CN107086686A - 一种内置式永磁电机转子 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内置式永磁电机转子，包括传统内置式永磁电机转子铁心、交替极内置式永磁电机转子铁心、转轴和永磁体。交替极内置式永磁电机转子铁心的两侧各设置一个传统内置式永磁电机转子铁心；每个传统内置式永磁电机转子铁心的轴向长度为整个内置式永磁电机转子铁心轴向长度的0.1‑0.3倍；传统内置式永磁电机转子铁心沿周向均匀布设有2p个永磁体槽；相邻两个永磁体槽之间构成导磁桥；交替极内置式永磁电机转子铁心沿周向均匀布设有p个永磁体槽；每个永磁体槽内均布设一个永磁体，每个永磁体的两侧均设置有周向隔磁槽。本发明采用能在降低电机的成本和保证转矩输出能力的同时，削弱转轴端部的漏磁及其磁化。

Description

一种内置式永磁电机转子

技术领域

本发明涉及一种电机设计领域，特别是一种内置式永磁电机转子。

背景技术

近些年，由于永磁电机具有高转矩密度、高效率，被广泛应用于家电、电动汽车、风力发电和航空航天等场合。高能量密度的稀土永磁材料在永磁电机的设计和产品化中备受青睐。由于内置式永磁电机的永磁体置于转子铁心的内部，当电机转子运行在比较高的转速时，仍然能够保证电机转子的安全性。而且，内置式永磁电机的转子铁心中插入永磁体，永磁体的形状可以根据不同的性能要求设计成不同的形状，转子铁心空间被有效的利用。

根据永磁同步电机的坐标变换理论，内置式永磁电机的直轴磁路和交轴磁路，如图2所示。直轴磁路25：永磁体→气隙→定子铁心→气隙→相邻的永磁体→转子铁心→回到永磁体。交轴磁路26：转子铁心的导磁桥→气隙→定子铁心→气隙→相邻的导磁桥→转子铁心→回到开始的导磁桥。

可见，其直轴磁路不经过永磁体，而永磁体的磁阻比铁心的磁阻大的多，所以直轴磁路的磁阻大于交轴磁路的磁阻，因此其直轴电感小于交轴电感。

内置式永磁同步电机的电磁转矩T_e表达式，如式(a)所示。

式(a)中，p为电机的极对数，ψ_pm为永磁磁链，L_d和L_q分别为直轴电感和交轴电感，i_d和i_q分别为电枢绕组的直轴电流和交轴电流。I_a是正弦相电流的峰值，β是电流相位角。T_pm和T_r分别是永磁转矩分量和磁阻转矩分量。

由于内置式永磁电机的直轴电感小于交轴电感，因此其输出转矩中不仅含有永磁转矩分量，还含有磁阻转矩分量，使得内置式永磁电机有着很宽的恒功率运行区域。正因为如此，内置式永磁电机经常应用于电动汽车、船舶推进等需要调速运行的场合。但是，内置式永磁电机的加工工艺较为复杂。加上大量价格较高的稀土永磁体的使用，导致内置式永磁电机的生产成本较高。为了降低内置式永磁电机的成本，发明专利201310042049.9和201210005015.8提供了永磁体内置式的交替极永磁电机。

另外，交替极表面式永磁电机的转轴端部会有单极性漏磁，使得电机的转轴端部发生磁化，这将对整个电机系统的可靠性和安全性产生影响。发明专利201611011019.1提出采用转子分段的方法，在转子和转轴内部提供漏磁路径，削弱了转轴端部的磁化。然而，两段转子交界处存在轴向漏磁，其漏磁路径如图15所示：一段转子的永磁体→气隙→相邻的另一段转子上的永磁体→转子铁心→回到开始的永磁体。尽管，发明专利201611011019.1可以降低转轴端部的漏磁，避免其磁化，但是，两段转子交界处的漏磁会降低转矩输出能力，永磁体的利用率较低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种内置式永磁电机转子，该内置式永磁电机转子采用传统内置式永磁电机转子铁心和交替极内置式永磁电机转子铁心相结合的方法，在降低电机的成本和保证转矩输出能力的同时，削弱转轴端部的漏磁及其磁化。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种内置式永磁电机转子，包括传统内置式永磁电机转子铁心、交替极内置式永磁电机转子铁心、转轴和永磁体。

