CN102801236A - 永磁辅助同步磁阻电机及其转子以及该电机的组装方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种永磁辅助同步磁阻电机及其转子以及该电机的组装方法。本发明的电机的转子包括：转子铁心，转子铁心上均匀分布多个永磁体槽组，每个永磁体槽组包括至少两层永磁体槽，永磁体槽将转子铁心分隔为多个铁心层，每个永磁体槽的两端具有连接相邻两个铁心层的磁桥；多个永磁体组，每个永磁体组包括分别配合地嵌入在相应的永磁体槽组的永磁体槽中的至少两层永磁体，每个永磁体组内的各永磁体为同一极性，相邻的两个永磁体组极性相反；其中永磁体槽为宽度从中间至两端逐渐减小的弧形槽，永磁体的内弧和外弧的弯曲曲率一致。本发明可以缓解弧形永磁体易在永磁体中间内表面退磁的问题，同时提高永磁体利用率。

Description

永磁辅助同步磁阻电机及其转子以及该电机的组装方法

技术领域

本发明涉及电机领域，更具体地，涉及一种永磁辅助同步磁阻电机及其转子以及该电机的组装方法。

背景技术

内置式永磁同步电机(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机，其主要通过提高永磁体的性能来提高电机性能，常见的做法是内置稀土类永磁体。但是，稀土是不可再生资源，其价格昂贵，因此内置式永磁同步电机更广泛的应用受限。

为了节约稀有金属资源，减轻环境负担，结合同步磁阻电机与IPM电机二者的优势，开发使用少量稀土或者不用稀土的永磁辅助同步磁阻电机是大势所趋。永磁辅助同步磁阻电机的电磁转矩由磁阻转矩与永磁转矩构成，其电磁转矩公式如下：

T＝p(L_d-L_q)i_di_q+pΨ_PMi_q

上式中第一项为磁阻转矩，第二项为永磁转矩。其中p为电机极对数，Ψ_PM为转子永磁体在定子绕组上产生的磁链，Ld、Lq分别为d轴和q轴电感，i_d、i_q是定子电流空间矢量在d轴、q轴方向上的分量。其中，d轴方向为转子磁场的方向，是由连接各永磁体中心和转子中心的方向加以确定的；q轴方向是由连接相邻极间的分界和转子中心的方向加以确定的。通过增加第二项中的Ψ_PM以及通过提高电机d轴、q轴电感差值(提高q轴电感或减小d轴电感)都可以实现电机输出转矩的提高。

但是，现有的内置式永磁同步电机中，磁阻转矩利用率很低，内置式永磁同步电机转矩的主要构成部分为永磁转矩，这就导致采用低磁性能永磁体的内置式永磁同步电机的单位电流产生的电磁转矩较小，电机工作电流大，进而增大了内置式永磁同步电机退磁的风险。

为了解决上述问题，现有技术的内置式永磁同步电机中通常采用以下方法来保证电机具有足够的抗退磁能力，如：采用高矫顽力的永磁材料、增大永磁体使用量等。这些方法虽能在一定程度上提升内置式永磁同步电机的抗退磁能力，但同时也带来了内置式永磁同步电机制造成本的增长。

发明内容

本发明目的在于提供一种缓解弧形永磁体中间内表面退磁问题，防止永磁体在永磁体槽内发生滑动并提高永磁体利用率的永磁辅助同步磁阻电机及其转子以及该电机的组装方法。

本发明提供了一种永磁辅助同步磁阻电机的转子，包括：转子铁心，在所述转子铁心上以所述转子的轴心为圆心按圆周方向均匀分布多个永磁体槽组，每个永磁体槽组包括至少两层永磁体槽，所述永磁体槽将所述转子铁心分隔为多个铁心层，所述转子铁心在每个所述永磁体槽的两端具有连接相邻两个铁心层的磁桥；多个永磁体组，每个永磁体组包括分别配合地嵌入在相应的永磁体槽组的永磁体槽中的至少两层永磁体，每个永磁体组内的各永磁体为同一极性，相邻的两个永磁体组极性相反；其中所述永磁体槽为宽度从中间至两端逐渐减小的弧形槽，所述永磁体的内弧和外弧的弯曲曲率一致。

