CN106602762B - 磁钢转子及永磁同步电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种磁钢转子及永磁同步电机，所述磁钢转子包括具有磁钢槽的转子本体，所述磁钢槽邻近磁钢转子的交轴的内壁具有一向所述交轴的方向凸出的部分，所述凸出的部分的横截面为圆弧形。本发明通过在磁钢槽邻近交轴的内壁上设置横截面为圆弧形的凸出的部分，增大了交轴磁路的磁阻，减小了交轴的电感，降低了负载时的转矩波动；同时，由于直交轴之间的电感差异缩小，也使得负载磁场谐波含量变小，降低了空载反电势谐波；而且，凸出的部分也破坏了磁钢边角附近的漏磁路径，减小了漏磁通，增大了主磁通，从而避免了由于电感差异缩小而引起的磁阻转矩减小问题；再有，将凸出的部分设置在磁钢槽上，也便于与磁钢槽一体成型，降低加工成本。

Description

磁钢转子及永磁同步电机

技术领域

本发明涉及电机技术领域，特别涉及一种磁钢转子及永磁同步电机。

背景技术

永磁同步电机是一种利用永磁体提供磁场的电机，其以高功率、高转矩密度，高效率等优点，逐渐成为混合动力汽车和纯电动汽车中驱动电机的首选。

在现有的永磁同步电机中，转子上的永磁体(如磁钢)一般采用表贴式结构或内置式结构。其中，“内置式”永磁同步电机中的磁钢通常安装在转子冲片上的磁钢槽内。由于“内置式”永磁同步电机可以通过转子的凸极效应产生的磁阻转矩，提高转矩水平，扩大弱磁调速范围，降低低速大扭矩时的铜耗，因此，应用较为广泛。

然而，转子的凸极效应还会引起齿槽转矩，并使永磁同步电机直、交轴(即d、q轴)之间的电感差异增大，导致负载磁场谐波含量增大，甚至于引起负载时的转矩波动。这些因素均会引起振动和噪声，增加乘客的不舒适感，而且还可能带来电机和控制器匹配的不便。

为解决上述技术问题，现有通常采取以下三种方法：

第一种方法是选用合理的极、槽配合，比如以丰田普锐斯为代表的多数车用驱动电机均采用48槽8极的分布式绕组结构，以降低齿槽转矩；

第二种方法是采用定子斜槽或转子分段斜极，降低转矩波动；如图1所示，转子1上的磁极2在轴向上分成几段，并沿圆周方向错开一定的角度；

第三种方法是在转子1上交轴q处设置一通孔3，并结合转子1外周上的凹槽4，减小谐波含量和转矩波动，如图2～3所示。

发明人发现，上述三种方法均存在一定的问题，具体如下：

1)采用分布式绕组的永磁同步电机通常具有较长的绕组端部，此对于某些轴向空间受限的整车结构并不适用；

2)采用定子斜槽既会增加嵌线难度，又会增加漆包铜线的用量；而采用转子分段斜极不但需要增加额外的工装夹具，而且会在相邻叠片组之间产生额外的漏磁，削弱了电机性能，此只适用于分段数较多或轴向有效长度较长的永磁同步电机；由此，定子斜槽和转子分段斜极均会带来驱动电机峰值特性的下降，若要保证驱动电机的性能，则需要增加轴向长度，此会带来额外的材料成本和安装空间成本；不止于此，定子斜槽和转子分段斜极均会在转子上产生周期性的轴向分力，增加轴承的失效概率，同时还会带来一定的噪声和振动；

3)采用在交轴q上开设通孔3，虽然避免了斜极和斜槽带来的工艺成本增加的问题，而且也有效降低了谐波含量和转矩波动，但是，交轴q上孔的加工，需要在冲模上设置相应的冲头，由于通孔3的直径一般很小，这样很容易造成冲头的磨损，甚至断裂，模具报废率高，加工成本高。

因此，有必要开发一种磁钢转子和永磁同步电机，以在不增加加工成本的基础上，可以有效降低空载时反电势谐波和转矩波动等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种磁钢转子和永磁同步电机，以解决现有技术中在降低永磁同步电机空载反电势谐波和转矩波动等时加工成本高的问题。

