CN105576924B - 一种内置式永磁同步电动机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种内置式永磁同步电动机，该电动机包括定子、电枢绕组和转子，电枢绕组采用分布式绕于定子的齿上，转子位于定子的空腔中；转子上设有沿转子周向布设的呈V型的永磁体，永磁体两端朝向定子；在每个永磁体中，永磁体的两端分别设有第一磁障，永磁体外侧和内侧设有一磁障组。该内置式永磁同步电动机，解决了传统的磁障设计降低转矩脉动而未提高输出转矩以及单一性能改善的问题；通过多层组合磁障，既改善气隙磁密分布降低转矩脉动，同时又提高了转矩输出能力，最终提高了内置式永磁同步电动机的转矩综合性能。

Description

一种内置式永磁同步电动机
技术领域
本发明属于永磁电机领域，具体来说，涉及一种内置式永磁同步电动机。
背景技术
内置式永磁同步电动机具有功率密度高、转矩输出能力强、宽调速范围以及效率高等优点，在电动汽车驱动等领域中得到广泛的应用，如Prius等商业化混合电动汽车中。但内置式永磁同步电动机较大的转矩脉动依然是有待解决的问题，转矩脉动影响着电动机运行时的损耗、噪声及振动问题，从而影响电动汽车的效率及乘车的舒适度。因此，改善转矩脉动，降低损耗是目前内置式永磁同步电动机的研究热点。
为解决传统内置永磁同步电动机转矩质量问题，磁障设计是一种简单，节约成本且有效的改进措施。目前，对内置永磁同步电动机的转子磁障设计可分为两种：一是通过添加磁障，磁阻的变化来改变主磁通路径，从而使气隙磁密分布更加正弦，达到减小转矩脉动的目的；二是通过隔磁磁桥，利用磁路饱和来限制漏磁，同样达到提高气隙磁密正弦度，减小转矩脉动的效果。但上述两类方式的磁障设计，大多集中在转矩脉动的改善，而未利用磁障来提高转矩输出，甚至还会导致转矩输出的降低，此外多数磁障设计用来实现单一目标，而未考虑多目标的性能改善。
发明内容
技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种内置式永磁同步电动机，解决了传统的磁障设计降低转矩脉动而未提高输出转矩以及单一性能改善的问题；通过多层组合磁障，既改善气隙磁密分布降低转矩脉动，同时又提高了转矩输出能力，最终提高了内置式永磁同步电动机的转矩综合性能。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明实施例采用的技术方案是：
一种内置式永磁同步电动机，该电动机包括定子、电枢绕组和转子，电枢绕组采用分布式绕于定子的齿上，转子位于定子的空腔中；转子上设有沿转子周向布设的呈V型的永磁体，永磁体两端朝向定子；在每个永磁体中，永磁体的两端分别设有第一磁障，永磁体外侧和内侧设有一磁障组。
作为优选例，所述的每个磁障组包括两个第二磁障和一个第三磁障，两个第二磁障位于永磁体内侧，两个第二磁障沿永磁体中分线相互对称，每个第二磁障呈尖端，第二磁障从其与永磁体第一磁障的接触处向永磁体中部延伸，且尺寸逐渐变小；第三磁障位于永磁体外侧；第三磁障和第二磁障分别位于第一磁障的两侧，且第三磁障、第二磁障和第一磁障相通；另一第二磁障和另一第一磁障相通。
作为优选例，所述的磁障组靠近转子的边缘。
作为优选例，所述的第三磁障的截面为瓦片形。
作为优选例，所述的转子为轴向分段式，相邻两段转子上的第三磁障设置在永磁体的不同侧。
有益效果：与现有技术相比，本发明实施例具有以下有益效果：
(1)多层磁障的组合能够实现多目标优化转矩性能，且磁障间相互协作，能够强化每层磁障的作用，磁障组起到的综合效果将极大提高内置式永磁同步电动机的性能。