传统内置式永磁电机转子铁心和交替极内置式永磁电机转子铁心均同轴套装在转轴上，且交替极内置式永磁电机转子铁心的两侧各设置一个传统内置式永磁电机转子铁心。

每个传统内置式永磁电机转子铁心的轴向长度均为整个内置式永磁电机转子铁心轴向长度的0.1-0.3倍。

传统内置式永磁电机转子铁心在半径为r的圆环侧面上，沿周向均匀布设有2p个永磁体槽，其中，p为电机极对数。位于相邻两个永磁体槽之间的传统内置式永磁电机转子铁心部分构成导磁桥。

交替极内置式永磁电机转子铁心在半径为r的圆环侧面上，沿周向均匀布设有p个永磁体槽。

交替极内置式永磁电机转子铁心和传统内置式永磁电机转子铁心的半径相等，均记为R，则0.6R＜r＜R。

每个永磁体槽内均布设一个永磁体，每个永磁体的两侧均设置有周向隔磁槽。

交替极内置式永磁电机转子铁心中布设的所有永磁体的充磁方向相同。

布设在传统内置式永磁电机转子铁心中相邻两个永磁体槽内的两个永磁体的充磁方向相反，形成一对磁极。

传统内置式永磁电机转子铁心和交替极内置式永磁电机转子铁心均为导磁材料。

两个传统内置式永磁电机转子铁心的轴向长度相等。

每个传统内置式永磁电机转子铁心的轴向长度均为整个内置式永磁电机转子铁心轴向长度的0.3倍。

交替极内置式永磁电机转子铁心中布设的永磁体记为永磁体一，则每个永磁体一的极弧系数α_p1＝θ_m1p/(2π)，其中θ_m1为永磁体一的最大圆心角；α_p1取值范围为0.3-0.8。

传统内置式永磁电机转子铁心中布设的永磁体记为永磁体二，则永磁体二的极弧系数α_p2＝θ_m2p/π，其中θ_m2为永磁体二的最大圆心角；α_p2取值范围为0.7-0.95。

每个传统内置式永磁电机转子铁心与交替极内置式永磁电机转子铁心之间各设置有一个轴向隔磁槽，轴向隔磁槽的轴向长度系数其中L_b为轴向隔磁槽的轴向长度，L_m为交替极内置式永磁电机转子铁心的轴向长度；k_a取值范围为0-0.1。

永磁体采用径向充磁或者平行充磁。

每个永磁体槽的形状均为条形或V形；当呈V形时，每个V形永磁体槽均由两个对称设置的条状槽拼合形成，且V形的顶端朝向传统内置式永磁电机转子铁心或交替极内置式永磁电机转子铁心的圆心。

本发明采用上述结构后，具有如下有益效果：

.在交替极内置式永磁电机转子铁心的两侧并列设计有传统内置式永磁电机转子铁心，由于交替极内置式永磁电机转子铁心处于中间，这样的结构增大了交替极内置式永磁电机转子中永磁体的单极性漏磁磁通路径的磁阻，导致其大部分漏磁不会通过转轴端部，削弱了转轴端部的单极性漏磁。

