CN108134462A - 混合磁极永磁转子结构、设置方法及永磁同步电机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种混合磁极永磁转子结构、设置方法及永磁同步电机。其中混合磁极永磁转子结构包括至少两个磁极，所述磁极包括永磁磁极和磁阻磁极；所述永磁磁极包括设置于电机转子铁心中的第一镂空槽，且在所述第一镂空槽中放置永磁体；所述磁阻磁极包括设置于电机转子铁心中的第二镂空槽，且在所述第二镂空槽中放置非磁性材料；在所述电机转子的任意相邻的两个磁极中，其中一个磁极为所述永磁磁极，另一个磁极为所述磁阻磁极。本发明提供的技术方案通过永磁磁极和磁阻磁极混合交替放置，有效增加电机的磁阻转矩，减少了永磁体用量，使得成本大为降低。
Description
技术领域
本发明涉及电机领域，尤其涉及一种混合磁极永磁转子结构、设置方法及永磁同步电机。
背景技术
电机是一种实现机电能量转换的装置,主要由完成能量转换的定转子部件、传递机械能的转轴和为其提供保护的机壳构成。永磁电机采用高性能永磁体进行励磁，与传统拥有励磁绕组的电励磁电机相比，永磁电机具有结构简单、运行可靠、效率高、电机形状尺寸灵活多样的显著优点，同时还省去了容易出现问题的集电环和电刷，提高了电动机运行的可靠性，应用范围极广。但现有技术的永磁同步电机存在永磁体用量较多、成本较高、磁阻转矩在总输出转矩中的占比较小等问题。
发明内容
本发明的主要目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供了一种混合磁极永磁转子结构、设置方法及永磁同步电机，以解决现有技术的成本高、磁阻转矩占比小的问题。
本发明一方面提供了一种混合磁极永磁转子结构，包括至少两个磁极，所述磁极包括永磁磁极和磁阻磁极；所述永磁磁极包括设置于电机转子铁心中的第一镂空槽，且在所述第一镂空槽中放置永磁体；所述磁阻磁极包括设置于电机转子铁心中的第二镂空槽，且在所述第二镂空槽中放置非磁性材料；在所述电机转子的任意相邻的两个磁极中，其中一个磁极为所述永磁磁极，另一个磁极为所述磁阻磁极。
可选地，所述永磁磁极的第一镂空槽和/或所述磁阻磁极的第二镂空槽关于各自的极中心线设置为对称形状。
可选地，所述对称形状包括：V字型、U字型或一字型。
可选地，第一弧线长LAB设置为：2W+N/2P*(W+U)<LAB<6W+N/2P*(W+U)；其中，所述第一弧线长LAB为电机定子铁心内圆上由第一交点A和第二交点B确定的圆弧长度，所述第一交点A和第二交点B分别为：所述永磁磁极的第一镂空槽中放置的永磁体的对称中心线延长后，与电机定子铁心内圆的两个交点；N为电机定子铁心的槽数；P为电机转子铁心的极对数，所述极对数是所述永磁磁极和所述磁阻磁极的个数；W为电机定子铁心槽口宽度；U为齿靴宽度。
可选地，第二弧线长LCD设置为：0.75*LAB<LCD<0.9*LAB；其中，所述第二弧线长LCD为电机定子铁心内圆上由第三交点C和第四交点D确定的圆弧长度，所述第三交点C和第四交点D分别为：所述磁阻磁极的第二镂空槽的对称中心线延长后，与电机定子铁心内圆的两个交点。
本发明的另一方面又提供了一种混合磁极永磁转子结构的设置方法，包括：设置至少两个磁极，所述磁极包括永磁磁极和磁阻磁极；所述永磁磁极包括设置于电机转子铁心中的第一镂空槽，且在所述第一镂空槽中放置永磁体；所述磁阻磁极包括设置于电机转子铁心中的第二镂空槽，且在所述第二镂空槽中放置非磁性材料；在所述电机转子的任意相邻的两个磁极中，其中一个磁极为所述永磁磁极，另一个磁极为所述磁阻磁极。
可选地，将所述永磁磁极的第一镂空槽和/或所述磁阻磁极的第二镂空槽关于各自的极中心线设置为对称形状。
可选地，所述对称形状包括：V字型、U字型或一字型。