进一步地，所述永磁体为烧结钕铁硼永磁体。

进一步地，所述转子铁心采用软磁材料通过铸造形成一个整体。

进一步地，所述永磁体槽组的最外层的永磁体槽两端的磁桥厚度最小，最内层永磁体槽两端的磁桥厚度最大，且由外至内各层永磁体槽两端的磁桥厚度依次递增。

进一步地，所述永磁体槽组具有三层永磁体槽，三层永磁体槽的磁桥厚度满足如下条件：2Lb≥Lc≥1.2Lb，且2La≥Lb≥1.1La，其中La、Lb和Lc分别为外层、中间层和内层的永磁体槽两端的磁桥厚度。

进一步地，所述永磁体槽组具有两层永磁体槽，两层永磁体槽的磁桥厚度满足如下条件：2La≥Lb≥1.1La，其中La、Lb分别为外层和内层的永磁体槽两端的磁桥厚度。

本发明还提供了一种永磁辅助同步磁阻电机，包括定子和由所述定子环绕的可转动的转子，其中所述转子为前述的永磁辅助同步磁阻电机的转子。

本发明还提供了一种永磁辅助同步磁阻电机的组装方法，包括以下步骤：步骤一，将永磁体插入转子铁心中的永磁体槽，使所述永磁体槽为宽度从中间至两端逐渐减小的弧形槽，且所述永磁体的内弧和外弧的弯曲曲率一致；步骤二，将转子铁心两端用挡板封盖，从而将永磁体固定在永磁体槽中；步骤三，将封盖好的转子铁心放置于定子中，并盖合好电机外壳。

根据本发明的永磁辅助同步磁阻电机及其转子以及该电机的组装方法，将永磁体内弧和外弧的弧度进行设计，可以有效缓解弧形永磁体容易在永磁体中间内表面退磁的问题，且中间厚两端薄的永磁体在永磁体槽内不会发生滑动，因而不会造成因永磁体不对称而加大电机的噪声和振动的现象，同时可以提高永磁体利用率。进一步地，对转子的永磁体槽两端的各磁桥厚度进行设计，加强了转子的机械强度。

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是根据本发明第一实施例的永磁辅助同步磁阻电机的转子结构示意图；

图2是根据本发明第二实施例的永磁辅助同步磁阻电机的转子结构示意图；

图3是根据本发明第一实施例的永磁辅助同步磁阻电机的永磁体加工示意图；

图4是根据本发明第一实施例的永磁辅助同步磁阻电机的不等厚的磁桥结构示意图；以及

图5是根据本发明第二实施例的永磁辅助同步磁阻电机的不等厚的磁桥结构示意图。

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。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

以下结合图1和图4对本发明第一实施例的永磁辅助同步磁阻电机的转子结构进行详细说明，该转子具有四个永磁体组即四个极，每个永磁体组内包括三层永磁体。

第一实施例的永磁辅助同步磁阻电机的转子1包括转子铁心2和置于转子铁心2内部的四个永磁体组。

转子铁心2可以通过硅钢板叠压而成。在转子铁心2上以转子1的轴心为圆心按圆周方向均匀分布四个永磁体槽组，每个永磁体槽组包括三层永磁体槽，即内层永磁体槽3a、中间层永磁体槽3b和外层永磁体槽3c。永磁体槽3a、3b和3c将转子铁心2分隔为多个铁心层，转子铁心2在每个永磁体槽3a、3b、3c的两端具有连接相邻两个铁心层的磁桥，即外层磁桥5a、中间层磁桥5b和内层磁桥5c。

四个永磁体组与四个永磁体槽组对应设置，每个永磁体组包括分别配合地嵌入在相应的永磁体槽组的永磁体槽3a、3b和3c中的三层永磁体，即内层永磁体4a、中间层永磁体4b和外层永磁体4c，每个永磁体组内的各永磁体4a、4b和4c为同一极性，相邻的两个永磁体组极性相反，四个永磁体组沿圆周方向按照N极、S极交替分布。永磁体4a、4b和4c比相应的永磁体槽3a、3b和3c略短，各永磁体插入相应的永磁体槽后在其两端部留有一定的空隙，空隙中可以填充空气或者其他非导磁性介质。

