CN107425630A - 一种交替极内置式永磁电机转子 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种交替极内置式永磁电机转子，包括转子铁心、转轴、外永磁体和内永磁体，外永磁体的能量密度大于内永磁体的能量密度；转子铁心包括至k个转子铁心段和k‑1个导磁环，其中，k≥2，相邻两个转子铁心段之间设置一个导磁环；每个转子铁心段的外圆周环面沿周向均匀布设有p个外永磁体槽，其中，p为电机极对数；每个外永磁体槽的外径均小于转子铁心段的外径，每个外永磁体槽内均布设一个外永磁体；每个转子铁心段的内圆周环面沿周向均匀布设有n个内永磁体槽，每个内永磁体槽内均布设一个内永磁体。本发明能在节省电机成本和削弱交替极永磁电机转轴漏磁的同时，进一步提高交替极内置式永磁电机的转矩输出能力。

Description

一种交替极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，特别是一种交替极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，常规内置式永磁电机转子50的直轴磁路51和交轴磁路52，如图11所示。直轴磁路：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：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Te表达式，如式(1)所示。
式(1)中，p为电机的极对数，ψpm为永磁磁链，Ld和Lq分别为直轴电感和交轴电感，id和iq分别为电枢绕组的直轴电流和交轴电流。Ia是正弦相电流的峰值，β是电流相位角。Tpm和Tr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201210005015.8提供了永磁体内置式的交替极永磁电机。
但是，交替极永磁电机的转轴端部的漏磁，会使得电机的转轴产生单极性磁化，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，这样会使得气隙中产生轴向漏磁，降低了电机的转矩输出能力。
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，而提供一种交替极内置式永磁电机转子，该交替极内置式永磁电机转子能在节省电机成本和削弱交替极永磁电机转轴漏磁的同时，进一步提高交替极内置式永磁电机的转矩输出能力。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种交替极内置式永磁电机转子，包括转子铁心、转轴、外永磁体和内永磁体，外永磁体的能量密度大于内永磁体的能量密度。
转子铁心包括至k个转子铁心段和k-1个导磁环，其中，k≥2，相邻两个转子铁心段之间设置一个导磁环。
转子铁心段和导磁环均同轴安装固定在转轴上，转子铁心段和导磁环均为导磁材料。
每个转子铁心段的外圆周环面沿周向均匀布设有p个外永磁体槽，其中，p为电机极对数；每个外永磁体槽的外径均小于转子铁心段的外径，每个外永磁体槽内均布设一个外永磁体。
每个转子铁心段的内圆周环面沿周向均匀布设有n个内永磁体槽，其中，n≥p；每个内永磁体槽的内径均大于转子铁心段的内径，每个内永磁体槽内均布设一个内永磁体。
每个外永磁体和每个内永磁体的两侧均布设有周向隔磁槽。
相邻两个转子铁心段上的外永磁体沿周向偏移的电周期角度为360°/2p。
位于同一个转子铁心段上的所有外永磁体的充磁方向一致，位于同一个转子铁心段上的所有内永磁体的充磁方向一致，位于同一个转子铁心段上的外永磁体和内永磁体的充磁方向相反。
相邻两个转子铁心段上的外永磁体的充磁方向相反；相邻两个转子铁心段上的内永磁体的充磁方向相反。
转子铁心为内转子铁心，转子铁心同轴固定套装在转轴的外周；导磁环的外周同轴套设有环状的轴向充磁永磁体，该轴向充磁永磁体的外径为r1，外永磁体的内径为r3，外永磁体的外径为r4，则r3≤r1≤r4。
转子铁心为外转子铁心，导磁环的内环面同轴安装有环状的轴向充磁永磁体，该轴向充磁永磁体的内径为r2，内永磁体的内径为r5，内永磁体的外径为r6，则r5≤r2≤r6。
位于同一个转子铁心段两侧的两个轴向充磁永磁体的充磁方向相反。
每个外永磁体槽呈条形或V形，当呈V形时，V形顶端朝向转子铁心段的圆心；每个内永磁体槽呈瓦片形。
导磁环的轴向长度系数其中La为导磁环的轴向长度，Lef为电机整机的有效轴向长度；ka取值范围为0-0.1。
外永磁体的极弧系数αp1＝θm1p/(2π)，其中θm1为外永磁体的圆心角，αp1取值范围在0.35-0.75之间。
内永磁体的极弧系数αp2＝θm2n/(2π)，其中n为内永磁体槽的个数，θm2为内永磁体的圆心角，αp2取值范围在0.7-0.99之间。
内永磁体两侧的周向隔磁槽的系数其中θb2为内永磁体两侧的周向隔磁槽的圆心角，kc2取值范围在0-0.2之间。
外永磁体的材质为钕铁硼，内永磁体的材质为铁氧体。
本发明采用上述结构后，能在节省电机成本和削弱交替极永磁电机转轴漏磁的同时，进一步提高交替极内置式永磁电机的转矩输出能力。
附图说明
图1显示了实施例1中一种交替极内置式永磁电机转子的立体主视图。
图2显示了实施例1中一种交替极内置式永磁电机转子的立体侧视图。
图3显示了实施例1中一种交替极内置式永磁电机转子安装有轴向充磁永磁体的立体图。
图4显示了实施例1中转子铁心段一中外永磁体和内永磁体充磁方向示意图。
图5显示了实施例1中转子铁心段二中外永磁体和内永磁体充磁方向示意图。
