CN104167845B - 内嵌式永磁电机用的转子铁芯及其设计方法 - Google Patents

Abstract

一种内嵌式永磁电机用的转子铁芯，所述的转子铁芯沿周向均布嵌设有多个永磁体，其特征在于：对应每一个永磁体的所述转子铁芯的外缘包括有基底面，该基底面与内嵌式永磁体的表面相贴合；上顶面，该上顶面与所述电机的定子铁芯相对而设并形成气隙，所述气隙与所述转子铁芯的上顶面交界处的轮廓线为反余弦波和三次谐波函数叠加而成的曲线，该曲线具体形状由如下公式表示：本发明的优点在于：通过一个反余弦函数加最优三次谐波函数获得新的转子铁芯的外缘形状，在不增加电机的转矩脉动的前提下，增加了转矩输出，使得电机具有功率密度高、高效节能﹑运转平滑、噪音低等优点。

Description

内嵌式永磁电机用的转子铁芯及其设计方法

技术领域

本发明涉及一种转子铁芯，特别是一种用于内嵌式永磁电机的转子铁芯及其该转子铁芯的设计方法。

背景技术

内嵌式永磁电机的永磁体是直接嵌入电机的转子中，现有技术中如已有的专利号为ZL201320336256.0的中国实用新型专利《一种内嵌式永磁电机的转子》就公开了这样一种内嵌式永磁电机的转子，其包括片状叠压结构的转子铁芯，嵌入转子铁芯中的永磁体；永磁体与转子铁芯之间有空隙，通过对空隙中灌胶固定永磁体。由于片状叠压结构的转子铁芯会阻碍灌封胶的流动，因此在所述空隙中插入灌胶圆管，以辅助灌胶；灌胶圆管的内外表面都很光滑，在侧壁上设有六个通孔，沿灌胶圆管长度方向设置在两侧。

上述专利中的转子铁芯没有经过削极处理，转子铁芯和电机定子之间产生的气隙磁场谐波含量高，从而导致电机的齿槽转矩、运行转矩脉动大。为了减小电机的齿槽转矩和运行转矩脉动，如图2所示的内嵌式永磁电机，该电机的永磁体3”嵌设在转子铁芯2”中，可以对转子铁芯2”和电子定子1”之间的气隙4”长度进行反余弦削极处理，尽管此方法可以减小电机的齿槽转矩和运行转矩脉动，但同时也降低了电机的平均转矩，从而减小了电机的转矩密度、运行效率。因此，还有待于作出进一步的改进。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是针对上述现有技术现状而提供一种电机的输出效率高且输出转矩脉动小的内嵌式永磁电机的转子铁芯。

本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种内嵌式永磁电机用的转子铁芯，所述的转子铁芯沿周向均布嵌设有多个永磁体，其特征在于：对应每一个永磁体的所述转子铁芯的外缘包括有

基底面，该基底面与内嵌式永磁体的表面相贴合；

上顶面，该上顶面与所述电机的定子铁芯相对而设并形成气隙，所述气隙与所述转子铁芯的上顶面交界处的轮廓线为反余弦波和三次谐波函数叠加而成的曲线，该曲线的具体形状由如下公式(I)表示的函数确定：

$L_g\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{\sqrt{3}{L}_{\mathrm{gd}}}{2(\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{{\mathrm{\τ}}_p}\mathrm{\θ}\right)-a\cos \left(3\frac{\mathrm{\π}}{{\mathrm{\τ}}_p}\mathrm{\θ}\right))}---\left(I\right)$

上述公式(I)采用极坐标系，其中，上述公式(1)中的L_g(θ)为所述气隙与转子铁芯的上顶面交界处的轮廓线上任一点M的极径，θ为所述气隙与转子铁芯的上顶面交界处的轮廓线上任一点M的极角；τ_p为极距；a为注入三次谐波的幅值；L_g为最小气隙距离；L_gd为极距。

