CN107994702A - 电机转子和永磁电机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电机转子和永磁电机。该电机转子包括转子铁芯和设置在转子铁芯内的多个磁极，磁极包括第一永磁体、第二永磁体和第三永磁体，在转子铁芯的横截面上，第一永磁体、第二永磁体和第三永磁体之间的尺寸关系满足m/2>H1*Hcj1*L1/[(H2*Hcj2*L2+1/2H3*Hcj2*L3)]>m/10；其中m为电机调磁范围倍数，L1为第一永磁体的长度，H1为第一永磁体的宽度，Hcj1为第一永磁体的内禀矫顽力，L2为第二永磁体的长度，H2为第二永磁体的宽度，Hcj2为第二永磁体的内禀矫顽力，L3第三永磁体的长度，H3为第三永磁体的宽度，Hcj3为第三永磁体的内禀矫顽力。根据本发明的电机转子，能够有效降低充退磁难度，增加电机调磁范围，提高电机处于增磁控制时的运行效率。

Description

电机转子和永磁电机
技术领域
本发明属于电机技术领域，具体涉及一种电机转子和永磁电机。
背景技术
传统永磁电机依靠永磁体提供磁通，但永磁体提供磁场固定，电机内部磁场难以调节，使永磁电机难以兼顾高频和低频时的效率。且在供电电源电压固定的情况下，限制了电机的最高运行频率。目前，大多永磁电机只能通过弱磁控制扩大运行范围，当电机处于增磁控制时，会降低电机的运行效率。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于提供一种电机转子和永磁电机，能够有效降低充退磁难度，增加电机调磁范围，提高电机处于增磁控制时的运行效率。
为了解决上述问题，本发明提供一种电机转子，包括转子铁芯和设置在转子铁芯内的多个磁极，磁极包括第一永磁体、第二永磁体和第三永磁体，第一永磁体设置在其所在磁极的中心位置，第二永磁体设置在第一永磁体的两侧，第三永磁体设置在第二永磁体远离第一永磁体的一侧，第一永磁体的矫顽力小于第二永磁体和第三永磁体的矫顽力，第三永磁体设置在电机q轴上，在转子铁芯的横截面上，第一永磁体、第二永磁体和第三永磁体之间的尺寸关系满足m/2>H1*Hcj1*L1/[(H2*Hcj2*L2+1/2H3*Hcj2*L3)]>m/10；其中m为电机调磁范围倍数，L1为第一永磁体的长度，H1为第一永磁体的宽度，Hcj1为第一永磁体的内禀矫顽力，L2为第二永磁体的长度，H2为第二永磁体的宽度，Hcj2为第二永磁体的内禀矫顽力，L3第三永磁体的长度，H3为第三永磁体的宽度，Hcj3为第三永磁体的内禀矫顽力。
优选地，电机调磁范围倍数m由如下公式获取：
{[Br2*Hcj2*(2H2L2+H3L3)+Br1*Hcj1*H1L1]/[Br2*Hcj2*(2H2L2+H3L3)]}*Br2*(2H2L2+H3L3)/[Br2*(2H2L2+H3L3)-Br1*H1L1]＝m
其中，Br1为第一永磁体的剩磁，Br2为第二永磁体的剩磁，Br3为第三永磁体的剩磁。
3.根据权利要求1的电机转子，其特征在于，第一永磁体、第二永磁体和第三永磁体的宽度关系满足：1.5H2<H1<2H2；和/或，0.8H3≤H1≤H3。
优选地，第二永磁体靠近第一永磁体一侧的侧边与电机d轴之间的夹角θ满足10°<θ<20°。
优选地，电机转子还包括中心转轴，转子铁芯还包括中心轴孔，中心转轴设置在中心轴孔内，第二永磁体和/或第三永磁体的径向内侧设置有隔磁槽，当中心转轴为导磁轴时，隔磁槽的径向内侧边与中心轴孔的侧壁之间的最小距离L4满足0.1L2<L4<0.3L2；当中心转轴为非导磁轴时，隔磁槽的径向内侧边与中心轴孔的侧壁之间的最小距离L4满足0.3L2<L4<0.7L2。