附图说明

图1显示了本发明实施例1中交替极内置式永磁电机转子的截面结构示意图。

图2显示了本发明实施例1中传统内置式永磁电机转子的截面结构示意图。

图3显示了本发明实施例1中内置式永磁电机转子无轴向隔磁槽时的立体结构图。

图4显示了本发明实施例1中内置式永磁电机转子有轴向隔磁槽时的立体结构图。

图5显示了本发明实施例1中内置式永磁电机转子端部漏磁磁通路径示意图。

图6显示了本发明实施例2中交替极内置式永磁电机转子的截面结构示意图。

图7显示了本发明实施例2中传统内置式永磁电机转子的截面结构示意图。

图8显示了本发明实施例2中内置式永磁电机转子无轴向隔磁槽时的立体结构图。

图9显示了本发明实施例2中内置式永磁电机转子有轴向隔磁槽时的立体结构图。

图10显示了实施例1中一种永磁电机转子与现有技术中电机转子的电磁转矩对比图。

图11显示了实施例1及实施例2中△T_avg随k_l变化关系图。

图12显示了实施例1及实施例2中△B_e随k_l变化关系图。

图13显示了实施例1及实施例2中△V_m随k_l变化关系图。

图14显示了实施例1中本发明(k_l＝0.3时)和交替极永磁电机在转轴端部40mm处的磁密对比图。

图15显示了背景技术201611011019.1中两段转子交界处的漏磁路径示意图。

图16显示了实施例1在常规永磁电机转子铁心与交替极永磁电机转子铁心交界处的漏磁分析图。

图17显示了本发明实施例1的磁通路径示意图。

图18显示了实施例2在常规永磁电机转子铁心与交替极永磁电机转子铁心交界处的漏磁分析图。

图19显示了本发明实施例2的磁通路径示意图。

图20显示了实施例2中内置式永磁电机转子端部漏磁磁通路径示意图。

图21显示了实施例2中一种永磁电机转子与现有技术中电机转子的电磁转矩对比图。

图22显示了实施例2中本发明(k_l＝0.3时)和交替极永磁电机在转轴端部40mm处的磁密对比图。

图23显示了实施例1中平均转矩随电流相位角的变化图。

图24显示了实施例2中平均转矩随电流相位角的变化图。

其中有：

10.交替极内置式永磁电机转子铁心；

11.永磁体槽一；12.周向隔磁槽一；13.加强筋一；

20.传统内置式永磁电机转子铁心；

21.永磁体槽一；22.导磁桥；23.周向隔磁槽二；24.加强筋二；25.直轴磁路；26.交轴磁路；

31.永磁体一；32.永磁体二；

40.转轴；50.端部漏磁磁通路径；60.轴向隔磁槽；

70.轴向漏磁路径；

80.交替极永磁电机转子的磁通路径。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

如图1至图5所示，一种内置式永磁电机转子，包括传统内置式永磁电机转子铁心20、交替极内置式永磁电机转子铁心10、转轴40和永磁体。

传统内置式永磁电机转子铁心和交替极内置式永磁电机转子铁心均同轴套装在转轴上，且交替极内置式永磁电机转子铁心的两侧各设置一个传统内置式永磁电机转子铁心。

传统内置式永磁电机转子铁心在半径为r的圆环侧面上，沿周向均匀布设有2p个永磁体槽，假设为永磁体槽二21，其中，p为电机极对数。位于相邻两个永磁体槽二之间的传统内置式永磁电机转子铁心部分构成导磁桥22。

交替极内置式永磁电机转子铁心在半径为r的圆环侧面上，沿周向均匀布设有p个永磁体槽，假设为永磁体槽一11。

交替极内置式永磁电机转子铁心和传统内置式永磁电机转子铁心的半径相等，均记为R，则0.6R＜r＜R，优选为0.8R。

这样，每个永磁体槽外侧均具有加强筋，也即永磁体槽一外侧具有加强筋一13，永磁体槽二外侧具有加强筋二24。

每个永磁体槽内均布设一个永磁体，每个永磁体的两侧均设置有周向隔磁槽。

假设，每个永磁体槽一内布设的永磁体为永磁体一31，每个永磁体一两侧均设置有周向隔磁槽一12。

每个永磁体槽的形状均为条形，每个永磁体也均为条形。

每个永磁体槽二内布设的永磁体为永磁体二32，每个永磁体二两侧均设置有周向隔磁槽二23。

交替极内置式永磁电机转子铁心中布设的所有永磁体的充磁方向相同，也即所有永磁体一的充磁方向相同。

布设在传统内置式永磁电机转子铁心中相邻两个永磁体槽内的两个永磁体的充磁方向相反，形成一对磁极。也即，相邻两个永磁体二的充磁方向相反。

传统内置式永磁电机转子铁心和交替极内置式永磁电机转子铁心均为导磁材料。

交替极内置式永磁电机转子铁心中布设的永磁体记为永磁体一，则每个永磁体一的极弧系数α_p1＝θ_m1p/(2π)，其中θ_m1为永磁体一的最大圆心角；α_p1取值范围为0.3-0.8。

传统内置式永磁电机转子铁心中布设的永磁体记为永磁体二，则永磁体二的极弧系数α_p2＝θ_m2p/π_，其中θ_m2为永磁体二的最大圆心角；α_p2取值范围为0.7-0.95。

每个传统内置式永磁电机转子铁心与交替极内置式永磁电机转子铁心之间各设置有一个轴向隔磁槽，轴向隔磁槽的轴向长度系数其中L_b为轴向隔磁槽的轴向长度，L_m为交替极内置式永磁电机转子铁心的轴向长度；k_a取值范围为0-0.1。

永磁体优选采用径向充磁或者平行充磁，但也可为其他已知的充磁方式。

每个传统内置式永磁电机转子铁心的轴向长度均为整个内置式永磁电机转子铁心轴向长度的0.1-0.3倍，优选为0.2-0.3倍。本发明中，两个传统内置式永磁电机转子铁心的轴向长度优选相等，且均为整个内置式永磁电机转子铁心轴向长度的0.3倍。