可选地，第一弧线长LAB设置为：2W+N/2P*(W+U)<LAB<6W+N/2P*(W+U)；其中，所述第一弧线长LAB为电机定子铁心内圆上由第一交点A和第二交点B确定的圆弧长度，所述第一交点A和第二交点B分别为：所述永磁磁极的第一镂空槽中放置的永磁体的对称中心线延长后，与电机定子铁心内圆的两个交点；N为电机定子铁心的槽数；P为电机转子铁心的极对数，所述极对数是所述永磁磁极和所述磁阻磁极的个数；W为电机定子铁心槽口宽度；U为齿靴宽度。
可选地，第二弧线长LCD设置为：0.75*LAB<LCD<0.9*LAB；其中，所述第二弧线长LCD为电机定子铁心内圆上由第三交点C和第四交点D确定的圆弧长度，所述第三交点C和第四交点D分别为：所述磁阻磁极的第二镂空槽的对称中心线延长后，与电机定子铁心内圆的两个交点。
本发明的又一方面又提供了一种永磁同步电机，具有上述任一项所述的混合磁极永磁转子结构。
可选地，所述永磁同步电机为内嵌式永磁同步电机。
本发明提供的技术方案通过永磁磁极和磁阻磁极混合交替放置，有效增加电机的磁阻转矩，减少了永磁体用量，使得成本大为降低。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明提供的混合磁极永磁转子结构的V字型实施例的截面示意图；
图2是本发明提供的混合磁极永磁转子结构的V字型实施例的三维示意图；
图3是本发明提供的混合磁极永磁转子结构的尺寸示意示意图；
图4是本发明提供的混合磁极永磁转子结构的U字型实施例的截面示意图；
图5是本发明提供的混合磁极永磁转子结构的一字型实施例的截面示意图；
图6是本发明提供的混合磁极永磁转子结构的最优优化区间示意图；
图7是本发明提供的混合磁极永磁转子结构的成本性能对比示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例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。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本发明一方面提供了一种混合磁极永磁转子结构。图1是本发明提供的混合磁极永磁转子结构的V字型实施例的截面示意图；图2是本发明提供的混合磁极永磁转子结构的V字型实施例的三维示意图。如图1和图2所示，本发明混合磁极永磁转子结构包括至少两个磁极，所述磁极包括永磁磁极102和磁阻磁极103；所述永磁磁极102包括设置于电机转子铁心中的第一镂空槽，且在所述第一镂空槽中放置永磁体；所述磁阻磁极103包括设置于电机转子铁心中的第二镂空槽，且在所述第二镂空槽中放置非磁性材料；在所述电机转子的任意相邻的两个磁极中，其中一个磁极为所述永磁磁极102，另一个磁极为所述磁阻磁极103。
图1所示的实施方案截面示意图，与图2所示的实施方案三维示意图，展示了一种混合磁极永磁电机转子结构。该电机的转子铁心101通常由导磁材料构成，例如硅钢片、非晶材料等等。在此转子铁心中分布着若干有规律的空气槽：一部分空气槽中放置稀土钕铁硼或铁氧体等永磁体，为电机提供永磁转矩，称为永磁磁极102；一部分空气槽中只有空气或被树脂等其他非磁性材料填充，为电机提供磁阻转矩，称为磁阻磁极103；两种磁极交替放置，同时为电机提供永磁转矩与磁阻转矩。
当电机转子磁路的磁导在空间区域上有着较大的变化，即转子铁心内部有若干规律分布的空气槽，定转子铁心之间产生磁拉力，形成磁阻性质的转矩，一般称为磁阻转矩，具有磁阻转矩输出能力的电机可以称为磁阻电机。永磁转矩是由规律分布的永磁体与定子磁场作用产生，可以将规律分布的永磁体称为永磁磁极，同样地，在磁阻电机内部，可以将产生磁阻转矩的规律分布的空气槽称为磁阻磁极。按照转子结构及永磁体所在位置的不同，可以分为永磁体表面张贴式与内嵌式，内嵌式永磁同步电机的永磁体深嵌于转子内部。本发明提供的技术方案涉及转子内部开磁钢槽结构的设计，因此适于内嵌式转子的应用。
