CN106208461A - 一种内置式永磁同步电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种内置式永磁同步电机，包括转子铁芯和转子轴，位于所述转子铁芯且分布于所述转子轴的四周设置若干对磁极；若干对所述磁极平均分为两组所述磁极，针对任意一组所述磁极，各个所述磁极均以位于该组两侧的所述磁极之间的对称中线为轴朝向所述对称中线的另外一侧偏移布置，且任意一组所述磁极中的各个所述磁极之间的隔磁桥间隔相等。上述内置式永磁同步电机，磁极偏移的方式较为简单，对于内置式永磁同步电机转子结构的改进较为方便，且容易操作，而经过上述方式改进的内置式永磁同步电机，能够较大幅度的削弱齿槽转矩幅值，极大降低输出转矩的波动。

Description

一种内置式永磁同步电机
技术领域
本发明涉及永磁电机技术领域，特别涉及一种内置式永磁同步电机。
背景技术
我们知道，永磁同步电机结构简单、损耗小、功率因素高、效率高等一系列优点；然而永磁同步电机存在一些缺陷，如转矩波动，会影响系统的控制精度，引起振动和噪声，对于工作性能要求高的场所，其转矩波动标准要求较高。
为削弱电机的转矩波动，在电机本体设计方面，现有的表贴式永磁电机转子一般采用不等厚磁钢，或分断斜极或斜槽；而对于内置式转子结构，一般都采用斜槽的方式，斜槽使得制造复杂且增加成本，同时有可能降低输出电磁转矩。
现有技术中还公开了采用不均匀气隙结构降低内置式永磁同步电机转矩波动的技术：每对磁钢对应的极弧半径做成小于定子的内圆半径，而且两圆弧的圆心不重合，从而形成极弧中心处气隙最小，沿极弧中心线两侧方向气隙逐渐增大，相邻极弧之间的圆弧圆心和定子内圆圆心重合。所得的转子结构发明者认为改善了气隙磁场的波形，使得永磁体在气隙中形成的磁场近似为正弦性，大大削弱了各种谐波磁场，降低了电动机的电磁噪声，降低了由谐波磁场引起的铁耗，降低了电动机的温升，保证了电动机的高性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种内置式永磁同步电机，该内置式永磁同步电机通过简单的改动以降低输出转矩波动。
为实现上述目的，本发明提供一种内置式永磁同步电机，包括转子铁芯和转子轴，位于所述转子铁芯且分布于所述转子轴的四周设置 若干对磁极；若干对所述磁极平均分为两组所述磁极，针对任意一组所述磁极，各个所述磁极均以位于该组两侧的所述磁极之间的对称中线为轴朝向所述对称中线的另外一侧偏移布置，且任意一组所述磁极中的各个所述磁极之间的隔磁桥间隔相等。
相对于上述背景技术，本发明将若干对磁极平均分为两组，针对任意一组磁极来说，先以该组磁极中两侧的磁极之间的对称中线作为轴线；即，该组磁极中位于两侧边缘上的两个磁极，两个磁极之间的对称中线作为轴线，将该组磁极中的全部磁极以对称中线为轴向对称中线的另外一侧偏移布置，并且任意一组磁极中的各个磁极之间的隔磁桥间隔相等；这样一来，磁极偏移的方式较为简单，对于内置式永磁同步电机转子的改造较为方便，且容易操作，而经过上述方式改进的内置式永磁同步电机，能够较大幅度地降低齿槽转矩幅值，极大削弱输出转矩的波动。
优选地，所述转子铁芯的外径包括若干个偏心圆弧，且所述偏心圆弧的圆心与所述转子轴的圆心之间设置偏心距。
优选地，每个所述偏心圆弧与每个所述磁极对应设置。
优选地，任意一对所述磁极沿所述转子轴朝向所述转子铁芯边缘的方向呈渐扩的V型分布。
优选地，所述内置式永磁同步电机具体为48槽8极电机。
优选地，所述偏心距离的范围在0mm～16mm之间。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所提供的内置式永磁同步电机磁极偏移之前的结构示意图；