优选地，第三永磁体的径向外侧设置有从转子铁芯的外圆延伸至第三永磁体的径向外侧面的切槽，切槽的宽度L7满足0.5H3≤L7≤0.8H3。
优选地，在转子铁芯的横截面上，第三永磁体径向外侧的转子外圆上设置有凹槽，凹槽靠近电机d轴的径向外侧顶点与转子铁芯的中心连线与该第三永磁体所在的电机q轴之间的夹角为θ1，磁极的机械角度为θ2，5％θ2<θ1<10％θ2。
优选地，第二永磁体靠近电机q轴的一端设置有隔磁槽，隔磁槽位于第三永磁体的径向内侧，第三永磁体与隔磁槽之间具有第一隔磁桥，相邻的两个隔磁槽之间形成第二隔磁桥，第一隔磁桥和第二隔磁桥之间形成Y形结构。
优选地，第一隔磁桥的径向宽度L5为L5<0.7mm；和/或，第二隔磁桥的周向宽度L6与L5之间的关系满足L5≤L6≤1.6L5。
根据本发明的另一方面，提供了一种永磁电机，包括电机转子，该电机转子为上述的电机转子。
本发明提供的电机转子，包括转子铁芯和设置在转子铁芯内的多个磁极，磁极包括第一永磁体、第二永磁体和第三永磁体，第一永磁体设置在其所在磁极的中心位置，第二永磁体设置在第一永磁体的两侧，第三永磁体设置在第二永磁体远离第一永磁体的一侧，第一永磁体的矫顽力小于第二永磁体和第三永磁体的矫顽力，第三永磁体设置在电机q轴上，在转子铁芯的横截面上，第一永磁体、第二永磁体和第三永磁体之间的尺寸关系满足m/2>H1*Hcj1*L1/[(H2*Hcj2*L2+1/2H3*Hcj2*L3)]>m/10；其中m为电机调磁范围倍数，L1为第一永磁体的长度，H1为第一永磁体的宽度，Hcj1为第一永磁体的内禀矫顽力，L2为第二永磁体的长度，H2为第二永磁体的宽度，Hcj2为第二永磁体的内禀矫顽力，L3第三永磁体的长度，H3为第三永磁体的宽度，Hcj3为第三永磁体的内禀矫顽力。该电机转子在电机运行时，矫顽力较低的磁钢一直运行在增磁状态，不会出现磁通变化的问题，由于矫顽力较低的第一永磁体位于该第一永磁体所在磁极的磁极中心位置，因此能够降低电机的充退磁难度，大幅度减小矫顽力较低永磁体充退磁电流大小，改善转子内部低矫顽力永磁体正常运行时的磁稳定性。由于第三永磁体设置在电机q轴上，因此可以增大电机q轴磁阻，保证电感Ld＞Lq，保证在增磁状态下电机运行效率最优。由于限定了合理的第一永磁体、第二永磁体和第三永磁体的尺寸与调磁范围之间的关系，因此可以在要求的调磁范围内，能够保证较小的充退磁电流设计，进一步改善电机的运行效率。
附图说明
图1为本发明第一实施例的电机转子的结构示意图；
图2为本发明第二实施例的电机转子的第一尺寸结构图；
图3为本发明第二实施例的电机转子的第二尺寸结构图；
图4为本发明第三实施例的电机转子的尺寸结构图。
附图标记表示为：
1、转子铁芯；2、第一永磁体；3、第二永磁体；4、第三永磁体；5、中心轴孔；6、中心转轴；7、隔磁槽；8、切槽；9、凹槽；10、第一隔磁桥；11、第二隔磁桥。
具体实施方式
