CN102780291A - 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，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；永磁体在垂直于转子的轴线上的横截面的中间厚度大于其两端厚度。根据本发明的电动机，包括前述的电动机转子。本发明的电动机转子及具有其的电动机，优化了永磁体的形状，永磁体在垂直于转子的轴线上的横截面的中间厚度大于其两端厚度，在面积一定的转子中可以排布更多的永磁体，提高了转子每极下的永磁体的占有率，从而提高了电动机的效率。

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，P为电机极对数，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。而采用非稀土材料的永磁体作为永磁转矩的来源，则面临着永磁体发生不可逆退磁的问题。

另外，由于受转子体积的限制，同时考虑到磁阻转矩的利用，转子每极下的永磁体的占有率存在极限值，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通过优化永磁体形状来提高永磁体占有率，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；永磁体在垂直于转子的轴线上的横截面的中间厚度大于其两端厚度。

进一步地，永磁体在沿其对称线的方向上的厚度为T，永磁体的最末端的厚度为A，其中： $\frac{2}{5}\≤\frac{A}{T}\≤1.$

进一步地，安装槽的边缘与转子外周之间形成隔磁桥，隔磁桥的宽度为0.5mm至1.0mm。

进一步地，安装槽的与铁心的轴向方向垂直的截面上包括外圆弧段，安装槽的外圆弧段的圆心都分布在转子的对称轴线上。

进一步地，安装槽的与铁心的轴向方向垂直的截面上还包括内圆弧段，安装槽的内圆弧段的圆心分布在转子的对称轴线上。

进一步地，安装槽的与铁心的轴向方向垂直的截面上还包括与外圆弧段的两端分别相连接的第一外直线段a和第二外直线段c，第一外直线段a与第二外直线段c之间的夹角为β，则：其中P为电动机转子的转子极数。

进一步地，安装槽的垂直于铁心的轴向的截面还包括与外圆弧段的一端相连接的第一外直线段a以及与内圆弧段的一端相连接的与第一外直线段a位于同一侧的第一内直线段b，第一外直线段a与第一内直线段b之间的夹角为α，其中，α为锐角。

进一步地，各个安装槽的与铁心的轴向方向垂直的截面上均包括圆弧段，每组安装槽的沿从铁心的轴心起到铁心的外周方向上由近及远依次分布的各个圆弧段的圆心在此方向上由近及远依次分布。

进一步地，各个永磁体的两端与其嵌入的安装槽的两端之间具有空隙。

进一步地，永磁体的两端与安装槽的两端之间的空隙中填充非导磁介质。

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，优化了永磁体的形状，永磁体在垂直于转子的轴线上的横截面的中间厚度大于其两端厚度，在面积一定的转子中可以排布更多的永磁体，提高了转子每极下的永磁体的占有率，从而提高了电动机的效率。

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结构示意图；

图2是根据本发明的发动机转子的安装槽的形状示意图；

图3是根据本发明的发动机转子的永磁体的厚度的示意图；

图4是根据本发明的发动机转子的退磁电流与A/T值之间的关系示意图，其中，A为永磁体的末端厚度，T为永磁体的中心厚度；

图5是根据本发明的发动机转子的单层永磁体体积与A/T值之间的关系示意图，其中，A为永磁体的末端厚度，T为永磁体的中心厚度。

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；永磁体20在垂直于转子的轴线上的横截面的中间厚度大于其两端厚度。

以如图1所示的四极每极下三层永磁体的电动机转子为例进行说明，图1中10为电动机转子的铁心，由硅钢片叠压而成，以转子轴心为圆心按照圆周方向均匀分布了四组通槽，每组通槽中又含有三层弧形的安装槽30。在安装槽30中放入永磁体20，放置时要求同一组内的永磁体20朝转子外周方向呈同一极性，如图1中沿d轴方向的三层永磁体全部显示N极；同时要求相邻的两组磁性相反，四组永磁体对外沿圆周方向按照NS极交替分布。同一组永磁体20中相邻两层永磁体20之间具有一定宽度的由硅钢片构成的磁通路径12，相邻两极之间有宽度不恒定的连接筋11。

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Ld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Lq较大，因此提高了电动机转子的磁阻转矩，从而提高了电动机输出转矩，也就提高了电动机效率。