图2本发明实施例所提供的内置式永磁同步电机磁极偏移与转子偏心距之后的结构示意图；
图3为图2中的内置式永磁同步电机的转子偏心距的示意图；
图4为图2中的内置式永磁同步电机的磁极偏移量与齿槽转矩之间的关系曲线；
图5为图2中的内置式永磁同步电机在不同磁极偏移角度与偏心距下的输出转矩波动曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
请参考图1至图5，图1为本发明实施例所提供的内置式永磁同步电机磁极偏移之前的结构示意图；图2本发明实施例所提供的内置式永磁同步电机磁极偏移与转子偏心距之后的结构示意图；图3为图2中的内置式永磁同步电机的转子偏心距的示意图；图4为图2中的内置式永磁同步电机的磁极偏移量与齿槽转矩之间的关系曲线；图5为图2中的内置式永磁同步电机在不同磁极偏移角度与偏心距下的输出转矩波动曲线。
本发明提供的一种内置式永磁同步电机，包括转子铁芯1和转子轴2，转子铁芯1在转子轴2的作用下而旋转；磁极与转子铁芯1固定连接，并且磁极分布于转子轴2的四周。
磁极成对设置，即两个磁极称之为一对磁极；本发明将全部若干对磁极平均分成两组；通常按照顺时针或者是逆时针的顺序先将全部若干对磁极进行排序。
具体来说，倘若是6极永磁电机，则6对磁极按顺序依次编号为第一磁极、第二磁极、第三磁极、第四磁极、第五磁极和第六磁极，则将磁极第一磁极、第二磁极与第三磁极分为第一组，第四磁极、第五磁极和第六磁极分为第二组；当然，由于6对磁极呈环形布置，也可以将第六磁极、第一磁极与第二磁极分为第一组，第三磁极、第四磁极和第五磁极分为第二组。
对于任意一组磁极来说，各个磁极均以位于该组两侧的磁极之间的对称中线为轴朝向对称中线的另外一侧偏移布置，且任意一组磁极中的各个所述磁极之间的隔磁桥间隔相等。两侧的磁极之间的对称中线位于该组磁极的中间，将该组磁极分割为左右对称的两个部分。
也就是说，本发明对于内置式永磁同步电动机，不论其是整数槽还是分数槽永磁同步电机，其偏移方式为：将电机磁极数平均分为两组，两组磁极偏移方式是一样的，如其中一组磁极找出其对称轴，以对称轴为轴线，相向偏移相同的角度，如左边的磁极顺时针偏移，相应的右边的磁极逆时针偏移，同时保证各个组内各个磁极间或者说各个隔磁桥间的距离相同。上述磁极偏移方式对于整数槽永磁电机，其齿槽转矩削弱效果显著；对于分数槽永磁电机，其齿槽转矩削弱效果可能没有整数槽效果好。对于极数较多的永磁电机，一般不建议采用该方法。
再举一个例子，针对6极永磁电机，如上所述，6对磁极按顺序依次编号为第一磁极、第二磁极、第三磁极、第四磁极、第五磁极和第六磁极，则将磁极第一磁极、第二磁极与第三磁极分为第一组，第四磁极、第五磁极和第六磁极分为第二组；在第一组中，第一磁极和第三磁极分别位于该组的两侧，则以第一磁极与第三磁极之间的对称中线为轴，第一磁极与第三磁极朝向对称中线的另外一侧偏移布置，并且第一磁极与第二磁极之间的隔磁桥间隔相等；由于第二磁极位于第一磁极与第三磁极之间的对称中线上，因此第二磁极的位置不变，而第一磁极与第三磁极的位置互换，且第一磁极相对于第二磁极之间的距离与第三磁极相对于第二磁极之间的距离一致。第二组的偏移方 式与第一组的偏移方式相同，本发明将不再赘述。
在上述磁极偏移的基础之上，为了进一步降低齿槽转矩，转子铁芯1的外径具体为若干个偏心圆弧。
每一个偏心圆弧的圆心相对于转子轴2的圆心之间的距离相同，且若干个偏心圆弧之间交叉，从而形成转子铁芯1的外径。每个偏心圆弧与每个磁极对应设置，如说明书附图2所示。