本实施例中，永磁体末端的端部设置第一磁障。第一磁障通过形成的磁桥达到饱和来减少磁通从永磁体末端闭合，提高有效磁通，限制了转子漏磁，提高气隙磁密，从而提高电动机的输出能力及过载能力。在永磁体内侧设置对称的第二磁障。磁力线经第二磁障聚集后进入气隙从而改善波形，谐波减少从而降低了转矩脉动及铁耗。第二磁障提高了气隙磁密波形的正弦度，从而提高了反电动势的正弦度，减小了转矩脉动，同时降低了电机的铁耗。在永磁体外侧设置不对称的第三磁障。第三磁障使得等效磁阻轴发生偏移，从而使得磁阻转矩分量相对于永磁转矩分量的位置发生变化，两者叠加的矢量和将得到提高，从而使输出转矩提高。第三磁障使得永磁转矩和磁阻转矩得到充分利用，极大地提高了最大输出转矩。三种磁障间互相配合，通过改变磁路的磁阻来引导磁力线的分布，达到预想的气隙磁密波形。同时，不同的磁障具有不同的效果，通过组合的形式实现多目标优化的能力。
(2)本实施例中的永磁体设置呈V型，提高聚磁效果，增加凸极率，从而提高电动机功率密度及转矩密度，且有效地拓宽了电机的调速范围。
(3)转子沿轴向分段设置，且每段转子上的第三磁障不对称设置。这使得转矩脉动成分在轴向上互相偏移一定的角度，叠加之后部分起到抵消的效果，能够进一步减小电动机的转矩脉动，提高电机运行的平稳性。
附图说明
图1为本发明实施例的一横向剖面图；
图2为本发明实施例的另一横向剖面图；
图3为本发明实施例中永磁体和磁障的位置示意图。
其中：定子1、电枢绕组2、转子3、永磁体4、第一磁障5、第二磁障6、第三磁障7。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明实施例做更进一步的解释。
如图1和图3所示，本发明实施例的一种内置式永磁同步电动机，包括定子1、电枢绕组2和转子3。电枢绕组2采用分布式绕于定子1的齿上，转子3位于定子1的空腔中；转子3上设有沿转子3周向布设的呈V型的永磁体4，永磁体4两端朝向定子1。在每个永磁体4中，永磁体4的两端分别设有第一磁障5，永磁体4外侧和内侧设有一磁障组。
作为优选例，所述的每个磁障组包括两个第二磁障6和一个第三磁障7，两个第二磁障6位于永磁体4内侧，两个第二磁障6沿永磁体4中分线相互对称，每个第二磁障6呈尖端，第二磁障6从其与永磁体第一磁障5的接触处向永磁体4中部延伸，且尺寸逐渐变小；第三磁障7位于永磁体4外侧；第三磁障7和第二磁障6分别位于第一磁障5的两侧，且第三磁障7、第二磁障6和第一磁障5相通；另一第二磁障6和另一第一磁障5相通。
本实施例通过多层磁障的组合设置，即位于V型永磁体4端部的第一磁障5、位于永磁体4内侧的且对称布设的第二磁障6以及位于永磁体4外侧的且非对称布设的第三磁障7，提高气隙磁密的幅值，改善气隙磁密波形的正弦度，在提高转矩输出的同时降低了转矩脉动。
三种磁障间互相配合，通过改变磁路的磁阻来引导磁力线的分布，达到预想的气隙磁密波形，在提高转矩输出的同时降低了转矩脉动。第一磁障5与第二磁障6的结合提高了永磁体末端磁路的磁阻，来限制磁力线沿永磁体自行闭合，减少漏磁同时两种磁障较好地约束磁力线进入气隙的路径，使得永磁体产生的磁力线更加聚集。第一磁障5与第三磁障7的结合使得因转子凸极而引起的转矩脉动得到更加有效的抑制，第二磁障6与第三磁障7的结合使得q轴(气隙磁链最大处为d轴；q轴与d轴互差90电角度，即q轴为气隙磁链为零处)磁路磁阻轴线产生更加有效的偏移角度，从而达到提高转矩的效果。
同时，对称布设的第二磁障6与不对称布设的第三磁障7之间无铁心间隔，可以实现多层磁障的融合。
作为优选方案，所述的第三磁障7的截面为瓦片形。瓦片形第三磁障7能够实现使等效磁阻轴偏移的效果及偏移角度的控制。
