机。

背景技术

永磁同步电动机(IPM)是一种在转子内侧放置一层永磁体、主要利用永磁转矩、磁阻转矩为辅助的电动机。

磁阻转矩与永磁转矩的合成公式如下：T＝mp(L_q-L_d)i_di_q+mpψ_PMi_q。

其中，T为电动机输出转矩，提高T的值，可以提高电动机性能；T后等式中的第一项为磁阻转矩，第二项为永磁转矩；Ψ_PM为电动机永磁体产生的定转子耦合磁通的最大值，m为定子导体的相数，L_d、L_q分别为d轴和q轴电感，其中d轴指与主磁极轴线重合的轴，q轴指与主磁极轴线垂直的轴，其中的垂直指的是电角度；i_d、i_q分别是电枢电流在d轴、q轴方向上的分量。由上述合成公式可知，通过增加第二项的永磁转矩以及通过提高电动机d轴和q轴的电感差值都可以实现电动机输出转矩T的提高。

现有技术中主要通过提高永磁体的性能来提高电动机性能，即通过提高永磁转矩的做法来提高合成转矩的值，进而提高电动机效率，常见的做法就是内置稀土类永磁体。但是，由于稀土是不可再生资源，且价格昂贵，因此该种电动机更广泛的应用受到了限制。另外，由于受转子体积的限制，转子每极下的永磁体的占有率存在极限值，很难通过增加永磁体使用量的方式提高电动机输出转矩，这同样限制了电动机效率的提高。

发明内容

本发明目的在于提供一种能够提高永磁体利用率、从而提高电动机转子性能的电动机转子及具有其的电动机。

根据本发明的一个方面，提供了一种电动机转子，包括铁心和设于铁心内部的永磁体，铁心上沿铁心的周向方向上设置有多组安装槽，每组安装槽包括两个或者两个以上在铁心的径向方向上间断设置的安装槽；永磁体为多组，每组永磁体中的各个永磁体对应地嵌入每组安装槽的各个安装槽中；在与铁心的轴向方向垂直的永磁体的截面上，以永磁体远离铁心的中心的一侧的两端点之间的距离为永磁体长度L，以永磁体远离铁心的中心的一侧的两端点之间的连线与永磁体靠近铁心的中心的一侧的中点之间的距离为永磁体宽度H，则：

进一步地，每组安装槽中包括第一安装槽和第二安装槽，第一安装槽和第二安装槽中嵌入的永磁体分别为第一永磁体和第二永磁体，第一永磁体的永磁体长度和永磁体宽度分别为La1和Ha1，则 $\frac{3}{10}\≤\frac{\mathrm{Ha}1}{\mathrm{La}1}\≤\frac{7}{10}.$

进一步地，第二永磁体的永磁体长度和永磁体宽度分别为La2和Ha2，则

进一步地，每组安装槽中包括第一安装槽、第二安装槽和第三安装槽，第一安装槽、第二安装槽和第三安装槽中嵌入的永磁体分别为第一永磁体、第二永磁体和第三永磁体，第一永磁体的永磁体长度和永磁体宽度分别为Lb1和Hb1，则

进一步地，第二永磁体的永磁体长度和永磁体宽度分别为Lb2和Hb2，则

进一步地，第三永磁体的永磁体长度和永磁体宽度分别为Lb3和Hb3，则

根据本发明的一个方面，还提供了一种电动机，包括前述的电动机转子。

采用本发明的电动机转子及具有其的电动机，以永磁体远离铁心的中心的一侧的两端点之间的距离为永磁体长度L，以永磁体远离铁心的中心的一侧的两端点之间的连线与永磁体靠近铁心的中心的一侧的中点之间的距离为永磁体宽度H，根据实验结果发现，通过调整永磁体长度L和H之间的关系，可以有效地增加永磁体周围空气中的磁场强度，增加永磁体的气隙磁密，即有效地增加转子的d轴和q轴方向的永磁磁通，从而在不增加永磁体用量的前提下提高永磁体利用率和提高电动机转子性能。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明的发动机转子的一个实施例的结构示意图；

图2是根据本发明的发动机转子的一个实施例的永磁体长度L和永磁体宽度H的示意图；

图3是根据本发明的发动机转子的一个实施例的H/L与电机效率的关系示意图；

图4是根据本发明的发动机转子的另一个实施例的结构以及永磁体长度L和永磁体宽度H的示意图；

图5是根据本发明的发动机转子的另一个实施例的H/L与电机效率的关系示意图；以及

图6是根据本发明的发动机转子的H/L与气隙磁密的关系示意图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明从电机转子安装槽20中放置的永磁体20的内弧所延伸至安装槽的两端点之间的距离与同一永磁体20外弧面中点沿d轴方向至内弧两端点连线中点的距离关系进行了探讨，提出了在永磁体20使用量一定的情况下提高永磁转矩利用的方法，即永磁体尺寸的最优设计，从而实现电动机合成转矩T的最大化，提高了电动机效率。