与传统的永磁电机不同的是，传统的永磁电机是每个极内均有永磁体，相邻极的永磁体极性不同；而本发明提供的技术方案，永磁体极是被转子上所开的磁阻极所间隔开来的，因此永磁体的用量可以减少接近一半，在不改变电机转矩输出能力的情况下，有效减少内嵌式永磁电机的永磁体用量，并减少电机成本。
图3是本发明提供的混合磁极永磁转子结构的尺寸示意示意图,是对本发明提出的技术方案的混合磁极永磁电机进行尺寸说明。该电机的定子铁心301的槽数记为N，定子槽内为铜线导体302；该电机的转子铁心101的极对数为P，即有P个永磁磁极102和P个磁阻磁极103交替放置。永磁磁极内部放置的永磁体的对称中心线，延长后与定子铁心内圆交于A、B两点，磁阻磁极内部空气槽的对称中心线，延长后与定子铁心内圆交于C、D两点。记定子铁心槽口宽度为W，齿靴宽度为U，则定子铁心内圆上由AB两点和CD两点确定的圆弧长度可以由定子槽口宽度W和齿靴宽度U来表示，记弧AB长度为LAB(即第一弧线长)，弧CD长度为LCD(即第二弧线长)。
如图3所示，根据本发明混合磁极永磁转子结构的一种实施方式，第一弧线长LAB设置为：
2W+N/2P*(W+U)<LAB<6W+N/2P*(W+U)；(1)
其中，所述第一弧线长LAB为电机定子铁心内圆上由第一交点A和第二交点B确定的圆弧长度，所述第一交点A和第二交点B分别为：所述永磁磁极的第一镂空槽中放置的永磁体的对称中心线延长后，与电机定子铁心内圆的两个交点；N为电机定子铁心的槽数；P为电机转子铁心的极对数，所述极对数是所述永磁磁极和所述磁阻磁极的个数；W为电机定子铁心槽口宽度；U为齿靴宽度。
根据本发明混合磁极永磁转子结构的一种实施方式，第二弧线长LCD设置为：
0.75*LAB<LCD<0.9*LAB；(2)
其中，所述第二弧线长LCD为电机定子铁心内圆上由第三交点C和第四交点D确定的圆弧长度，所述第三交点C和第四交点D分别为：所述磁阻磁极的第二镂空槽的对称中心线延长后，与电机定子铁心内圆的两个交点。
调整混合磁极电机的永磁磁极和磁阻磁极的极弧长度，使得转子铁心磁导在空间区域上的分布发生变化，可以有效提升磁阻转矩在总输出转矩中的占比，也能够对永磁体的用量进行修改。总输出转矩是指永磁转矩和磁阻转矩的和，占比就是磁阻转矩占总输出转矩的百分比。当LAB与LCD符合上述(1)式和(2)式的取值范围时，混合磁极永磁电机的降成本优化效果最好。
图6是本发明提供的混合磁极永磁转子结构的最优优化区间示意图。图6中的横坐标是第一弧线长LAB，纵坐标数据60％、70％、100％是永磁体用量与输出转矩之比值。图6所示的最优优化区间，对本发明提出的技术方案中的混合磁极永磁电机的尺寸最优取值范围进行说明。在永磁电机中，其输出转矩与该电机的永磁体用量有着正相关的关系，而永磁体也是永磁电机成本的重要组成部分。也就是说，永磁体用量越多，电机的输出转矩相应越大，成本也就越高。因此，可以使用永磁体用量与输出转矩之比值，来评价一款永磁电机的降成本优化效果。
参见(1)式，在图6中，401为2W+N/2P*(W+U)；402为6W+N/2P*(W+U)。从图6上看，401-402之间是永磁体用量与输出转矩之比最小的区间，这个区间同时也是磁阻转矩占比最大的区间。图6中纵轴表示单位转矩需要的永磁体量，当在401-402这个区间时，单位转矩永磁体用量最小，永磁转矩占比也最小，因此该范围内磁阻转矩也最大。
图7是本发明提供的混合磁极永磁转子结构的成本性能对比示意图。图7的横坐标是负载，其数值50％、100％相当于标幺值的量，比如额定负载是1，则50％指的就是0.5倍负载。图7描述了在整个负载区间的技术效果。图7中的曲线1表示现有技术的永磁电机进行不同负载下的永磁体用量与输出转矩比值的关系曲线；曲线2表示本发明提出的技术方案中的永磁电机进行不同负载下的永磁体用量与输出转矩比值的关系曲线。图7所示的成本性能对比图，展示了本发明提出的技术方案中的混合磁极永磁电机相对于传统永磁电机的降低成本的效果。将本发明提出的技术方案中的混合磁极永磁电机，与一款相同尺寸、相同槽极配合的现有技术的永磁电机进行不同负载下的永磁体用量与输出转矩比值的计算与对比。从图中可以清晰看出，本发明提出的技术方案中的混合磁极永磁电机有着明显的降低成本优化效果，在相同负载下的永磁体用量最多减少40％。