结合参见图1至4所示，根据本发明的实施例，电机转子包括转子铁芯1和设置在转子铁芯1内的多个磁极，磁极包括第一永磁体2、第二永磁体3和第三永磁体4，第一永磁体2设置在其所在磁极的中心位置，第二永磁体3设置在第一永磁体2的两侧，第三永磁体4设置在第二永磁体3远离第一永磁体2的一侧，第一永磁体2的矫顽力小于第二永磁体3和第三永磁体4的矫顽力，第三永磁体4设置在电机q轴上，在转子铁芯1的横截面上，第一永磁体2、第二永磁体3和第三永磁体4之间的尺寸关系满足m/2>H1*Hcj1*L1/[(H2*Hcj2*L2+1/2H3*Hcj2*L3)]>m/10；其中m为电机调磁范围倍数，L1为第一永磁体2的长度，H1为第一永磁体2的宽度，Hcj1为第一永磁体2的内禀矫顽力，L2为第二永磁体3的长度，H2为第二永磁体3的宽度，Hcj2为第二永磁体3的内禀矫顽力，L3第三永磁体4的长度，H3为第三永磁体4的宽度，Hcj3为第三永磁体4的内禀矫顽力。
该电机转子在电机控制逻辑采用增磁控制，整个运行过程矫顽力较低的磁钢处于保磁状态，不会出现磁通变化的问题，由于矫顽力较低的第一永磁体2位于该第一永磁体2所在磁极的磁极中心位置，因此能够降低电机的充退磁难度，大幅度减小矫顽力较低永磁体充退磁电流大小，降低控制器成本。由于第三永磁体4设置在电机q轴上，因此可以增大电机q轴磁阻，保证电感Ld＞Lq，保证在增磁状态下电机运行效率最优。由于限定了合理的第一永磁体2、第二永磁体3和第三永磁体4的尺寸与调磁范围之间的关系，因此可以在要求的调磁范围内，能够保证较小的充退磁电流设计，进一步改善电机的运行效率。
可变磁通电机在采用常规驱动过程中受控制精度的影响，可能出现低矫顽力永磁体退磁的问题。因此电机设计采用增磁驱动设计；但为保证电机在正常运行中保证其在增磁控制下时的电机效率，电机设计Ld>Lq，因此将每极永磁体的结构设计为W型结构，并在q轴上设置矫顽力较高的第三永磁体4，以增加q轴磁阻，保证电感Ld＞Lq，保证在增磁状态下电机运行效率最优。
优选地，第三永磁体4自身关于其所在的电机q轴对称，可以使相邻的磁极内q轴磁阻分布均匀，从而使得电机内磁力线分布均匀，有效提高电机的运行效率和运行稳定性。
优选地，第一永磁体2为矩形，且在转子铁芯1的横截面上，第一永磁体2沿周向方向呈一字型排布，第一永磁体2垂直于第一永磁体2所在磁极的d轴，从而能够使得第一永磁体2的结构设计更加合理，减小第一永磁体2在转子径向方向上的体积占用，增大矫顽力较高的第二永磁体3的永磁体用量，提高电机的转矩和功率密度，同时更加有效地减小调节磁场时电机的充退磁电流大小，降低电机充退磁难度，实现电机内部磁场实时同步调节。
优选地，电机调磁范围倍数m由如下公式获取：
{[Br2*Hcj2*(2H2L2+H3L3)+Br1*Hcj1*H1L1]/[Br2*Hcj2*(2H2L2+H3L3)]}*Br2*(2H2L2+H3L3)/[Br2*(2H2L2+H3L3)-Br1*H1L1]＝m
其中，Br1为第一永磁体2的剩磁，Br2为第二永磁体3的剩磁，Br3为第三永磁体4的剩磁。
采用上述的尺寸约束，可以有效的减小充退磁电流的大小，从而可以有效减少控制模块成本。
优选地，m取值为1.5，0.75>H1*Hcj1*L1/[(H2*Hcj2*L2+1/2H3*Hcj2*L3)]>0.15，这样设计充退磁电流比较合理，如控制模块成本不设上限要求，且方案调频要求，也可以使m取值5，则尺寸关系范围可以放宽到2.5>H1*Hcj1*L1/[(H2*Hcj2*L2+1/2H3*Hcj2*L3)]>0.5，甚至更高。
结合参见图1所示，根据本发明的第一实施例，在转子铁芯1的横截面上，第一永磁体2、第二永磁体3和第三永磁体4的宽度关系满足：1.5H2<H1<2H2；和/或，0.8H3≤H1≤H3，从而使得第二永磁体3和第三永磁体4的宽度能够与第一永磁体2的宽度之间具有良好的比例关系，保证电机具有良好的运行性能。