每个偏心圆弧的半径相同，圆心的位置不同；每个偏心圆弧的圆心位置相对于转子轴2的圆心对称设置。
说明书附图3示出了转子偏心距的示意图，可以看出，转子轴2的圆心为Oo，距离圆心Oo相距偏心距离d的一点作为圆心O1，并以此圆心O1为原点设置偏心圆弧；全部圆心O1相对于转子轴2圆心Oo对称设置。针对O1的个数，倘若有N个磁极则有N个O1，从而有N个偏心圆弧，以构成转子铁芯1的外径。
任意一对磁极沿转子轴2朝向转子铁芯1边缘的方向呈渐扩的V型分布，如说明书附图1和附图2所示。
本发明优选将内置式永磁同步电机具体为48槽8极电机；8对磁极未偏移之前，如说明书附图1所示。
利用上述偏移方式，8对磁极分别定义为一磁极10、二磁极20、三磁极30、四磁极40、五磁极50、六磁极60、七磁极70和八磁极80；一磁极10、二磁极20、三磁极30与四磁极40为一组磁极，五磁极50、六磁极60、七磁极70和八磁极80为二组磁极；在一组磁极中，一磁极10和四磁极40作为该组磁极两侧的磁极，一磁极10与四磁极40之间的对称中线为轴，一磁极10、二磁极20、三磁极30与四磁极40均向对称中线的另一侧偏移。
这样一来，原先呈顺时针排列的一磁极10、二磁极20、三磁极30与四磁极40经偏移后呈逆时针排列；且一磁极10、二磁极20、三磁极30与四磁极40之间的隔磁桥间隔或者磁极之间的间距相等。与一组磁极偏移类似地，二组磁极中五磁极50和八磁极80作为该组磁极两侧的磁极，五磁极50和八磁极80之间的对称中线为轴，五磁极 50、六磁极60、七磁极70和八磁极80均向对称中线的另一侧偏移，以达到48槽8极电机的全部磁极偏移的目的，从而有效降低齿槽转矩。
通过对磁极进行偏移，进而降低齿槽转矩；并在磁极偏移的基础上进行转子偏心距处理，进而降低由于磁极偏移引起而增大的空载气隙磁场谐波含量。
以上述48槽8极整数槽内置式永磁同步电机为例，对磁极相对偏移1度，此时可最大幅度降低齿槽转矩幅值；后在磁极偏移的结构基础上对转子进行不均匀气隙处理(即转子偏心距)，此时可优化空载气隙磁场波形，减小空载反电动势谐波含量，磁极偏移以及转子偏心之后的示意图如说明书附图2所示，可以看出，转子铁芯1的外径并非标准圆，而是具有若干个凸起的偏心圆弧。
对于永磁同步电机进行磁极偏移与转子偏心距后，其齿槽转矩情况如说明书附图4所示，在转子偏心距一定的前提下，磁极偏移角度θ为0时，最大齿槽转矩约为3.955N·m；磁极偏移角度θ为0.5°时，最大齿槽转矩约为2.188N·m；磁极偏移角度θ为1°时，最大齿槽转矩约为0.292N·m；磁极偏移角度θ为1.5°时，最大齿槽转矩约为0.970N·m。而在磁极偏移角度θ一定的前提下，当偏心距分别为3mm、6mm、9mm、12mm和15mm时，空载气隙磁场畸变率的值分别在28.58％、26.84％、25.25％、23.90％以及22.78％左右。
针对上述磁极偏移角度θ这一概念，可以通过上文的48槽8极整数槽内置式永磁同步电机为例加以说明；通过上述可知各个磁极的偏移方式，而针对磁极偏移方式的描述，还可以通过下述方式进行；三磁极30与七磁极70顺时针偏移θ，二磁极20与六磁极60逆时针偏移θ，同时为保证一磁极10、二磁极20、三磁极30与四磁极40以及五磁极50、六磁极60、七磁极70和八磁极80各个磁极间隔距离相同，四磁极40与八磁极80顺时针偏移3θ，一磁极10与五磁极50逆时针偏移3θ。
当然，上述磁极偏移角度θ的取值范围小于等于相邻磁极的两个隔磁桥间的距离的一半，即与磁极(永磁体)的极弧系数以及位置分 布有关；工程上可以采用电磁场有限元分析的办法求解其最佳磁极偏移角度，如采用ANSYS公司的Maxwell电磁场有限元分析软件。