为解决上述技术问题，本发明首先提供了一种磁钢转子，包括具有磁钢槽的转子本体，所述磁钢槽邻近所述磁钢转子的交轴的内壁具有一向所述交轴的方向凸出的部分，所述凸出的部分的横截面为圆弧形。

可选的，在所述的磁钢转子中，所述凸出的部分的横截面为三分之二圆。

可选的，在所述的磁钢转子中，所述转子本体的外周上设置有贯穿所述转子本体两端的凹槽，所述凹槽的横截面为圆弧形，并且，所述凹槽的横截面的圆心位于所述交轴上且在所述转子本体外。

可选的，在所述的磁钢转子中，所述凹槽与所述转子本体的外周光滑过渡连接。

可选的，在所述的磁钢转子中，所述磁钢槽邻近所述交轴的内壁上还设置有一向内凹陷的部分。

可选的，在所述的磁钢转子中，所述向内凹陷的部分的横截面为圆弧形。

可选的，在所述的磁钢转子中，所述向内凹陷的部分与所述凸出的部分相连设置。

可选的，在所述的磁钢转子中，所述向内凹陷的部分设置于所述凸出的部分远离所述转子本体外周的一侧。

可选的，在所述的磁钢转子中，所述凸出的部分的横截面的直径为所述交轴的磁桥高度的15％～25％。

可选的，在所述的磁钢转子中，所述凸出的部分的横截面的圆心到所述交轴的垂直距离为所述交轴的磁桥高度的25％～35％，并且，所述凸出的部分的横截面的圆心在所述交轴上的投影和所述交轴与所述转子本体外周的交点之间的直线距离为所述交轴的磁桥高度的55％～65％。

其次，本发明还提供了一种永磁同步电机，包括如上任意一项所述的磁钢转子。

可选的，在所述的永磁同步电机中，所述永磁同步电机还包括定子，所述磁钢转子设置于所述定子内，其中，所述定子和磁钢转子之间具有一定的气隙，所述转子本体的外周上设置有贯穿所述转子本体两端的凹槽，所述凹槽的横截面的圆心位于所述气隙中。

可选的，在所述的永磁同步电机中，所述转子本体上设置有多对磁钢槽，每对磁钢槽对称设置于同一交轴的两侧，并且每个磁钢槽邻近对应交轴的内壁上均设置有所述凸出的部分。

综上所述，本发明提供的磁钢转子和永磁同步电机，具有以下有益效果：

1、本发明通过在磁钢槽邻近交轴的内壁上设置横截面为圆弧形的凸出的部分，增大了交轴磁路的磁阻，减小了交轴的电感，从而消弱了磁钢转子的凸极效应，进而降低了负载时的转矩波动；同时，由于永磁同步电机直轴和交轴之间的电感差异缩小，使得负载磁场谐波含量变小，因此降低了空载反电势谐波；并且，凸出的部分的设置也破坏了磁钢边角附近的漏磁路径，减小了漏磁通，增大了主磁通，从而补偿了由于直交轴之间电感差异缩小而引起的磁阻转矩减小问题，这样，平衡了磁阻转矩；再则，所述凸出的部分设置在磁钢槽上，便于与磁钢槽一体成型，而且仅通过传统的冲压设备即可加工形成具有凸出的部分的磁钢槽，因而，无需增加易磨损的冲头，较大降低了加工成本；

2、本发明的凸出的部分的横截面采用三分之二圆，更有效降低了转矩波动和空载反电势谐波，抑制效果更好；

3、本发明还通过在转子本体的外周上设置穿过交轴的凹槽，由于凹槽可以起到干涉交轴磁路的作用，使得部分原本从定子和转子之间的气隙通过交轴磁桥进入转子的磁通改变了路径，从而使得交轴磁桥两边的磁路饱和度增加，减小了磁导，这样一方面降低了气隙磁密谐波的含量，另一方面气隙磁密含量的降低同时使得基波含量增加，从而气隙磁密正弦度变好，削弱了由于定子开槽带来的齿槽效应，降低了齿槽转矩；