每个永磁体槽3a、3b和3c均为宽度从中间至两端逐渐减小的弧形槽，每个永磁体4a、4b和4c的内弧和外弧的形状一致。永磁体槽宽度从中间至两端逐渐减小，可以有效缓解弧形永磁体容易在永磁体中间内表面退磁的问题，且中间厚两端薄的永磁体在永磁体槽内不会发生滑动，从而可防止因永磁体不对称而加大电机的噪声和振动。

图3示出了永磁体的加工示意图，根据图3的永磁体加工排料情况可知，由于每个永磁体的内弧和外弧的弯曲曲率一致，在减少了永磁体分割工作量的同时，可以有效提高永磁体的材料利用率。

优选地，永磁体的内弧和外弧为半径相等的圆弧。如图1所示，第一实施例中，外层永磁体4c的内弧和外弧半径均为R1，中间层永磁体4b的内弧和外弧半径均为R2，内层永磁体4a的内弧和外弧半径均为R3。

永磁体4a、4b、4c可以为烧结钕铁硼永磁体。采用烧结钕铁硼永磁体能提高电机的定子磁链，加大电机永磁转矩的利用。

优选地，永磁体槽组的最外层的永磁体槽两端的磁桥厚度最小，最内层永磁体槽两端的磁桥厚度最大，且由外至内各层永磁体槽的磁桥厚度依次递增。在第一实施例中具体地永磁体槽组具有三层永磁体槽，三层永磁体槽的磁桥厚度满足如下条件：2Lb≥Lc≥1.2Lb，且2La≥Lb≥1.1La，其中La、Lb和Lc分别为外层、中间层和内层的永磁体槽两端的磁桥厚度。

如图1所示，当转子高速旋转时，各永磁体所受离心力均施加在其靠近转子1外周侧相邻的硅钢片上，三层永磁体以及与永磁体相邻外侧的硅钢片所产生离心力由外到内分别为F1、F2、F3，如图1中箭头所示，离心力F1、F2、F3分别作用在外层磁桥5a、中间层磁桥5b和内层磁桥5c上，这三处磁桥受力不相同，其中外层磁桥5a受力最小，内层磁桥5c受力最大，最大应力集中在内层磁桥5c处，为了缓解应力的局部集中，使三处磁桥应力均衡，将三处磁桥的厚度La、Lb、Lc设计成不相等，其中Lc≥Lb≥La。为使效果达到最佳，其中Lc≥1.2Lb，Lb≥1.1La。同时，由于磁桥的大小直接决定了永磁体端部的漏磁，为了保证漏磁较小，磁桥也不能过大，经综合考虑，磁桥厚度设计成为2Lb≥Lc≥1.2Lb，2La≥Lb≥1.1La为最佳。

为了加强转子的机械强度，也可以将转子铁心2采用软磁材料通过铸造整体形成。

图2和图5示出了本发明的第二实施例的永磁辅助同步磁阻电机的转子结构。该转子1包括转子铁心2和六个永磁体组即六个极，每个永磁体组内包括两层永磁体。

第二实施例中，永磁体槽组包括两层永磁体槽，即内层永磁体槽3a和外层永磁体槽3b。对应于每个永磁体槽3a和3b的两端都具有连接相邻两个铁心层的外层磁桥5a和内层磁桥5b。六个永磁体组与六个永磁体槽组对应设置，每个永磁体组具有分别配合地嵌入在相应的永磁体槽组的永磁体槽3a和3b中的两层永磁体，即内层永磁体4a和外层永磁体4b。每个永磁体槽3a和3b均为宽度从中间至两端逐渐减小的弧形槽，与永磁体槽3a和3b对应的，弧形的外层永磁体4b的内弧和外弧半径均为R，内层永磁体4a的内弧和外弧半径均为R1。

第二实施例中，综合考虑各处磁桥受力和永磁体端部的漏磁，两层永磁体槽的磁桥厚度满足如下条件：2La≥Lb≥1.1La，其中La、Lb分别为外层和内层的永磁体槽两端的磁桥厚度。

无论是第一实施例的四极、每极三层永磁体的转子还是第二实施例的六极、每极两层永磁体的转子，采用以上技术手段，都可以增加电机永磁体材料利用率，加强转子机械强度。

本发明的永磁辅助同步磁阻电机，包括定子和由定子环绕的可转动的转子，其中，转子为前述的永磁辅助同步磁阻电机的转子。该永磁辅助同步磁阻电机为多组、多层永磁体结构的永磁辅助同步磁阻电机，可以应用在空调压缩机、电动车以及风扇等系统中，能提高电机永磁体利用率以及加强机械强度。