图6显示了实施例1中外永磁体轴端漏磁磁通路径示意图。
图7显示了实施例1中内永磁体主磁通路径示意图。
图8显示了实施例2中一种交替极内置式永磁电机转子的立体图。
图9显示了实施例2中转子铁心段一中外永磁体和内永磁体充磁方向示意图。
图10显示了实施例2中转子铁心段二中外永磁体和内永磁体充磁方向示意图。
图11显示了现有技术中内置式永磁电机的直轴磁路和交轴磁路的示意图。
图12显示了本发明与现有技术电机的电磁转矩对比(半个电周期)。
图13显示了本发明电机的平均转矩随电流相位角的变化图。
其中有：
11.外永磁体槽；12.内永磁体槽；13.周向隔磁槽；14.转子铁心段一；15.转子铁心段二；16.加强筋；17.外永磁体轴端漏磁磁通路径；18.内永磁体主磁通路径；
20.导磁环；21.轴向充磁永磁体；
30.转轴；
41.外永磁体；42.内永磁体；
50.常规内置式永磁电机转子；51.直轴磁路；52.交轴磁路。
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7所示，一种交替极内置式永磁电机转子，包括转子铁心、转轴30、外永磁体41和内永磁体42，外永磁体的能量密度大于内永磁体的能量密度。
外永磁体为高能量密度永磁体，优选材质为钕铁硼。
内永磁体为低能量密度永磁体，优选材质为铁氧体。
转子铁心包括至k个转子铁心段和k-1个导磁环20，其中，k≥2，相邻两个转子铁心段之间设置一个导磁环。
本发明中，以转子铁心优选包括两个转子铁心段和一个导磁环为例，进行详细说明。
两个转子铁心段分别为转子铁心段一14和转子铁心段二15。
转子铁心段和导磁环均同轴安装固定在转轴上，转子铁心段和导磁环均为导磁材料。
每个转子铁心段的外圆周环面沿周向均匀布设有p个外永磁体槽，形成p个交替极(交替的铁心极)；其中，p为电机极对数。本发明中以10极内转子电机为例，也即p＝5。
每个外永磁体槽的外径均小于转子铁心段的外径，也即每个外永磁体槽的外周均设置有加强筋16。
每个外永磁体槽均呈条形。
每个外永磁体槽内均布设一个外永磁体，外永磁体也呈条形。
外永磁体的极弧系数αp1＝θm1p/(2π)，其中θm1为外永磁体的圆心角，αp1取值范围在0.35-0.75之间。
每个转子铁心段的内圆周环面沿周向均匀布设有n个内永磁体槽，其中，n≥p，本发明中优选为5个。
每个内永磁体槽均呈瓦片形。
每个内永磁体槽的内径均大于转子铁心段的内径，相邻两个内永磁体槽之间不相连，也即相邻两个内永磁体槽之间也设置有加强筋16，保证电机运行时的机械可靠性。
每个内永磁体槽内均布设一个内永磁体，内永磁体的极弧系数αp2＝θm2n/(2π)，其中n为内永磁体槽的个数，θm2为内永磁体的圆心角，αp2取值范围在0.7-0.99之间。
每个外永磁体和每个内永磁体的两侧均布设有周向隔磁槽13，用于减少漏磁。
内永磁体两侧的周向隔磁槽的系数其中θb2为内永磁体两侧的周向隔磁槽的圆心角，kc2取值范围在0-0.2之间。
相邻两个转子铁心段上的外永磁体沿周向偏移的电周期角度为360°/2p，本实例则为36度。
位于同一个转子铁心段上的所有外永磁体的充磁方向一致，位于同一个转子铁心段上的所有内永磁体的充磁方向一致，位于同一个转子铁心段上的外永磁体和内永磁体的充磁方向相反。
相邻两个转子铁心段上的外永磁体的充磁方向相反；相邻两个转子铁心段上的内永磁体的充磁方向相反。
外永磁体和内永磁体的充磁方式均优选采用平行充磁或径向充磁，但也可为其他充磁方式。
转子铁心为内转子铁心，转子铁心同轴固定套装在转轴的外周；导磁环的外周同轴套设有环状的轴向充磁永磁体，该轴向充磁永磁体的外径为r1，外永磁体的内径为r3，外永磁体的外径为r4，则r3≤r1≤r4。
转子铁心作为外转子铁心时，导磁环的内环面同轴安装有环状的轴向充磁永磁体，该轴向充磁永磁体的内径为r2，内永磁体的内径为r5，内永磁体的外径为r6，则r5≤r2≤r6。
位于同一个转子铁心段两侧的两个轴向充磁永磁体的充磁方向相反。
导磁环的轴向长度系数其中La为导磁环的轴向长度，Lef为电机整机的有效轴向长度；ka取值范围为0-0.1。
在转子铁心段的内侧设置有内永磁体槽，用于放置低能量密度永磁体。由于内永磁体槽的存在，所以高能量密度永磁体通过转轴端部的漏磁的磁通路径中的磁阻变大，因此由高能量密度永磁体产生的转轴端部的漏磁降低了，如图6所示的外永磁体轴端漏磁磁通路径17。由于内永磁体也采用单极性充磁，所以相邻两段的低能量密度永磁体的充磁方向相反，这样磁路可以产生如图7所示的内永磁体主磁通路径18。正是因为内永磁体主磁通路径经过导磁环闭合，其产生的转轴端部漏磁很小。另外，内永磁体可以进一步增加电机的主磁通，从而提高交替极内置式永磁电机的转矩输出能力。如图12所示，本发明的电磁转矩远高于背景技术201611011019.1中的电磁转矩。
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11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13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。
另外，本发明的电机既可以作电动运行，又可以作发电运行。
实施例2
如图8-图10所示，与实施例1基本相同，不同点如下：
每个外永磁体槽均呈V形，V形顶端朝向转子铁心段的圆心，此时，相邻两个转子铁心段的充磁方向如图9和图10所示。
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 (9)