4、本发明还配合在磁钢槽邻近交轴的内壁上设置了向内凹陷的部分，增大了交轴磁桥的受力面积，改善了转子强度。

附图说明

图1为现有的磁钢转子分段斜极的示意图；

图2为现有的四分之一磁钢转子优化前的横截面示意图；

图3为图2所示的四分之一转子优化后的横截面示意图；

图4为本发明实施例的四分之一转子的横截面示意图；

图5为图4所示四分之一转子A处的局部放大图；

图6为现有的永磁同步电机的空载反电势谐波图；

图7为本发明实施例的永磁同步电机的空载反电势谐波图；

图8为现有的永磁同步电机和本发明实施例的永磁同步电机的齿槽转矩对比图；

图9为现有的永磁同步电机和本发明实施例的永磁同步电机的转矩波动对比图。

其中本发明实施例的附图标记说明如下：

11-磁钢槽；12-转子本体；13-凸出的部分；14-凹槽；15-向内凹陷的部分；16-定子。

具体实施方式

为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图4～9对本发明提出的磁钢转子及永磁同步电机作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

图4为本实施例的四分之一转子的横截面示意图，图5为图4所示四分之一转子A处的局部放大图。

如图4～5所示，一种磁钢转子，包括具有磁钢槽11的转子本体12(图中剖面线填充示出)，其中，所述磁钢槽11可用以容置一磁钢，以提供磁路，并且，所述磁钢槽11邻近磁钢转子的交轴q的内壁具有横截面为圆弧形的凸出的部分13。通常的，所述转子本体12上设置有多个磁钢槽11，每一交轴处对称设置有一对磁钢槽11，并且每个磁钢槽11邻近对应交轴q的内壁上设置有一凸出的部分13。

此处，关于交轴q，本领域人员熟知的是：在永磁同步电机控制中，为了能够得到类似直流电机的控制特性，在电机转子上建立了一个坐标系，此坐标系与转子同步转动，并取转子磁场方向为d轴(即直轴)，而垂直于转子磁场方向为q轴(即交轴)，以将电机的数学模型转换到此坐标系下，可实现d轴和q轴的解耦，从而得到良好的控制特性。

本实施例的磁钢转子采用在磁钢槽11邻近交轴q的内壁上设置横截面为圆弧形的凸出的部分13，可使交轴q磁路的磁阻变大，交轴q的电感变小，从而消弱了转子的凸极效应，降低了负载时的转矩波动。

与此同时，由于直轴d和交轴q之间的电感差异变小，也使得负载磁场谐波含量变小，这样降低了反电势谐波。

而且，所述凸出的部分13也破坏了磁钢边角附近的漏磁路径，使得漏磁通减小，主磁通增大，从而补偿了由于直交轴之间电感差异减小而引起的磁阻转矩减小问题，平衡了磁阻转矩。

再则，将凸出的部分13设置在磁钢槽11上，这样可与磁钢槽11一体成型，并且仅通过传统的冲压设备即可加工形成具有凸出的部分的磁钢槽，因而，无需增加易磨损的冲头，较大降低了加工成本。

本实施例中，所述凸出的部分13的横截面为凸圆形。更优选的，所述凸圆形为三分之二圆。经过实验发现，采用三分之二圆，可更有效抑制反电势谐波，降低转矩波动，抑制效果好。

此外，所述凸出的部分13的横截面的直径优选为所述交轴q的磁桥高度的15％～25％。更优选的，所述凸出的部分13的横截面的直径为所述交轴q的磁桥高度的20％。但是，所述凸出的部分13的尺寸，也就是凸出的部分13的横截面的直径，将随着转子本体12尺寸的增大而增大。

较佳的，所述凸出的部分13的横截面的圆心倒所述交轴q的垂直距离为所述交轴q的磁桥高度的25％～35％，并且所述凸出的部分13的横截面的圆心在所述交轴q上的投影和所述交轴q与转子本体12外周的交点之间的直线距离为所述交轴q的磁桥高度的55％～65％。具体地说，通过凸出的部分13的横截面的圆心向交轴q作垂线，其垂点与交轴q与转子本体外周的交点之间的直线距离为交轴q的磁桥高度的55％～65％。特别的，所述垂点与交轴q和转子本体12外周的交点之间的直线距离为交轴q的磁桥高度的60％。