优选地，第二永磁体3靠近第一永磁体2一侧的侧边与电机d轴之间的夹角θ满足10°<θ<20°，从而保证电机的运行效率和转矩脉动可以达到最优效果。
优选地，电机转子还包括中心转轴6，转子铁芯1还包括中心轴孔5，中心转轴6设置在中心轴孔5内，第二永磁体3和/或第三永磁体4的径向内侧设置有隔磁槽7，当中心转轴6为导磁轴时，隔磁槽7的径向内侧边与中心轴孔5的侧壁之间的最小距离L4满足0.1L2<L4<0.3L2；当中心转轴6为非导磁轴时，隔磁槽7的径向内侧边与中心轴孔5的侧壁之间的最小距离L4满足0.3L2<L4<0.7L2。
根据中心转轴6的导磁性能的不同，可以设计合理的隔磁槽7与中心轴孔5之间的尺寸关系，从而改变电机磁场两级之间的磁路，有效的改变电机效率及充退磁电流大小。
结合参见图2和图3所示，根据本发明的第二实施例，第三永磁体4的径向外侧设置有从转子铁芯1的外圆延伸至第三永磁体4的径向外侧面的切槽8，切槽8的宽度L7满足0.5H3≤L7≤0.8H3。通过对第三永磁体4的径向外侧的铁芯进行切槽处理，并设计合理的切槽尺寸，能够减小切向永磁体端部漏磁，并进一步增大q轴磁阻。由于切槽8的宽度L7小于第三永磁体4的宽度H3的尺寸，因此仍然可以保证第三永磁体4稳定地保持在转子铁芯1内，避免第三永磁体4从切槽8处脱出。
优选地，第二永磁体3靠近电机q轴的一端设置有隔磁槽7，隔磁槽7位于第三永磁体4的径向内侧，第三永磁体4与隔磁槽7之间具有第一隔磁桥10，相邻的两个隔磁槽7之间形成第二隔磁桥11，第一隔磁桥10和第二隔磁桥11之间形成Y形结构。在第二永磁体3和第三永磁体4之间设计隔磁桥，能够提高转子铁芯1的内部结构强度，但是隔磁桥会增加永磁体的漏磁，因此需要对隔磁桥的结构进行优化。通过将第三永磁体4和其两侧的第二永磁体3之间的隔磁桥设计为Y形隔磁结构，能够有效减少永磁体漏磁，提高电机工作性能。
优选地，第一隔磁桥10的径向宽度L5为L5<0.7mm；和/或，第二隔磁桥11的周向宽度L6与L5之间的关系满足L5≤L6≤1.6L5。
结合参见图4所示，根据本发明的第三实施例，其与第二实施例基本相同，不同之处在于，在本实施例中，不再设计切槽8，而是在转子铁芯1的横截面上，第三永磁体4径向外侧的转子外圆上设置有凹槽9，凹槽9靠近电机d轴的径向外侧顶点与转子铁芯1的中心连线与该第三永磁体4所在的电机q轴之间的夹角为θ1，磁极的机械角度为θ2，5％θ2<θ1<10％θ2。该凹槽9的槽底与第三永磁体4的径向外侧边之间形成隔磁桥结构。
通过限制凹槽9的开槽角度，能够进一步的增大q轴磁阻，提升磁阻转矩，同时不会影响主磁路，从而有效保证电机效率。
根据本发明的实施例，永磁电机包括电机转子，该电机转子为上述的电机转子。
本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种电机转子，其特征在于，包括转子铁芯(1)和设置在所述转子铁芯(1)内的多个磁极，所述磁极包括第一永磁体(2)、第二永磁体(3)和第三永磁体(4)，所述第一永磁体(2)设置在其所在磁极的中心位置，所述第二永磁体(3)设置在所述第一永磁体(2)的两侧，所述第三永磁体(4)设置在所述第二永磁体(3)远离所述第一永磁体(2)的一侧，所述第一永磁体(2)的矫顽力小于所述第二永磁体(3)和所述第三永磁体(4)的矫顽力，所述第三永磁体(4)设置在电机q轴上，在转子铁芯(1)的横截面上，所述第一永磁体(2)、第二永磁体(3)和第三永磁体(4)之间的尺寸关系满足m/2>H1*Hcj1*L1/[(H2*Hcj2*L2+1/2H3*Hcj2*L3)]>m/10；其中m为电机调磁范围倍数，L1为第一永磁体(2)的长度，H1为第一永磁体(2)的宽度，Hcj1为第一永磁体(2)的内禀矫顽力，L2为第二永磁体(3)的长度，H2为第二永磁体(3)的宽度，Hcj2为第二永磁体(3)的内禀矫顽力，L3第三永磁体(4)的长度，H3为第三永磁体(4)的宽度，Hcj3为第三永磁体(4)的内禀矫顽力。
