CN103929033A - 一种永磁体为弓形的永磁同步电机转子结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种永磁体为弓形的永磁同步电机转子结构，其弓形磁钢一边为弧形，另一边为一字型。其中弧形的开口朝着转子铁心的中心，可以较明显的改善气隙磁场和绕组反电动势波形。同时该转子结构每个磁极的两边分别设有隔磁桥，该隔磁桥的设置可以减少漏磁通。从本质上改善了永磁同步电机的气隙磁密波形，从而改善了永磁同步电机反电动势波形，降低了涡流损耗，降低了转矩脉动，降低电机的振动及噪声，降低了电机的温升，提高了电机的效率，提高了电机运行的稳定性，提高了电机的整体性能。
Description
技术领域
本发明属于电机技术领域，具体涉及一种永磁体为弓形的永磁同步电机转子结构。
背景技术
随着永磁同步电机设计开发和控制技术的逐渐成熟和完备，以及永磁体在性能和产业化方面的不断发展，永磁同步电机以其既具有直流电机良好的调速特性，又具有交流电机结构简单、维修方便、运行稳定、性能可靠的优点而在各个领域的需求越来越大，发展前景越来越好。目前，永磁同步电机大量应用于各种伺服电机、风力发电领域、电动汽车驱动领域以及数控机床电主轴电机。
然而现阶段的永磁同步电机，尤其是分数槽永磁同步电机，其交流绕组反电动势的谐波含量比较大，尤其是内嵌式集中绕组的永磁同步电机，反电动势谐波含量大会导致电机涡流损耗增加，温升增加，电机效率下降，对电机性能有较为严重的影响。永磁同步电机绕组反电动势谐波含量大的主要原因是电机的气隙磁密的波形正弦性差，混入了较多的偶次谐波，使电机的气隙磁密呈现为梯形波，因而绕组的反电动势的谐波含量会比较大。在凸极感应电机的设计中，设计人员往往采用不均匀气隙的方法来得到正弦的气隙磁密波形，然而这种方法对于永磁同步电机来说并不适用，所以寻找一种适用于永磁同步电机的改善气隙磁密波形的方法就显得尤为重要了。
根据磁路欧姆定理可得磁通Φ等于磁势F除以磁阻Rm，在电机的相同磁极下，磁路基本相同，磁阻也基本相同，所以磁势大的地方就会产生较大的磁通，也就会在气隙中产生较大的磁密。根据这一原理只要合理控制永磁体产生的磁势就可以控制空载气隙磁密的波形。而永磁体的磁势与永磁体充磁方向上的长度成正比，所以合理设计永磁体充磁方向上的长度就可以控制气隙磁密的波形，达到改善气隙磁密波形的目的。
因此，如何改善气隙磁场波形和反电动势波形是本领域技术人员需要解决的技术问题。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种永磁体为弓形的永磁同步电机转子结构，解决分数槽集中绕组永磁同步电机的气隙磁密波形正弦性差的问题。
技术方案
一种永磁体为弓形的永磁同步电机转子结构，包括转子铁心2、永磁体3、隔磁桥4、隔磁气隙6和转轴5；其特征在于：所述永磁体3为一边为弧形，一边为一字型的弓形磁钢，弧形的开口朝着转子铁心的中心且弧形的中心与转子铁心2的轴心重合。
所述永磁体3弓形的充磁方向的厚度最大值Hmax和最小值Hmin满足关系式：其中：αp为电机的极弧系数。
所述永磁体3弓形的充磁方向的厚度最小值Hmin为电机设计的路算永磁体厚度的0.6～1倍。
所述永磁体3两端的隔磁气隙6的宽度为永磁体最小厚度的1～1.5倍，隔磁气隙的长度保证电机设计的隔磁桥厚度要求。
所述隔磁桥厚度为1～2毫米。
有益效果
本发明提出的一种永磁体为弓形的永磁同步电机转子结构，其弓形磁钢一边为弧形，另一边为一字型。其中弧形的开口朝着转子铁心的中心，可以较明显的改善气隙磁场和绕组反电动势波形。同时该转子结构每个磁极的两边分别设有隔磁桥，该隔磁桥的设置可以减少漏磁通。从本质上改善了永磁同步电机的气隙磁密波形，从而改善了永磁同步电机反电动势波形，降低了涡流损耗，降低了转矩脉动，降低电机的振动及噪声，降低了电机的温升，提高了电机的效率，提高了电机运行的稳定性，提高了电机的整体性能。
本发明所提供转子结构，由于其磁极形状完全按照正弦规律设置，所以可以最大限度的改善电机气隙磁密的波形，改善反电动势波形，降低转矩脉动，降低振动及噪声，降低电机的涡流损耗，提高电机的效率，同时能降低电机转子以及永磁体的温升，提高电机的稳定性，提高电机的综合性能，对于分数槽永磁同步电机而言，本转子结构能够规避其最大的弱点，能够扩大其应用的范围。同时，该转子结构对加工仪器的加工精度要求较高。综合考虑，该转子结构更适用于对电机性能要求较高的场合中。