作为优选的实施例，所述转子本体12的外周上设置有贯穿转子本体12两端的凹槽14，也就是所述凹槽14的长度沿转子本体12的轴线方向设置，并且，所述凹槽14的横截面为圆弧形，其中，所述凹槽14的横截面的圆心位于所述交轴q上且在转子本体12以外。具体的，所述凹槽14的横截面的圆心位于转子本体12的外圆外。

由于凹槽14可以起到干涉交轴q的磁路的作用，使得部分原本从定子和转子之间的气隙通过交轴磁桥进入转子的磁通改变了路径，从而使得交轴磁桥两边的磁路饱和度增加，由此减小了磁导，这样，一方面降低了气隙磁密谐波的含量，另一方面气隙磁密含量的降低使得基波含量增加，从而改善了气隙磁密正弦度，削弱了由于定子开槽带来的齿槽效应，降低了齿槽转矩。不过，本发明并不限定所述凹槽14的具体尺寸，可以根据实际情况作相应设置。

优选的，所述凹槽14与转子本体12的外周光滑过渡连接，例如采用倒圆角进行过渡连接，这样可以防止应力集中，确保结构强度。

特别的，所述磁钢槽11邻近交轴q的内壁上还设置有一向内凹陷的部分15，以增大交轴q磁桥的受力面积，改善磁钢转子的强度。所述向内凹陷的部分15的横截面优选为圆弧形，便于加工成型。

其中，所述向内凹陷的部分15与凸出的部分13可相连设置，更有效确保磁钢转子的强度。此外，所述向内凹陷的部分15既可设置于凸出的部分13远离转子本体12外周的一侧，也可设置于凸出的部分13邻近转子本体12外周的一侧。本发明对向内凹陷的部分15的尺寸和位置并不作具体限定，只要利于提升磁钢转子强度且不影响磁钢转子自身的性能即可。

特别的，本实施例还提供了一种永磁同步电机，其包括如上实施例的磁钢转子。采用上述实施例的磁钢转子的永磁同步电机，不仅噪音低，而且防振动性能好。

继续参阅图4，所述永磁同步电机还包括定子16，所述磁钢转子设置于定子16内，其中，所述定子16和磁钢转子之间具有一定的气隙(即间隙)，而所述转子本体12上凹槽14的横截面的圆心位于所述气隙中，即所述凹槽14的横截面的圆心处于转子本体12的外圆和定子16的内圆之间。

通常的，所述转子本体12上设置有多个磁钢槽11，每个磁钢槽11用于安置一磁钢。多个磁钢槽11分布形成若干对，每一对磁钢槽11关于交轴q对称，以保证磁路的对称性。其中，本领域人员了解的是：所述转子本体12上设置的磁钢槽11的数量与永磁同步电机上使用的线圈的数量一致。

接着，参阅图6～7，其中，图6为现有的永磁同步电机的空载反电势谐波图，图7为本实施例的永磁同步电机的空载反电势谐波图。

如图6～7所示，通过凹槽14，可以将图6中示出的空载反电势谐波的肩部a(由图中若干实心圆圈出)削平至图7所示的空载反电势谐波，降低了转子和定子之间气隙磁密谐波中5次和7次谐波的含量。具体地，如下表格又提供了现有的永磁同步电机和本发明的永磁同步电机工作时的空载反电势谐波含量的分布情况：

如上表格所示，在磁钢槽11内部及转子本体12外周配合开槽后，空载反电势谐波的3次、5次、7次、11次和13次谐波含量均有了显著降低。

参阅图8，图8为齿槽转矩随转子位置变化的曲线图，横坐标Rotor position为转子的转动位置，其以角度deg为单位，纵坐标Torque为转矩，并以N/m为单位，其中，曲线1为现有的永磁同步电机的齿槽转矩值，曲线2为本发明的永磁同步电机的齿槽转矩值。如图8所示，本发明的齿槽转矩约可降低至现有的齿槽转矩的25％。

参阅图9，图9为转矩波动随转子位置变化的曲线图，横坐标Rotor position为转子的转动位置，其以角度deg为单位，纵坐标Torque为转矩，并以N/m为单位，其中，曲线3为现有的永磁同步电机的转矩波动值，曲线4为本发明的永磁同步电机的转矩波动值。如图9所示，本发明的永磁同步电机转矩波动约降低至现有的永磁同步电机的50％。