假设常规永磁电机转子铁心的轴向长度与整个转子铁心轴向长度的比值为k_l。

下面对平均电磁转矩，转轴端部磁密和永磁体用量，分别建立增量参数，如式(1)-式(3)所示。

式中，△T_avg为平均电磁转矩增量；△B_e为转轴端部磁密增量；△V_m为永磁体体积增量；T_{avg_0}为交替极永磁电机的平均电机转矩；B_{e_0}为交替极永磁电机的转轴端部磁密；V_{m_0}为常规永磁电机的永磁体体积；T_{avg_x}为本发明永磁电机的平均电机转矩；B_{e_x}为本发明永磁电机的转轴端部磁密；V_{m_x}为本发明永磁电机的永磁体体积。

△T_avg、△B_e和△V_m随k_l的变化关系，如图11、图12和图13所示。随着k_l变大，△T_avg和△B_e逐渐变大，△V_m逐渐变小。

如图10所示，当k_l达到0.3时，其转矩输出能力不仅与常规永磁电机相当，而且还能节约20％的永磁体。故在保证转矩输出能力的情况下，尽可能的节约永磁体，且尽可能的削弱转轴端部漏磁；k_l优选范围为0.2-0.3。

上述永磁电机转子的结构设计，增大了交替极永磁电机的单极性的漏磁磁通路径6的磁阻，如图5所示，导致其大部分漏磁不会通过转轴端部，削弱了转轴端部的单极性漏磁。

根据“磁阻最小原理”，磁通总是通过磁阻较小的路径形成回路。

本发明的交替极内置式永磁电机转子上永磁体的磁通路径：永磁体→转子铁心→气隙→定子铁心→气隙→回到开始的永磁体。由于常规内置式永磁电机转子位于两侧，常规内置式永磁电机转子上永磁体的轴向漏磁路径70：永磁体→气隙→定子铁心→气隙→转子铁心→回到永磁体。然而，由于交替极内置式永磁电机转子的磁通路径80方向与常规内置式永磁电机转子上永磁体的轴向漏磁通方向，在交替极内置式永磁电机转子上相反，如图16所示。而且，常规内置式永磁电机转子上永磁体的轴向漏磁通远小于交替极内置式永磁电机转子上永磁体的磁通，所以，这个轴向漏磁通，会被交替极内置式永磁电机转子上永磁体的磁通迫使回到常规内置式永磁电机转子的主磁通路径，如图17所示。因此，本发明的轴向漏磁很小。

本发明(k_l＝0.3时)和交替极永磁电机的转轴端部40mm处的磁密，如图14所示，图中可以看出，本发明可以有效的削弱转轴端部的单极性漏磁。

如图23所示，本发明工作在最大转矩电流比(β>0)控制下，能够进一步利用磁阻转矩，提高转矩输出能力，当在弱磁升速工况时，能够利用磁阻转矩保持恒功率运行。

由于内置式永磁电机的直轴磁路和交轴磁路不对称，如图2所示，导致直轴电感小于交轴电感。本发明继承了这一特性，当工作在最大转矩电流比(此时β>0)控制下，能够进一步利用磁阻转矩，提高转矩输出能力，如图23所示。当在弱磁升速工况时，能够利用磁阻转矩保持恒功率运行。而传统的表面式永磁电机工作在β＝0时，才能获得最大转矩，因为其只有永磁转矩成分。

实施例2

实施例2与实施例1基本相同，不同之处在于：如图6至图9所示，每个永磁体槽的形状均为V形；每个V形永磁体槽均由两个对称设置的条状槽拼合形成，且V形的顶端朝向传统内置式永磁电机转子铁心或交替极内置式永磁电机转子铁心的圆心。

每个条状槽内设置一个条状的永磁体，每个条状的永磁体的两侧各设置一个周向隔磁槽。

如图21所示，当k_l达到0.3时，其转矩输出能力不仅与常规永磁电机相当，而且还能节约20％的永磁体。故在保证转矩输出能力的情况下，尽可能的节约永磁体，且尽可能的削弱转轴端部漏磁；k_l优选范围为0.2-0.3。