1.一种交替极内置式永磁电机转子，其特征在于：包括转子铁心、转轴、外永磁体和内永磁体，外永磁体的能量密度大于内永磁体的能量密度；
转子铁心包括至k个转子铁心段和k-1个导磁环，其中，k≥2，相邻两个转子铁心段之间设置一个导磁环；
转子铁心段和导磁环均同轴安装固定在转轴上，转子铁心段和导磁环均为导磁材料；
每个转子铁心段的外圆周环面沿周向均匀布设有p个外永磁体槽，其中，p为电机极对数；
每个外永磁体槽的外径均小于转子铁心段的外径，每个外永磁体槽内均布设一个外永磁体；
每个转子铁心段的内圆周环面沿周向均匀布设有n个内永磁体槽，其中，n≥p；每个内永磁体槽的内径均大于转子铁心段的内径，每个内永磁体槽内均布设一个内永磁体；
每个外永磁体和每个内永磁体的两侧均布设有周向隔磁槽；
相邻两个转子铁心段上的外永磁体沿周向偏移的电周期角度为360°/2p；
位于同一个转子铁心段上的所有外永磁体的充磁方向一致，位于同一个转子铁心段上的所有内永磁体的充磁方向一致，位于同一个转子铁心段上的外永磁体和内永磁体的充磁方向相反；相邻两个转子铁心段上的外永磁体的充磁方向相反；相邻两个转子铁心段上的内永磁体的充磁方向相反。
2.根据权利要求1所述的交替极内置式永磁电机转子，其特征在于：转子铁心为内转子铁心，转子铁心同轴固定套装在转轴的外周；导磁环的外周同轴套设有环状的轴向充磁永磁体，该轴向充磁永磁体的外径为r1，外永磁体的内径为r3，外永磁体的外径为r4，则r3≤r1≤r4。
3.根据权利要求2所述的交替极内置式永磁电机转子，其特征在于：位于同一个转子铁心段两侧的两个轴向充磁永磁体的充磁方向相反。
4.根据权利要求1所述的交替极内置式永磁电机转子，其特征在于：每个外永磁体槽呈条形或V形，当呈V形时，V形顶端朝向转子铁心段的圆心；每个内永磁体槽呈瓦片形。
5.根据权利要求1所述的交替极内置式永磁电机转子，其特征在于：导磁环的轴向长度系数其中La为导磁环的轴向长度，Lef为电机整机的有效轴向长度；ka取值范围为0-0.1。
6.根据权利要求1所述的交替极内置式永磁电机转子，其特征在于：外永磁体的极弧系数αp1＝θm1p/(2π)，其中θm1为外永磁体的圆心角，αp1取值范围在0.35-0.75之间。
7.根据权利要求1所述的交替极内置式永磁电机转子，其特征在于：内永磁体的极弧系数αp2＝θm2n/(2π)，其中n为内永磁体槽的个数，θm2为内永磁体的圆心角，αp2取值范围为0.7-0.99。
8.根据权利要求1所述的交替极内置式永磁电机转子，其特征在于：内永磁体两侧的周向隔磁槽的系数其中θb2为内永磁体两侧的周向隔磁槽的圆心角，kc2取值范围为0-0.2。
9.根据权利要求1所述的交替极内置式永磁电机转子，其特征在于：外永磁体的材质为钕铁硼，内永磁体的材质为铁氧体。
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Assignee: JIANGSU LEILI MOTOR Co.,Ltd.

Assignor: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics

Contract record no.: X2023980036428

Denomination of invention: A type of alternating pole built-in permanent magnet motor rotor

Granted publication date: 20200110

License type: Exclusive License

Record date: 20230609

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