根据本发明混合磁极永磁转子结构的一种实施方式，所述永磁磁极的第一镂空槽和/或所述磁阻磁极的第二镂空槽关于各自的极中心线设置为对称形状。其中，所述对称形状包括：V字型、U字型或一字型。图1和图2是本发明提供的混合磁极永磁转子结构的V字型实施例的截面示意图和三维示意图；图4是本发明提供的混合磁极永磁转子结构的U字型实施例的截面示意图；图5是本发明提供的混合磁极永磁转子结构的一字型实施例的截面示意图。永磁磁极的形状不仅限于图1和图2的两块磁钢呈V型对称放置，也可以如图4和图5所示的，永磁磁极使用U型或者一型的磁钢。当满足图6所示的优选尺寸进行磁钢排布时，同样可以获得明显的降成本优化效果。
综上，本发明提供了一种不同于传统永磁电机转子结构的混合磁极永磁转子结构。传统永磁电机即为相邻磁极均有永磁体排布，相邻极性不同，结构上在圆周呈等分分布。而本发明提供的技术方案中，相邻的磁极是不同的，任意相邻的两个磁极中个，其中一个极是永磁体，另外一个极是含有空气槽的磁阻极，也可填充其他非磁性材料。且相邻极的极弧是不同的，即LAB≠LCD。通过永磁磁极和磁阻磁极混合交替放置，有效增加电机的磁阻转矩，实现内嵌式永磁电机磁阻转矩占比增加的设计，减少了永磁体用量，使得成本大为降低。
本发明的另一方面又提供了一种混合磁极永磁转子结构的设置方法。参见图1-图7，本发明混合磁极永磁转子结构的设置方法包括：设置至少两个磁极，所述磁极包括永磁磁极102和磁阻磁极103；所述永磁磁极102包括设置于电机转子铁心中的第一镂空槽，且在所述第一镂空槽中放置永磁体；所述磁阻磁极103包括设置于电机转子铁心中的第二镂空槽，且在所述第二镂空槽中放置非磁性材料；在所述电机转子的任意相邻的两个磁极中，其中一个磁极为所述永磁磁极102，另一个磁极为所述磁阻磁极103。
根据本发明混合磁极永磁转子结构的设置方法的一种实施方式，将所述永磁磁极102的第一镂空槽和/或所述磁阻磁极103的第二镂空槽关于各自的极中心线设置为对称形状。
根据本发明混合磁极永磁转子结构的设置方法的一种实施方式，所述对称形状包括：V字型、U字型或一字型。
根据本发明混合磁极永磁转子结构的设置方法的一种实施方式，第一弧线长LAB设置为：2W+N/2P*(W+U)<LAB<6W+N/2P*(W+U)；其中，所述第一弧线长LAB为电机定子铁心内圆上由第一交点A和第二交点B确定的圆弧长度，所述第一交点A和第二交点B分别为：所述永磁磁极的第一镂空槽中放置的永磁体的对称中心线延长后，与电机定子铁心内圆的两个交点；N为电机定子铁心的槽数；P为电机转子铁心的极对数，所述极对数是所述永磁磁极和所述磁阻磁极的个数；W为电机定子铁心槽口宽度；U为齿靴宽度。
根据本发明混合磁极永磁转子结构的设置方法的一种实施方式，第二弧线长LCD设置为：0.75*LAB<LCD<0.9*LAB；其中，所述第二弧线长LCD为电机定子铁心内圆上由第三交点C和第四交点D确定的圆弧长度，所述第三交点C和第四交点D分别为：所述磁阻磁极的第二镂空槽的对称中心线延长后，与电机定子铁心内圆的两个交点。
本发明的又一方面又提供了一种永磁同步电机，具有上述任一项所述的混合磁极永磁转子结构。
根据本发明永磁同步电机的一种实施方式，所述永磁同步电机为内嵌式永磁同步电机。
本发明提供的技术方案通过永磁磁极和磁阻磁极混合交替放置，有效增加电机的磁阻转矩，减少了永磁体用量，使得成本大为降低。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。其中对于方法实施例而言，由于其与结构实施例基本对应，所以描述的比较简单，相关之处参见结构实施例的部分说明即可。
Claims (12)