另外，由于磁阻转矩的充分利用需要保证磁通路径12和连接筋11具有一定的宽度，所以当弧形的永磁体20的中间厚度大于其两端厚度时，在转子的某一个极下才可以尽可能多的排布下永磁体20，提高了转子每极下的永磁体20的占有率。永磁体20的增加对永磁转矩的提高具有很大贡献，从而提高了电动机的效率。

如图1所示，各个永磁体20的两端与其嵌入的安装槽30的两端之间具有空隙。永磁体20的两端与安装槽30的两端之间的空隙中填充非导磁介质。

每组永磁体20中包括在垂直于转子的轴线上的横截面为弧形的永磁体20，每组永磁体20中的各个永磁体20的沿转子的径向靠近转子中心的表面为弧形表面。由于永磁体20在两端部较薄比较容易退磁，因此永磁体20并没有填充满整个安装槽30而是在端部留有一定的空间，目的是防止永磁体20的端部退磁。在本实施例中，弧形的永磁体20比安装槽30略短，将永磁体20插入安装槽30后在永磁体20的两端部均留有的空隙，其中可以填充空气或者其他非导磁性介质。

优选地，如图2所示，安装槽30的边缘与转子外周之间形成隔磁桥13，隔磁桥13的宽度为0.5mm至1.0mm。

安装槽30与转子的外周之间具有距离，即在此处形成隔磁桥13，用于进一步减少永磁体20在边界出现的磁通泄漏，以提高永磁磁通的利用率。隔磁桥13的宽度应该满足一定的范围，隔磁桥13太宽，会影响隔磁效果；隔磁桥13太窄，会影响整个转子的机械强度，将隔磁桥13的宽度设置在0.5mm至1.0mm范围内，可以在保证转子机械强度的前提下达到最优的隔磁效果。

如图3所示，永磁体20在沿其对称线的方向上的厚度为T，永磁体20的最末端的厚度为A，其中： $\frac{2}{5}\≤\frac{A}{T}\≤1.$

为解决永磁体20发生不可逆的退磁问题，尤其是解决永磁体20在其中心部产生退磁的问题，将A与T的比值限定到前述的范围内。如图4的电动机退磁电流与A/T的关系示意图以及图5的单片永磁体的体积与A/T的关系示意图所示，当A/T比值小于2/5时，所用的永磁体体积迅速地增加了，但是相应的退磁电流确没有得到明显的增加；当A/T比值大于1时，由于永磁体中间薄两边厚将影响永磁体在转子极上的排布，会降低永磁体的含有率。因此，A/T在上式范围内时，能够提高永磁体20的抗退磁性能，使得电动机能够在更高的电流下工作，输出更大的转矩。其中，为了研究和计算方便，图4和图5中的A值为恒定值，即永磁体20的两端厚度预先设定。上述关于A/T的公式，适用于转子上的任一永磁体20的端部厚度与中心厚度之间的关系。

如图2所示，以任一组的安装槽30为例，安装槽30的与铁心10的轴向方向垂直的截面上包括外圆弧段33，安装槽30的外圆弧段33的圆心都分布在转子的对称轴线上。安装槽30的与铁心10的轴向方向垂直的截面上还包括内圆弧段34，安装槽30的内圆弧段34的圆心分布在转子的对称轴线上。优选地，各个安装槽30的与铁心10的轴向方向垂直的截面上均包括圆弧段，每组安装槽30的沿从铁心10的轴心起到铁心10的外周方向上由近及远依次分布的各个圆弧段的圆心在此方向上由近及远依次分布。

图2中的90a和90b所示的为每一层安装槽30的内外弧形所在的虚拟的圆，可以看到所有弧线的圆心均朝d轴的方向分布，且圆心在安装槽的对称轴线上。具体地，从靠近转子轴心方向起由内而外的多条弧线的圆心依次远离转子中心。特别的，每一层安装槽30的内弧在转子以外虚拟聚集于区域9b，相应的，外弧在转子以外虚拟的聚集于区域9a，两区域的距离与永磁体20的厚度相关。

优选地，最外一层永磁体20及安装槽30的内弧可以是弧形，但通常设计成与d轴方向相垂直的直线段31，以此增加外层永磁体20的使用量，从而提高转子表面的磁场强度。

如图2所示，安装槽30的与铁心10的轴向方向垂直的截面上还包括与外圆弧段33的两端分别相连接的第一外直线段32a和第二外直线段32c，第一外直线段32a与第二外直线段32c之间的夹角为β，则：