附图说明
图1：本发明转子结构的结构示意图
1为定子铁心，2为转子铁心，3为永磁体，4为隔磁桥，5为转轴，6为隔磁气隙
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本发明提供一种永磁同步电机的弓形转子结构，具有转子铁心，所述转子铁心的各极均设有永磁体和隔磁桥；各极内的所述永磁体成弓形，且弧形开口朝向转子铁心的中心。其中，各极中的永磁体关于该磁极的径向中心线对称分布。
该发明中每个磁极的永磁体呈弓形且弧形边开口朝着转子铁心的中心，设一个磁极的永磁体的充磁方向的厚度最大值为Hmax出现在磁极的中间，最小厚度为Hmin出现在磁极的两端，电机的极弧系数为αp，当Hmax、Hmin和αp满足关系式
且充磁方向厚度按照正弦规律由Hmax过渡到Hmin（磁场强度）时，该结构可以最大程度上优化气隙磁密的波形，得到最佳的反电动势波形。在实际工程应用中，当对电机的气隙磁密波形要求不是很高或者受到其他条件约束时，可以降低参数的选取标准，但是必须满足Hmin＜Hmax，同时永磁体充磁方向的厚度也应该按照正弦规律单调地由中间充磁方向厚度最大的地方过渡到两边充磁方向厚度最小的地方。
转子的隔磁气隙设置在磁极的两边，用来降低相邻两个异性磁极间的漏磁。隔磁桥设置在每极永磁体两端靠近转子铁心边缘的部分。在进行转子结构的具体设计时，应进行应力分析计算，在保证每个隔磁桥所受的应力值满足要求的情况下，获取最佳的隔磁桥的尺寸，使其在永磁体的作用下迅速达到磁饱和，从而达到隔磁的目的，以保证电机性能达到给定要求。
具体结构：
参考图1，该图为本永磁同步电机新型转子结构的具体实施方案，该图仅示出了整个电机结构的四分之一。
该实例中的永磁同步电机为12槽10极，具有定子铁心1，转子铁心2，转轴5贯穿转子铁心2，转子铁心2带动转轴5相对于定子铁心1转动。转子铁心2具有10极，各极均设有永磁体3和隔磁桥4。
尺寸Hmin＝2mm，Hmax＝8.3
转子铁心2上设有与永磁体数目相等的隔磁气隙6，隔磁气隙6沿转子铁心2轴向延伸贯穿整个转子铁心2。且各极内的永磁体3呈弓形，其弧形边开口朝向转子铁心2的中心。图中永磁体3沿转子铁心2横截面的中心对称分布，该结构有利于气隙磁场波形呈理想正弦波。
电机工作时，这种弓形不等厚形状结构的永磁体3，其厚度变化规律依照所需要的正弦磁场波形设计，其每极永磁体3中间厚，两端薄，从而靠近每极永磁体3径向轴线的气隙磁场强度较大，远离轴线的气隙磁场强度减弱，可以使得气隙磁场波形非常接近理想的正弦波形，从而绕组产生的反电动势也将非常接近理想正弦波。相比于常规的永磁电机，具有这种转子结构的永磁同步电机涡流损耗很低，转矩脉动也较小，提高了电机的运行效率和稳定性。隔磁桥4的设计使得该部分的磁通饱和，无法再注入磁通，减小了漏磁，电机的漏磁系数也将减小。对于合理设计的隔磁桥4的永磁电机比常规的永磁电机具有更小的漏磁系数，也具有足够的强度，电机有更高的运行效率和可靠性。
Claims (5)
1.一种永磁体为弓形的永磁同步电机转子结构，包括转子铁心（2）、永磁体（3）、隔磁桥（4）、隔磁气隙（6）和转轴（5）；其特征在于：所述永磁体（3）为一边为弧形，一边为一字型的弓形磁钢，弧形的开口朝着转子铁心的中心且弧形的中心与转子铁心（2）的轴心重合。
2.根据权利要求1所述永磁体为弓形的永磁同步电机转子结构，其特征在于：所述永磁体（3）弓形的充磁方向的厚度最大值Hmax和最小值Hmin满足关系式：其中：αp为电机的极弧系数。
3.根据权利要求1或2所述永磁体为弓形的永磁同步电机转子结构，其特征在于：所述永磁体（3）弓形的充磁方向的厚度最小值Hmin为电机设计的路算永磁体厚度的0.6～1倍。
4.根据权利要求1或2所述永磁体为弓形的永磁同步电机转子结构，其特征在于：所述永磁体（3）两端的隔磁气隙（6）的宽度为永磁体最小厚度的1～1.5倍，隔磁气隙的长度保证电机设计的隔磁桥厚度要求。
5.根据权利要求1或4所述永磁体为弓形的永磁同步电机转子结构，其特征在于：所述隔磁桥厚度为1～2毫米。
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