如图1所示，本发明提供了一种电动机转子，包括铁心10和设于铁心10内部的永磁体20，铁心10上沿铁心10的周向方向上设置有多组安装槽30，每组安装槽30包括两个或者两个以上在铁心10的径向方向上间断设置的安装槽30；永磁体20为多组，每组永磁体20中的各个永磁体20对应地嵌入每组安装槽30的各个安装槽30中；在与铁心10的轴向方向垂直的永磁体20的截面上，以永磁体20远离铁心10的中心的一侧的两端点之间的距离为永磁体长度L，以永磁体20远离铁心10的中心的一侧的两端点之间的连线与永磁体20靠近铁心10的中心的一侧的中点之间的距离为永磁体宽度H，则：

如图1所示，本发明的电动机转子至少包括由硅钢片叠成的铁心10、嵌入在铁心10中的永磁体20。电动机转子铁心10中包含多组贯穿铁心10的安装槽30，每组安装槽30包含两层以上中间被铁心隔开的安装槽30。永磁体20嵌入安装槽30中，放置时要求同一组内的永磁体20朝发动机转子的外周方向呈同一极性，例如图1中所示，d轴方向上两层永磁体全部显示S极；同时要求相邻的两组永磁体20的磁性相反，各组永磁体20对外沿圆周方向按照NS极交替分布。在永磁体30放入安装槽30后，安装槽30两端可以留有一定的空隙，其中可以填充空气或者非导磁性介质。电动机转子的同一组永磁体20中相邻两片永磁体间由具有一定宽度的由硅钢片构成的磁通路径，电动机转子相邻两组安装槽30之间有宽度不恒定由硅钢片构成的连接筋。

在安装槽30中放入永磁体20，该转子能够提供磁阻转矩。由于d轴方向上放置了多层永磁体20，而永磁体20本身的磁阻很大，与空气磁导率相当，因此在d轴方向上的电感L_d较小，而q轴方向因为铁心10本身具有较高的磁导率，所以q轴方向上的电感L_q较大，因此提高了电动机转子的磁阻转矩，从而提高了电机输出转矩，也就提高了电动机效率。有了这种途径提高电动机效率，可以替代通过增加稀土类永磁体提高电动机效率的方法，从而减少了稀土用量，一方面节约了能源，减轻了环境负担，另一方面降低了成本，提升了产品竞争力。

另外，由于插入了永磁体20，该转子也能提供永磁转矩。以永磁体20远离铁心10的中心的一侧的两端点之间的距离为永磁体长度L，以永磁体20远离铁心10的中心的一侧的两端点之间的连线与永磁体20靠近铁心10的中心的一侧的中点之间的距离为永磁体宽度H，根据实验结果发现，通过调整永磁体长度L和H之间的长度，可以有效地增加永磁体气隙磁密(气隙磁密指空气中磁强的强度，气隙磁密越大，表示磁场强度越大，永磁体的转矩越大)，即有效地增加转子的d轴和q轴方向的永磁磁通，从而在不增加永磁体用量的前提下提高永磁体利用率和提高电动机转子性能。如图5所示，当

时，气隙磁密开始进入一个平缓的增加阶段。

根据本发明的第一实施例，如图2所示，每组安装槽30中包括第一安装槽31a和第二安装槽32a，第一安装槽31a和第二安装槽32a中嵌入的永磁体20分别为第一永磁体21a和第二永磁体22a，第一永磁体21a的永磁体长度和永磁体宽度分别为La1和Ha1，则优选地，第二永磁体22a的永磁体长度和永磁体宽度分别为La2和Ha2，则 $\frac{3}{10}\≤\frac{\mathrm{Ha}2}{\mathrm{La}2}\≤\frac{7}{10}.$

如图2所示，21和22分别为插入第一安装槽31a和第二安装槽32a的第一层永磁体和第二层永磁体。由于转子的每个极都占有一定的扇形面积，所以插入的弧形永磁体的曲率和弧形深度从结构上来看可以是任意的。但是，根据实验结果发现，通过调整永磁体内弧21a1向两侧延伸至安装槽31a的相交的两端点之间的距离与永磁体外弧21a2中点沿d轴方向至内弧21a1两端点连线所构成虚拟直线的距离H满足如下的关系时

在永磁体20体积一定的情况下，会增加永磁磁通。如图3所示的H/L与电机效率曲线，其为区间内多组试验数据的平均值，当H/L满足关系式

时，电动机效率比不满足关系式的情况要高，该关系式所产生的效果在电动机低速下运行时尤为显著。优选地，当第二安装槽32a中的第二永磁体22a的永磁体长度La2和永磁体宽度Ha2的关系满足

时，能够进一步提高电动机效率。

根据本发明的第二实施例，如图4所示，当每组安装槽30中包括第一安装槽31b、第二安装槽32b和第三安装槽33b，第一安装槽31b、第二安装槽32b和第三安装槽33b中嵌入的永磁体20分别为第一永磁体21b、第二永磁体22b和第三永磁体23b，第一永磁体21b的永磁体长度和永磁体宽度分别为Lb1和Hb1，则优选地，第二永磁体22b的永磁体长度和永磁体宽度分别为Lb2和Hb2，则