作为进一步优选，当a＝1/6时，所述公式(I)的曲线函数如下：

$L_g\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{\sqrt{3}{L}_{\mathrm{gd}}}{2(\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{{\mathrm{\τ}}_p}\mathrm{\θ}\right)-\frac{1}{6}\cos \left(3\frac{\mathrm{\π}}{{\mathrm{\τ}}_p}\mathrm{\θ}\right))}---\left(\mathrm{II}\right)$

此时，电机的转矩输出最大。

本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：一种内嵌式永磁电机用的转子铁芯的设计方法，其特征在于：所述的设计方法包括有如下步骤：

(1)、设定所述三次谐波函数的幅值a＝1/6，所述转子铁芯的上顶面曲线形状由如下公式(II)的函数表示：

$L_g\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{\sqrt{3}{L}_{\mathrm{gd}}}{2(\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{{\mathrm{\τ}}_p}\mathrm{\θ}\right)-\frac{1}{6}\cos \left(3\frac{\mathrm{\π}}{{\mathrm{\τ}}_p}\mathrm{\θ}\right))}---\left(\mathrm{II}\right)$

(2)、将所述公式(II)中的函数形成的曲线由三段依次连接的弧线替代，所述三段弧线分别为左半弧、顶弧和右半弧，其中左半弧和右半弧为对称设置；

(3)、设定所述公式(II)中的函数形成的曲线最高点L_g(θ)_max和代表电机气隙的水平线相切的点为P1，设定所述公式(II)中的函数形成的曲线最低点L_g(θ)_min为P2；

(4)、所述顶弧由以所述转子铁芯的最大半径为半径且分别经过所述点P1、点P2所画的圆弧确定；

(5)、所述左半弧由分别经过所述点P1、P2且与所述电机气隙的水平线相切的圆弧确定，所述右半弧与所述左半弧对称设置且圆弧半径相等；

(6)、所述左半弧、顶弧和右半弧依次连接，所形成的弧线即为所述转子铁芯的上顶面轮廓曲线。

为了方便弧面加工，作为优选，所述左半弧、顶弧和右半弧之间为光滑过渡连接。

与现有技术相比，本发明的优点在于：通过一个反余弦函数加最优三次谐波函数获得新的转子铁芯的外缘形状，由于转子铁芯和定子铁芯之间所产生的气隙磁场谐波仅有加入了三次谐波，但对于星形连接绕组其三次电流不存在，从而在不增加电机的转矩脉动的前提下，增加了转矩输出，并使得采用该转子铁芯形状的内嵌式永磁电机具有功率密度高、高效节能﹑运转平滑、噪音低等优点。

附图说明

图1为现有技术中的传统转子铁芯结构示意图之一。

图2为现有技术中的传统转子铁芯结构示意图之二。

图3为本发明实施例的电机总装图。

图4为图3所示的转子铁芯结构示意图。

图5为本发明实施例的电机气隙长度随转子位置变化的示意图。

图6本发明实施例的三段式加工方法实现的转子铁芯轮廓结构示意图。

图7为本实施例的电机和现有技术电机的齿槽转矩随转子位置变化的比较图。

图8为本实施例的电机和现有技术电机的转矩随转子位置变化的比较图。

具体实施方式

下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图3～图8所示，本实施例涉及一种内嵌式永磁电机用的转子铁芯，如图3所示为该电机的总装图，电机由电机定子1和转子铁芯2组成，永磁体3沿转子铁芯2的周向嵌设在该转子上。

电机工作时的气隙磁场的分布与电机的性能有着密切相关，传统内嵌式电机的气隙长度随转子位置变化如图1所示，内嵌式电机的永磁体3’嵌设在转子铁芯2’上，电机定子1’和转子铁芯2’之间形成气隙4’，该电机工作时产生的方波分布的磁场谐波含量高，从而导致电机的齿槽转矩和运行转矩的脉动大；图2所示的气隙4”长度采用了反余弦波分布，尽管其幅值大小和方波磁场相同，但基波幅值减小了，从而减小了电机的转矩密度，降低了整机效率。