综上所述，本发明提供的磁钢转子及永磁同步电机，具有以下有益效果：

第一、本发明通过在磁钢槽邻近交轴的内壁上设置横截面为圆弧形的凸出的部分，增大了交轴磁路的磁阻，减小了交轴的电感，从而消弱了磁钢转子的凸极效应，进而降低了负载时的转矩波动；同时，由于永磁同步电机直轴和交轴之间的电感差异缩小，使得负载磁场谐波含量变小，因此降低了空载反电势谐波；并且，凸出的部分的设置也破坏了磁钢边角附近的漏磁路径，减小了漏磁通，增大了主磁通，从而补偿了由于直交轴之间电感差异缩小而引起的磁阻转矩减小问题，这样，平衡了磁阻转矩；再则，所述凸出的部分设置在磁钢槽上，便于与磁钢槽一体成型，而且仅通过传统的冲压设备即可加工形成具有凸出的部分的磁钢槽，因而，无需增加易磨损的冲头，较大降低了加工成本。

第二、本发明的凸出的部分的横截面采用三分之二圆，更有效降低了转矩波动和空载反电势谐波，抑制效果更好。

第三、本发明还通过在转子本体的外周上设置穿过交轴的凹槽，由于凹槽可以起到干涉交轴磁路的作用，使得部分原本从定子和转子之间的气隙通过交轴磁桥进入转子的磁通改变了路径，从而使得交轴磁桥两边的磁路饱和度增加，减小了磁导，这样一方面降低了气隙磁密谐波的含量，另一方面气隙磁密含量的降低同时使得基波含量增加，从而气隙磁密正弦度变好，削弱了由于定子开槽带来的齿槽效应，降低了齿槽转矩。

第四、本发明还配合在磁钢槽邻近磁钢转子交轴的内壁上设置了向内凹陷的部分，增大了交轴磁桥的受力面积，改善了转子强度。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (10)

1.一种磁钢转子，包括具有磁钢槽的转子本体，其特征在于，所述磁钢槽邻近所述磁钢转子的交轴的内壁具有一向所述交轴的方向凸出的部分，并且，所述凸出的部分的横截面为圆弧形，所述凸出的部分的横截面的圆心到所述交轴的垂直距离为所述交轴的磁桥高度的25％～35％，并且，所述凸出的部分的横截面的圆心在所述交轴上的投影和所述交轴与所述转子本体外周的交点之间的直线距离为所述交轴的磁桥高度的55％～65％，所述转子本体的外周上设置有贯穿所述转子本体两端的凹槽，所述凹槽的横截面为圆弧形，并且，所述凹槽的横截面的圆心位于所述交轴上且在所述转子本体外。

2.如权利要求1所述的磁钢转子，其特征在于，所述凸出的部分的横截面为三分之二圆。

3.如权利要求1所述的磁钢转子，其特征在于，所述凹槽与所述转子本体的外周光滑过渡连接。

4.如权利要求1所述的磁钢转子，其特征在于，所述磁钢槽邻近所述交轴的内壁上还具有一向内凹陷的部分。

5.如权利要求4所述的磁钢转子，其特征在于，所述向内凹陷的部分的横截面为圆弧形。

6.如权利要求4所述的磁钢转子，其特征在于，所述向内凹陷的部分与所述凸出的部分相连设置。

7.如权利要求4所述的磁钢转子，其特征在于，所述向内凹陷的部分设置于所述凸出的部分远离所述转子本体外周的一侧。

8.如权利要求1至7中任一项所述的磁钢转子，其特征在于，所述凸出的部分的横截面的直径为所述交轴的磁桥高度的15％～25％。

9.一种永磁同步电机，其特征在于，包括定子以及如权利要求1至8中任一项所述的磁钢转子，所述磁钢转子设置于所述定子内，其中，所述定子和磁钢转子之间设置有一定的气隙，所述转子本体的外周上设置有贯穿所述转子本体两端的凹槽，所述凹槽的横截面的圆心位于所述气隙中。

10.如权利要求9所述的永磁同步电机，其特征在于，所述转子本体上设置有多对磁钢槽，每对磁钢槽对称设置于同一交轴的两侧，并且，每个磁钢槽邻近对应交轴的内壁上均设置有所述凸出的部分。