上述永磁电机转子的结构设计，增大了交替极永磁电机的单极性的漏磁磁通路径6的磁阻，如图20所示，导致其大部分漏磁不会通过转轴端部，削弱了转轴端部的单极性漏磁。

根据“磁阻最小原理”，磁通总是通过磁阻较小的路径形成回路。

本发明的交替极内置式永磁电机转子上永磁体的磁通路径：永磁体→转子铁心→气隙→定子铁心→气隙→回到开始的永磁体。由于常规内置式永磁电机转子位于两侧，常规内置式永磁电机转子上永磁体的轴向漏磁路径70：永磁体→气隙→定子铁心→气隙→转子铁心→回到永磁体。然而，由于交替极内置式永磁电机转子的磁通路径80方向与常规内置式永磁电机转子上永磁体的轴向漏磁通方向，在交替极内置式永磁电机转子上相反，如图18所示。而且，常规内置式永磁电机转子上永磁体的轴向漏磁通远小于交替极内置式永磁电机转子上永磁体的磁通，所以，这个轴向漏磁通，会被交替极内置式永磁电机转子上永磁体的磁通迫使回到常规内置式永磁电机转子的主磁通路径，如图19所示。因此，本发明的轴向漏磁很小。

本发明(k_l＝0.3时)和交替极永磁电机的转轴端部40mm处的磁密，如图22所示，图中可以看出，本发明可以有效的削弱转轴端部的单极性漏磁。

如图24所示，本发明工作在最大转矩电流比(β>0)控制下，能够进一步利用磁阻转矩，提高转矩输出能力，当在弱磁升速工况时，能够利用磁阻转矩保持恒功率运行。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种内置式永磁电机转子，其特征在于：包括传统内置式永磁电机转子铁心、交替极内置式永磁电机转子铁心、转轴和永磁体；

传统内置式永磁电机转子铁心和交替极内置式永磁电机转子铁心均同轴套装在转轴上，且交替极内置式永磁电机转子铁心的两侧各设置一个传统内置式永磁电机转子铁心；

每个传统内置式永磁电机转子铁心的轴向长度为整个内置式永磁电机转子铁心轴向长度的0.1-0.3倍；

传统内置式永磁电机转子铁心在半径为r的圆环侧面上，沿周向均匀布设有2p个永磁体槽，其中，p为电机极对数；位于相邻两个永磁体槽之间的传统内置式永磁电机转子铁心部分构成导磁桥；

交替极内置式永磁电机转子铁心在半径为r的圆环侧面上，沿周向均匀布设有p个永磁体槽；交替极内置式永磁电机转子铁心和传统内置式永磁电机转子铁心的半径相等，均记为R，则0.6R＜r＜R；

每个永磁体槽内均布设一个永磁体，每个永磁体的两侧均设置有周向隔磁槽；

交替极内置式永磁电机转子铁心中布设的所有永磁体的充磁方向相同；

布设在传统内置式永磁电机转子铁心中相邻两个永磁体槽内的两个永磁体的充磁方向相反，形成一对磁极；

传统内置式永磁电机转子铁心和交替极内置式永磁电机转子铁心均为导磁材料。

2.根据权利要求1所述的内置式永磁电机转子，其特征在于：两个传统内置式永磁电机转子铁心的轴向长度相等。

3.根据权利要求2所述的内置式永磁电机转子，其特征在于：每个传统内置式永磁电机转子铁心的轴向长度均为整个内置式永磁电机转子铁心轴向长度的0.3倍。

4.根据权利要求1所述的内置式永磁电机转子，其特征在于：交替极内置式永磁电机转子铁心中布设的永磁体记为永磁体一，则每个永磁体一的极弧系数α_p1＝θ_m1p/(2π)，其中θ_m1为永磁体一的最大圆心角；α_p1取值范围为0.3-0.8。

5.根据权利要求1所述的内置式永磁电机转子，其特征在于：传统内置式永磁电机转子铁心中布设的永磁体记为永磁体二，则永磁体二的极弧系数α_p2＝θ_m2p/π，其中θ_m2为永磁体二的最大圆心角；α_p2取值范围为0.7^-0.95。

6.根据权利要求1所述的内置式永磁电机转子，其特征在于：每个传统内置式永磁电机转子铁心与交替极内置式永磁电机转子铁心之间各设置有一个轴向隔磁槽，轴向隔磁槽的轴向长度系数其中L_b为轴向隔磁槽的轴向长度，L_m为交替极内置式永磁电机转子铁心的轴向长度；k_a取值范围为0-0.1。

7.根据权利要求1所述的内置式永磁电机转子，其特征在于：永磁体采用径向充磁或者平行充磁。

8.根据权利要求1所述的内置式永磁电机转子，其特征在于：每个永磁体槽的形状均为条形或V形；当呈V形时，每个V形永磁体槽均由两个对称设置的条状槽拼合形成，且V形的顶端朝向传统内置式永磁电机转子铁心或交替极内置式永磁电机转子铁心的圆心。