1.一种混合磁极永磁转子结构，其特征在于，包括至少两个磁极，所述磁极包括永磁磁极和磁阻磁极；
所述永磁磁极包括设置于电机转子铁心中的第一镂空槽，且在所述第一镂空槽中放置永磁体；
所述磁阻磁极包括设置于电机转子铁心中的第二镂空槽，且在所述第二镂空槽中放置非磁性材料；
在所述电机转子的任意相邻的两个磁极中，其中一个磁极为所述永磁磁极，另一个磁极为所述磁阻磁极。
2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述永磁磁极的第一镂空槽和/或所述磁阻磁极的第二镂空槽关于各自的极中心线设置为对称形状。
3.根据权利要求2所述的结构，其特征在于，所述对称形状包括：V字型、U字型或一字型。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的结构，其特征在于，第一弧线长LAB设置为：2W+N/2P*(W+U)<LAB<6W+N/2P*(W+U)；
其中，所述第一弧线长LAB为电机定子铁心内圆上由第一交点A和第二交点B确定的圆弧长度，所述第一交点A和第二交点B分别为：所述永磁磁极的第一镂空槽中放置的永磁体的对称中心线延长后，与电机定子铁心内圆的两个交点；N为电机定子铁心的槽数；P为电机转子铁心的极对数，所述极对数是所述永磁磁极和所述磁阻磁极的个数；W为电机定子铁心槽口宽度；U为齿靴宽度。
5.根据权利要求4所述的结构，其特征在于，第二弧线长LCD设置为：0.75*LAB<LCD<0.9*LAB；
其中，所述第二弧线长LCD为电机定子铁心内圆上由第三交点C和第四交点D确定的圆弧长度，所述第三交点C和第四交点D分别为：所述磁阻磁极的第二镂空槽的对称中心线延长后，与电机定子铁心内圆的两个交点。
6.一种混合磁极永磁转子结构的设置方法，其特征在于，包括：
设置至少两个磁极，所述磁极包括永磁磁极和磁阻磁极；
所述永磁磁极包括设置于电机转子铁心中的第一镂空槽，且在所述第一镂空槽中放置永磁体；
所述磁阻磁极包括设置于电机转子铁心中的第二镂空槽，且在所述第二镂空槽中放置非磁性材料；
在所述电机转子的任意相邻的两个磁极中，其中一个磁极为所述永磁磁极，另一个磁极为所述磁阻磁极。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，将所述永磁磁极的第一镂空槽和/或所述磁阻磁极的第二镂空槽关于各自的极中心线设置为对称形状。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述对称形状包括：V字型、U字型或一字型。
9.根据权利要求6-8中任一项所述的方法，其特征在于，第一弧线长LAB设置为：2W+N/2P*(W+U)<LAB<6W+N/2P*(W+U)；
其中，所述第一弧线长LAB为电机定子铁心内圆上由第一交点A和第二交点B确定的圆弧长度，所述第一交点A和第二交点B分别为：所述永磁磁极的第一镂空槽中放置的永磁体的对称中心线延长后，与电机定子铁心内圆的两个交点；N为电机定子铁心的槽数；P为电机转子铁心的极对数，所述极对数是所述永磁磁极和所述磁阻磁极的个数；W为电机定子铁心槽口宽度；U为齿靴宽度。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，第二弧线长LCD设置为：0.75*LAB<LCD<0.9*LAB；
其中，所述第二弧线长LCD为电机定子铁心内圆上由第三交点C和第四交点D确定的圆弧长度，所述第三交点C和第四交点D分别为：所述磁阻磁极的第二镂空槽的对称中心线延长后，与电机定子铁心内圆的两个交点。
11.一种永磁同步电机，其特征在于，具有如权利要求1-5中任一项所述的混合磁极永磁转子结构。
12.根据权利要求11所述的永磁同步电机，其特征在于，所述永磁同步电机为内嵌式永磁同步电机。
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