2.根据权利要求1所述的电机转子，其特征在于，所述电机调磁范围倍数m由如下公式获取：
{[Br2*Hcj2*(2H2L2+H3L3)+Br1*Hcj1*H1L1]/[Br2*Hcj2*(2H2L2+H3L3)]}*Br2*(2H2L2+H3L3)/[Br2*(2H2L2+H3L3)-Br1*H1L1]＝m
其中，Br1为第一永磁体(2)的剩磁，Br2为第二永磁体(3)的剩磁，Br3为第三永磁体(4)的剩磁。
3.根据权利要求1所述的电机转子，其特征在于，所述第一永磁体(2)、第二永磁体(3)和第三永磁体(4)的宽度关系满足：1.5H2<H1<2H2；和/或，0.8H3≤H1≤H3。
4.根据权利要求1所述的电机转子，其特征在于，所述第二永磁体(3)靠近所述第一永磁体(2)一侧的侧边与电机d轴之间的夹角θ满足10°<θ<20°。
5.根据权利要求1所述的电机转子，其特征在于，所述电机转子还包括中心转轴(6)，所述转子铁芯(1)还包括中心轴孔(5)，所述中心转轴(6)设置在所述中心轴孔(5)内，所述第二永磁体(3)和/或所述第三永磁体(4)的径向内侧设置有隔磁槽(7)，当所述中心转轴(6)为导磁轴时，所述隔磁槽(7)的径向内侧边与所述中心轴孔(5)的侧壁之间的最小距离L4满足0.1L2<L4<0.3L2；当所述中心转轴(6)为非导磁轴时，所述隔磁槽(7)的径向内侧边与所述中心轴孔(5)的侧壁之间的最小距离L4满足0.3L2<L4<0.7L2。
6.根据权利要求1所述的电机转子，其特征在于，所述第三永磁体(4)的径向外侧设置有从所述转子铁芯(1)的外圆延伸至所述第三永磁体(4)的径向外侧面的切槽(8)，所述切槽(8)的宽度L7满足0.5H3≤L7≤0.8H3。
7.根据权利要求1所述的电机转子，其特征在于，在所述转子铁芯(1)的横截面上，所述第三永磁体(4)径向外侧的转子外圆上设置有凹槽(9)，所述凹槽(9)靠近电机d轴的径向外侧顶点与所述转子铁芯(1)的中心连线与该第三永磁体(4)所在的电机q轴之间的夹角为θ1，磁极的机械角度为θ2，5％θ2<θ1<10％θ2。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的电机转子，其特征在于，所述第二永磁体(3)靠近电机q轴的一端设置有隔磁槽(7)，所述隔磁槽(7)位于所述第三永磁体(4)的径向内侧，所述第三永磁体(4)与所述隔磁槽(7)之间具有第一隔磁桥(10)，相邻的两个所述隔磁槽(7)之间形成第二隔磁桥(11)，所述第一隔磁桥(10)和所述第二隔磁桥(11)之间形成Y形结构。
9.根据权利要求8所述的电机转子，其特征在于，所述第一隔磁桥(10)的径向宽度L5为L5<0.7mm；和/或，所述第二隔磁桥(11)的周向宽度L6与L5之间的关系满足L5≤L6≤1.6L5。
10.一种永磁电机，包括电机转子，其特征在于，所述电机转子为权利要求1至9中任一项所述的电机转子。
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