本实施例对有电机定子1和转子铁芯2之间形成的气隙4长度采用了反余弦波和三次谐波的叠加，获得具有新型曲面轮廓形状的转子铁芯外缘。

本实施例对应每一个永磁体3的转子铁芯2的外缘包括有基底面和上顶面；其中，基底面与内嵌式永磁体3的表面相贴合；上顶面与电机定子1的铁芯相对而设并形成气隙4，该上顶面和气隙4交界处的轮廓线为反余弦波和三次谐波函数叠加而成的曲线，该曲线的具体形状由如下公式(I)表示的函数确定：

$L_g\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{\sqrt{3}{L}_{\mathrm{gd}}}{2(\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{{\mathrm{\τ}}_p}\mathrm{\θ}\right)-a\cos \left(3\frac{\mathrm{\π}}{{\mathrm{\τ}}_p}\mathrm{\θ}\right))}---\left(I\right)$

上述公式(I)采用极坐标系，其中，上述公式(1)中的L_g(θ)为所述气隙4与转子铁芯2铁芯的上顶面交界处的轮廓线上任一点M的极径，θ为所述气隙4与转子铁芯2铁芯的上顶面交界处的轮廓线上任一点M的极角；τ_p为极距；a为注入三次谐波的幅值；L_g为最小气隙距离；L_gd为极距。

当设定a＝1/6时，此时电机的输出转矩最大，得到如下公式的函数，曲线形状参见图5：

$L_g\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{\sqrt{3}{L}_{\mathrm{gd}}}{2(\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{{\mathrm{\τ}}_p}\mathrm{\θ}\right)-\frac{1}{6}\cos \left(3\frac{\mathrm{\π}}{{\mathrm{\τ}}_p}\mathrm{\θ}\right))}---\left(\mathrm{II}\right)$

由于上述曲线为气隙4与转子铁芯2铁芯的上顶面交界处的轮廓线，即气隙长度的曲线和转子铁芯的外轮廓线是相同，根据上述曲线即可以加工出符合内嵌式永磁电机的磁场要求的电子转子铁芯的形状。

但是，图5所示获得的转子铁芯2在制造时需通过一个反余弦加最优三次谐波函数实现，其加工过程复杂，制造成本高。为了简化制造过程，本实施例还提出了一种可以简化并替代上述转子铁芯的加工方法的转子铁芯设计方法，参见图6，该设计方法包括有如下步骤：

(1)、设定所述三次谐波函数的幅值a＝1/6，所述转子铁芯的上顶面曲线形状由如下公式(II)的函数表示：

$L_g\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{\sqrt{3}{L}_{\mathrm{gd}}}{2(\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{{\mathrm{\τ}}_p}\mathrm{\θ}\right)-\frac{1}{6}\cos \left(3\frac{\mathrm{\π}}{{\mathrm{\τ}}_p}\mathrm{\θ}\right))}---\left(\mathrm{II}\right)$

(2)、将所述公式(II)中的函数形成的曲线由三段依次连接的弧线替代，所述三段弧线分别为左半弧、顶弧和右半弧，其中左半弧和右半弧为对称设置；

(3)、设定所述公式(II)中的函数形成的曲线最高点L_g(θ)_max和代表电机气隙的水平线相切的点为P1，设定所述公式(II)中的函数形成的曲线最低点L_g(θ)_min为P2；

(4)、所述顶弧由以所述转子铁芯的最大半径为半径且分别经过所述点P1、点P2所画的圆弧确定；

(5)、所述左半弧由分别经过所述点P1、P2且与所述电机气隙的水平线相切的圆弧确定，所述右半弧与所述左半弧对称设置且圆弧半径相等；

(6)、所述左半弧、顶弧和右半弧依次连接，所形成的弧线即为所述转子铁芯的上顶面轮廓曲线。

可以看到，上述设计方法得到的转子铁芯其轮廓曲线是由三段圆弧连接而成的，而通过公式(II)获得的转子铁芯实际曲线形状呈中间稍微下凹而两端凸起的结构，由于中间下凹的幅度很小，实际加工过程中，中间的下凹部可以近似由以转子铁芯最大半径为半径的圆弧替代，两侧的曲线也分别由左半弧和右半弧通过步骤(3)和步骤(5)的方式确定，这就大大简化了加工过程，降低了加工难度。