其中P为电动机转子的转子极数。

以图2中最靠近转子圆心的内层槽进行说明，第一外直线段32a和第二外直线段32c分别与外圆弧段33的两端相接并延伸至距离转子外周处0.5mm至1.0mm宽的地方结束。其中第一外直线段32a和第二外直线段32c之间互成一定角度β。β满足关系式能够在每极下安放较多的永磁体

如图2所示，安装槽30的垂直于铁心10的轴向的截面还包括与外圆弧段33的一端相连接的第一外直线段32a以及与内圆弧段34的一端相连接的与第一外直线段32a位于同一侧的第一内直线段32b，第一外直线段32a与第一内直线段32b之间的夹角为α，其中，α为锐角。

安装槽30末端的第一外直线段32a与第一内直线段32b之间形成锐角α，因此安装槽30在其末端的延伸处产生了收敛的效果，使得安装槽30中央沿d轴轴线处的宽度大于其两端的宽度。因为所设计的永磁体20的形状紧密贴合安装槽30，所以通过此种收敛可以达到不使用任何额外定位部件或粘接剂的情况下实现转子旋转时固定永磁体20并防止永磁体20滑动的目的。此种设置也同样适用于其他槽型的内边与外边的边缘的构成形式。

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，通过限定永磁体厚度与其间隙之间的关系，提高了磁阻转矩的利用，提高了电动机的效率。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，从电动机转子安装槽中放置的永磁体的中心厚度与其两端部厚度的关系以及永磁体及安装槽的设计进行了探讨，提出了在不影响磁阻转矩利用的情况下增大永磁体含有率以及提高电动机转子永磁体抗退磁性能的方法，优化了永磁体形状，最终提高了电动机效率并实现了电动机在更高的负载条件下工作而不容易发生退磁现象的效果。

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 (11)

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；

所述永磁体(20)在垂直于所述转子的轴线上的横截面的中间厚度大于其两端厚度。

2.根据权利要求1所述的电动机转子，其特征在于，所述永磁体(20)在沿其对称线的方向上的厚度为T，所述永磁体(20)的最末端的厚度为A，其中：

$\frac{2}{5}\≤\frac{A}{T}\≤1.$

3.根据权利要求1所述的电动机转子，其特征在于，所述安装槽(30)的边缘与所述转子外周之间形成隔磁桥(13)，所述隔磁桥(13)的宽度为0.5mm至1.0mm。

4.根据权利要求1所述的电动机转子，其特征在于，所述安装槽(30)的与所述铁心(10)的轴向方向垂直的截面上包括外圆弧段(33)，所述安装槽(30)的所述外圆弧段(33)的圆心都分布在所述转子的对称轴线上。

5.根据权利要求4所述的电动机转子，其特征在于，所述安装槽(30)的与所述铁心(10)的轴向方向垂直的截面上还包括内圆弧段(34)，所述安装槽(30)的所述内圆弧段(34)的圆心分布在所述转子的对称轴线上。

6.根据权利要求5所述的电动机转子，其特征在于，所述安装槽(30)的与所述铁心(10)的轴向方向垂直的截面上还包括与所述外圆弧段(33)的两端分别相连接的第一外直线段(32a)和第二外直线段(32c)，所述第一外直线段(32a)与所述第二外直线段(32c)之间的夹角为β，则：

其中P为所述电动机转子的转子极数。

7.根据权利要求5所述的电动机转子，其特征在于，所述安装槽(30)的垂直于所述铁心(10)的轴向的截面还包括与所述外圆弧段(33)的一端相连接的第一外直线段(32a)以及与所述内圆弧段(34)的一端相连接的与所述第一外直线段(32a)位于同一侧的第一内直线段(32b)，所述第一外直线段(32a)与所述第一内直线段(32b)之间的夹角为α，其中，α为锐角。

8.根据权利要求1所述的电动机转子，其特征在于，各个所述安装槽(30)的与所述铁心(10)的轴向方向垂直的截面上均包括圆弧段，每组所述安装槽(30)的沿从所述铁心(10)的轴心起到所述铁心(10)的外周方向上由近及远依次分布的各个所述圆弧段的圆心在此方向上由近及远依次分布。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的电动机转子，其特征在于，各个所述永磁体(20)的两端与其嵌入的所述安装槽(30)的两端之间具有空隙。

10.根据权利要求9所述的电动机转子，其特征在于，所述永磁体(20)的两端与所述安装槽(30)的两端之间的空隙中填充非导磁介质。

11.一种电动机，包括权利要求1至10中任一项所述的电动机转子。

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