作为优选方案，所述的磁障组靠近转子3的边缘。这样可限制漏磁，提高气隙有效磁通。
作为优选方案，所述的转子3为轴向分段式，相邻两段转子上的第三磁障7设置在永磁体4的不同侧。将转子3在轴向上分成多段，将V型永磁体4一侧的第三磁障7在转子轴向上也体现不对称性，即如图1和图2所示，第三磁障7位于V型永磁体4的不同侧，并且在转子3轴向交错叠加。这使得转矩脉动成分在轴向上互相偏移一定的角度，叠加之后部分起到抵消的效果，能够进一步减小电动机的转矩脉动，提高电机运行的平稳性。
本发明实施例中，设置磁障的目的是改变磁通路径，使得气隙磁密按期望的波形分布，即减少谐波，提高波形的正弦度。永磁体采用V型设置本身就具有聚磁效果。在永磁体4端部设置第一磁障5，提高漏磁路径的磁阻，通过磁桥达到饱和，来限制产生的漏磁，进一步提高气隙磁密。V型永磁体4内侧两端设置有对称的第二磁障6，使得永磁体4产生的磁力线受磁障的影响被聚集后进入气隙，空间谐波减少，波形更趋于正弦。根据输出转矩其中，p为极对数，λpm为永磁体产生的主磁链，Ia为相电流的峰值，β为定子电流向量相对于q轴的夹角，Ld为d轴的电感，Lq为q轴的电感。由此可知：输出转矩由永磁转矩和磁阻转矩合成，并且分别在不同的电流相角达到最大值，所以两者的叠加为矢量和而非代数和。在本发明实施例中，为充分利用两种转矩成分，采用不对称磁障即第三磁障7的设置，使得等效q轴偏移一定的角度，从而使得两种转矩成分达到最大值的电流相角更加接近，最终使合成转矩得到极大的提高。
本发明实施例的内置式永磁同步电动机，通过设置多层磁障的组合，实现了内置式永磁同步电动机减小转矩脉动的同时提高转矩输出能力，从而极大地改善了内置式永磁同步电动机的转矩质量。与现有的磁障设计相比，本发明在不损失转矩输出能力的同时，进一步减少了转矩脉动，改善了反电势的波形且提高反电动势的峰值，减小了电机铁耗，从而提高了电机效率，多层磁障的组合实现多目标性能的提高，使内置式永磁同步电动机更好地应用于电动汽车驱动中，保证转矩质量，提高驱动性能及乘车的舒适度。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种内置式永磁同步电动机，其特征在于，该电动机包括定子(1)、电枢绕组(2)和转子(3)，电枢绕组(2)采用分布式绕于定子(1)的齿上，转子(3)位于定子(1)的空腔中；转子(3)上设有沿转子(3)周向布设的呈V型的永磁体(4)，永磁体(4)两端朝向定子(1)；在每个永磁体(4)中，永磁体(4)的两端分别设有第一磁障(5)，永磁体(4)外侧和内侧设有一磁障组；
所述的每个磁障组包括两个第二磁障(6)和一个第三磁障(7)，两个第二磁障(6)位于永磁体(4)内侧，两个第二磁障(6)沿永磁体(4)中分线相互对称，每个第二磁障(6)呈尖端，第二磁障(6)从其与永磁体第一磁障(5)的接触处向永磁体(4)中部延伸，且尺寸逐渐变小；第三磁障(7)位于永磁体(4)外侧；第三磁障(7)和第二磁障(6)分别位于第一磁障(5)的两侧，且第三磁障(7)、第二磁障(6)和第一磁障(5)相通；另一第二磁障(6)和另一第一磁障(5)相通。
2.按照权利要求1所述的内置式永磁同步电动机，其特征在于，所述的磁障组靠近转子(3)的边缘。
3.按照权利要求1所述的内置式永磁同步电动机，其特征在于，所述的第三磁障(7)的截面为瓦片形。
4.按照权利要求1所述的内置式永磁同步电动机，其特征在于，所述的转子(3)为轴向分段式，相邻两段转子上的第三磁障(7)设置在永磁体(4)的不同侧。
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