优选地，第三永磁体23b的永磁体长度和永磁体宽度分别为Lb3和Hb3，则

以上的关系式优选地适用于两层永磁体20的转子方案，其永磁体20的组数并不限制为如附图2所示的6极，对于4极、8极的转子均适用。

如图4所示，在本实施例中，每组安装槽30包括三层安装槽，分别为第一安装槽31b、第二安装槽32b和第三安装槽33b。根据实验结果发现，通过调整永磁体21b内弧向两侧延伸至安装槽31b的相交的两端点之间的距离与永磁体21b外弧中点沿d轴方向至内弧两端点连线所构成虚拟直线的距离H满足如下的关系

时，在永磁体体积一定的情况下，会增加永磁磁通，从而提高电机永磁转矩，最终达到提高电机效率的目的。如图5所示的H/L与电机效率曲线，其为区间内多组试验数据的平均值，当H/L满足关系式

时，电动机效率比不满足关系式的情况要高，该关系式所产生的效果在电动机低速下运行时尤为显著。优选地，当第二安装槽32b中的第二永磁体22b的永磁体长度Lb2和永磁体宽度Hb2的关系满足

时，能够进一步提高电动机效率。优选地，当第三安装槽33b中的第二永磁体23b的永磁体长度Lb3和永磁体宽度Hb3的关系满足

时，能够进一步提高电动机效率。

本实施例中的关系式优选地适用于三层永磁体20的转子方案，其永磁体20的组数并不限制为如附图4所示的4极，对于6极、8极的转子均适用。

本发明的电动机转子中所嵌入的永磁体与通槽的形式可以设计成等厚度的弧形，也可以是中间厚两边薄的不等厚度弧形。

本发明还提供了一种电动机，包括前述的电动机转子。

本发明的电动机，通过限定永磁体长度与其宽度之间的关系，在永磁体体积一定的情况下提高了永磁体磁通利用率和电机永磁转矩，最终达到提高电机效率的目的。本发明的电动机可以应用在空调压缩机、电动车以及风扇系统中。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

本发明的电动机转子及具有其的电动机，在永磁体使用量一定的情况下，能够提高电机转子永磁转矩的利用率，达到提高电机效率的目的；或者在保持电机效率不变的情况下，能够减少永磁体的使用量，达到节约材料降低电机成本的目的。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种电动机转子，包括铁心(10)和设于所述铁心(10)内部的永磁体(20)，其特征在于，

所述铁心(10)上沿所述铁心(10)的周向方向上设置有多组安装槽(30)，每组所述安装槽(30)包括两个或者两个以上在所述铁心(10)的径向方向上间断设置的安装槽(30)；

所述永磁体(20)为多组，每组所述永磁体(20)中的各个永磁体(20)对应地嵌入每组安装槽(30)的各个所述安装槽(30)中；

在与所述铁心(10)的轴向方向垂直的永磁体(20)的截面上，以所述永磁体(20)远离所述铁心(10)的中心的一侧的两端点之间的距离为永磁体长度L，以所述永磁体(20)远离所述铁心(10)的中心的一侧的两端点之间的连线与所述永磁体(20)靠近所述铁心(10)的中心的一侧的中点之间的距离为永磁体宽度H，则

2.根据权利要求1所述的电动机转子，其特征在于，每组所述安装槽(30)中包括第一安装槽(31a)和第二安装槽(32a)，所述第一安装槽(31a)和所述第二安装槽(32a)中嵌入的永磁体(20)分别为第一永磁体(21a)和第二永磁体(22a)，所述第一永磁体(21a)的永磁体长度和永磁体宽度分别为La1和Ha1，则

3.根据权利要求2所述的电动机转子，其特征在于，所述第二永磁体(22a)的永磁体长度和永磁体宽度分别为La2和Ha2，则

4.根据权利要求1所述的电动机转子，其特征在于，每组所述安装槽(30)中包括第一安装槽(31b)、第二安装槽(32b)和第三安装槽(33b)，所述第一安装槽(31b)、所述第二安装槽(32b)和所述第三安装槽(33b)中嵌入的永磁体(20)分别为第一永磁体(21b)、第二永磁体(22b)和第三永磁体(23b)，所述第一永磁体(21b)的永磁体长度和永磁体宽度分别为Lb1和Hb1，则

5.根据权利要求4所述的电动机转子，其特征在于，所述第二永磁体(22b)的永磁体长度和永磁体宽度分别为Lb2和Hb2，则

6.根据权利要求4所述的电动机转子，其特征在于，所述第三永磁体(23b)的永磁体长度和永磁体宽度分别为Lb3和Hb3，则

7.一种电动机，包括权利要求1至6中任一项所述的电动机转子。

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