本发明的永磁辅助同步磁阻电机的组装方法包括以下步骤：

步骤一，将永磁体4a、4b、4c插入转子铁心2中的永磁体槽3a、3b、3c，使所述永磁体槽3a、3b、3c为宽度从中间至两端逐渐减小的弧形槽，且所述永磁体4a、4b、4c的内弧和外弧的弯曲曲率一致；

步骤二，将转子铁心2两端用挡板封盖，从而将永磁体4a、4b、4c固定在永磁体槽3a、3b、3c中；

步骤三，将封盖好的转子铁心2放置于定子中，并盖合好电机外壳。

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：将电机转子永磁体内弧、外弧弧度以及磁桥厚度进行设计，可以缓解弧形永磁体中间内表面退磁问题、防止永磁体在永磁体槽内发生滑动、提高转子永磁体利用率以及加强转子机械强度。

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 (8)

1.一种永磁辅助同步磁阻电机的转子，包括：

转子铁心(2)，在所述转子铁心(2)上以所述转子的轴心为圆心按圆周方向均匀分布多个永磁体槽组，每个永磁体槽组包括至少两层永磁体槽(3a、3b、3c)，所述永磁体槽(3a、3b、3c)将所述转子铁心(2)分隔为多个铁心层，所述转子铁心(2)在每个所述永磁体槽(3a、3b、3c)的两端具有连接相邻两个铁心层的磁桥(5a、5b、5c)；

多个永磁体组，每个永磁体组包括分别配合地嵌入在相应的永磁体槽组的永磁体槽(3a、3b、3c)中的至少两层永磁体(4a、4b、4c)，每个永磁体组内的各永磁体(4a、4b、4c)为同一极性，相邻的两个永磁体组极性相反；

其特征在于，所述永磁体槽(3a、3b、3c)为宽度从中间至两端逐渐减小的弧形槽，所述永磁体(4a、4b、4c)的内弧和外弧的弯曲曲率一致。

2.根据权利要求1所述的永磁辅助同步磁阻电机的转子，其特征在于，所述永磁体(4a、4b、4c)为烧结钕铁硼永磁体。

3.根据权利要求1所述的永磁辅助同步磁阻电机的转子，其特征在于，所述转子铁心(2)采用软磁材料通过铸造形成一个整体。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的永磁辅助同步磁阻电机的转子，其特征在于，所述永磁体槽组的最外层的永磁体槽两端的磁桥厚度最小，最内层永磁体槽两端的磁桥厚度最大，且由外至内各层永磁体槽两端的磁桥厚度依次递增。

5.根据权利要求4所述的永磁辅助同步磁阻电机的转子，其特征在于，所述永磁体槽组具有三层永磁体槽，三层永磁体槽的磁桥厚度满足如下条件：2Lb≥Lc≥1.2Lb，且2La≥Lb≥1.1La，其中La、Lb和Lc分别为外层、中间层和内层的永磁体槽两端的磁桥厚度。

6.根据权利要求4所述的永磁辅助同步磁阻电机的转子，其特征在于，所述永磁体槽组具有两层永磁体槽，两层永磁体槽的磁桥厚度满足如下条件：2La≥Lb≥1.1La，其中La、Lb分别为外层和内层的永磁体槽两端的磁桥厚度。

7.一种永磁辅助同步磁阻电机，包括定子和由所述定子环绕的可转动的转子，其特征在于，所述转子为根据权利要求1至6中任一项所述的永磁辅助同步磁阻电机的转子。

8.一种永磁辅助同步磁阻电机的组装方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，将永磁体(4a、4b、4c)插入转子铁心(2)中的永磁体槽(3a、3b、3c)，使所述永磁体槽(3a、3b、3c)为宽度从中间至两端逐渐减小的弧形槽，且所述永磁体(4a、4b、4c)的内弧和外弧的弯曲曲率一致；

步骤二，将转子铁心(2)两端用挡板封盖，从而将永磁体(4a、4b、4c)固定在永磁体槽(3a、3b、3c)中；

步骤三，将封盖好的转子铁心(2)放置于定子中，并盖合好电机外壳。

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