图7所示为不同的转子铁芯外缘形状的内嵌式电机的齿槽转矩比较图，图8所示为不同的转子铁芯形状的内嵌式电机在额定负载情况下的电磁转矩比较图；从图中可以看出，相对于传统的内嵌式永磁电机，通过用反余弦加三次谐波函数方法设计的转子铁芯外缘可以减小转矩脉动，相比反余弦削极的永磁电机，其平均转矩输出提高了11.5％，而转矩脉动没有增加。

另一方面，本实施例采用的三段式圆弧设计方法获得转子铁芯不仅可以降低转子铁芯的加工难度，而且其平均转矩输出效率与用标准的反余弦削极与三次谐波削极叠加设计获得的转子铁芯相比还有所提高，而转矩脉动却没有增加，因此用三段式圆弧设计方法替代公式(II)中用反余弦削极与三次谐波削极叠加的设计方法加工本实施例的永磁体是完全可行的，也是更为实用和高效的一种方法。

Claims (3)

1.一种内嵌式永磁电机用的转子铁芯，所述的转子铁芯沿周向均布嵌设有多个永磁体，其特征在于：对应每一个永磁体的所述转子铁芯的外缘包括有

基底面，该基底面与内嵌式永磁体的表面相贴合；

上顶面，该上顶面与所述电机的定子铁芯相对而设并形成气隙，所述气隙与所述转子铁芯的上顶面交界处的轮廓线为反余弦波和三次谐波函数叠加而成的曲线，该曲线的具体形状由如下公式(I)表示的函数确定：

$L_g\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{\sqrt{3}{L}_{gd}}{2\left(cos\right(\frac{\mathrm{\π}}{{\mathrm{\τ}}_p}\mathrm{\θ})-acos(3\frac{\mathrm{\π}}{{\mathrm{\τ}}_p}\mathrm{\θ}\left)\right)}---\left(I\right)$

上述公式(I)采用极坐标系，其中，上述公式(I)中的L_g(θ)为所述气隙与转子铁芯的上顶面交界处的轮廓线上任一点M的极径，θ为所述气隙与转子铁芯的上顶面交界处的轮廓线上任一点M的极角；t_p为极距；a为注入三次谐波的幅值；L_g为最小气隙距离；L_gd为极距。

2.一种如权利要求1所述的内嵌式永磁电机用的转子铁芯设计方法，其特征在于：所述的设计方法包括有如下步骤：

(1)、设定所述三次谐波函数的幅值a＝1/6，所述转子铁芯的上顶面曲线形状由如下公式(II)的函数表示：

$L_g\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{\sqrt{3}{L}_{gd}}{2\left(cos\right(\frac{\mathrm{\π}}{{\mathrm{\τ}}_p}\mathrm{\θ})-\frac{1}{6}cos(3\frac{\mathrm{\π}}{{\mathrm{\τ}}_p}\mathrm{\θ}\left)\right)}---\left(II\right)$

(2)、将所述公式(II)中的函数形成的曲线由三段依次连接的弧线替代，所述三段弧线分别为左半弧、顶弧和右半弧，其中左半弧和右半弧为对称设置；

(3)、设定所述公式(II)中的函数形成的曲线最高点L_g(θ)_max和代表电机气隙的水平线相切的点为P1，设定所述公式(II)中的函数形成的曲线最低点L_g(θ)_min为P2；

(4)、所述顶弧由以所述转子铁芯的最大半径为半径且分别经过所述点P1、点P2所画的圆弧确定；

(5)、所述左半弧由分别经过所述点P1、P2且与所述电机气隙的水平线相切的圆弧确定，所述右半弧与所述左半弧对称设置且圆弧半径相等；

(6)、所述左半弧、顶弧和右半弧依次连接，所形成的弧线即为所述转子铁芯的上顶面轮廓曲线。

3.根据权利要求2所述的转子铁芯设计方法，其特征在于：所述左半弧、顶弧和右半弧之间为光滑过渡连接。