针对48槽8极整数槽内置式永磁同步电机来说，说明书附图5示出了内置式永磁同步电机在不同磁极偏移角度与偏心距下的输出转矩波动曲线；附图5中，曲线1表示电机未优化前(磁极偏移角度为零、偏心距为零)的输出转矩波动曲线；曲线2表示为磁极偏移角度为1度、偏心距为零时的输出转矩波动曲线；曲线3表示为磁极偏移角度为零、偏心距为15mm的输出转矩波动曲线；曲线4表示为磁极偏移角度为1度、偏心距为15mm的输出转矩波动曲线。
并通过输出转矩波动公式计算得出曲线1中，输出转矩波动为10.79％，平均输出转矩为87.22N·m；曲线2中，输出转矩波动为2.67％，平均输出转矩为85.62N·m；曲线3中，输出转矩波动为5.01％，平均输出转矩为91.25N·m；曲线4中，输出转矩波动为0.35％，平均输出转矩为90.08N·m。
针对上文的偏心距d，本发明以48槽8极整数槽内置式永磁同步电机为例，优选设置为0mm～16mm之间。而由于内置式永磁电机电磁的复杂性，偏心距d的取值范围与实际永磁同步电机中磁极以及隔磁桥的位置以及形状有关；目前并没有理论上偏心距d的取值表达式，一般工程上采用ANSYS公司的Maxwell等电磁有限元分析软件进行寻找偏心距d的最佳值。
本发明将磁极偏移应用到内置式永磁同步电机上，同时结合转子偏心距，磁极偏移降低齿槽转矩，转子偏心距优化空载气隙磁场谐波畸变率，减小空载反电势谐波含量。
需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另外几个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
以上对本发明所提供的内置式永磁同步电机进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实 施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。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，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种内置式永磁同步电机，包括转子铁芯(1)和转子轴(2)，其特征在于，位于所述转子铁芯(1)且分布于所述转子轴(2)的四周设置若干对磁极；若干对所述磁极平均分为两组所述磁极，针对任意一组所述磁极，各个所述磁极均以位于该组两侧的所述磁极之间的对称中线为轴朝向所述对称中线的另外一侧偏移布置，且任意一组所述磁极中的各个所述磁极之间的隔磁桥间隔相等。
2.根据权利要求1所述的内置式永磁同步电机，其特征在于，所述转子铁芯(1)的外径包括若干个偏心圆弧，且所述偏心圆弧的圆心与所述转子轴(2)的圆心之间设置偏心距。
3.根据权利要求2所述的内置式永磁同步电机，其特征在于，每个所述偏心圆弧与每个所述磁极对应设置。
4.根据权利要求3所述的内置式永磁同步电机，其特征在于，任意一对所述磁极沿所述转子轴(2)朝向所述转子铁芯(1)边缘的方向呈渐扩的V型分布。
5.根据权利要求2或4任意一项所述的内置式永磁同步电机，其特征在于，所述内置式永磁同步电机具体为48槽8极电机。
6.根据权利要求5所述的内置式永磁同步电机，其特征在于，所述偏心距离的范围在0mm～16mm之间。
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