CN108336843B - 转子结构、永磁辅助同步磁阻电机及电动汽车 - Google Patents

转子结构、永磁辅助同步磁阻电机及电动汽车 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种转子结构、永磁辅助同步磁阻电机及电动汽车，转子结构包括转子本体，转子本体上开设有内层永磁体槽和外层永磁体槽，内层永磁体槽和外层永磁体槽之间形成导磁通道，内层永磁体槽的沿转子本体的径向方向的横截面呈U形结构，外层永磁体槽的沿转子本体径向方向的横截面呈V形结构。这样设置能够有效利用转子本体的材料，同时优化了转子本体的磁路。有效提高转子的材料利用率，同时有效地提高了具有该转子结构的电机的效率。

Description

转子结构、永磁辅助同步磁阻电机及电动汽车
技术领域
本发明涉及电机设备技术领域，具体而言，涉及一种转子结构、永磁辅助同步磁阻电机及电动汽车。
背景技术
现有技术中，由于转子上的永磁体槽设置不合理，造成转子材料的有效利用率降低，从而使得现有技术中的电机转动脉动加大、电机效率低的问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种转子结构、永磁辅助同步磁阻电机及电动汽车，以解决现有技术中电机效率低的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种转子结构，包括：转子本体，转子本体上开设有内层永磁体槽和外层永磁体槽，内层永磁体槽和外层永磁体槽之间形成导磁通道，内层永磁体槽的沿转子本体的径向方向的横截面呈U形结构，外层永磁体槽的沿转子本体径向方向的横截面呈V形结构。
进一步地，内层永磁体槽包括：第三永磁体槽，第三永磁体槽为弧形或矩形，第三永磁体槽的沿转子本体的径向方向的第一几何中心线与外层永磁体槽的沿转子本体的径向方向的第二几何中心线共线，第三永磁体槽为弧形时，第三永磁体槽的弧形部朝向转子本体的转轴孔凸出地设置。
进一步地，内层永磁体槽包括：第一直段永磁体槽，第一直段永磁体槽的第一端与第三永磁体槽的第一端相连通，第一直段永磁体槽的第二端沿转子本体的径向方向向外延伸，第一直段永磁体槽的靠近外层永磁体槽的槽壁与第二几何中心线具有第一夹角α1，其中，0.5×α＜α1≤(17/30)×α，α为位于内层永磁体槽的外侧导磁通道的极弧角度。
进一步地，内层永磁体槽还包括：第二直段永磁体槽，第二直段永磁体槽的第一端与第三永磁体槽的第二端相连通，第二直段永磁体槽的第二端沿转子本体的径向方向向外延伸，第二直段永磁体槽的靠近外层永磁体槽的槽壁与第二几何中心线具有第二夹角α2，其中，0≤α1-α2≤0.1×α。
进一步地，外层永磁体槽包括：第一槽段，第一槽段的第一端沿所转子本体的径向方向向内延伸设置，第一槽段的第二端沿所转子本体的径向方向向外延伸设置；第二槽段，第二槽段的第一端沿所转子本体的径向方向向内延伸并与第一槽段的第一端相连通，第二槽段的第二端沿所转子本体的径向方向向外延伸并与第一槽段相对地设置并具有第三夹角α3，其中，(13/15)×α＜α3≤(17/15)×α。
进一步地，0≤α1+α2-α3≤(1/15)×α。
进一步地，第一槽段和第二槽段的连接处且朝向内层永磁体槽的侧壁呈弧形结构。
进一步地，转子结构包括外层永磁体，外层永磁体包括第一外层永磁体和第二外层永磁体，第一外层永磁体设置于第一槽段内，第二外层永磁体设置于第二槽段内。
进一步地，转子结构包括内层永磁体，内层永磁体包括：第三永磁体，第三永磁体设置于永磁体槽内；第一内层永磁体，第一内层永磁体设置于第一直段永磁体槽内；第二内层永磁体，第二内层永磁体设置于第二直段永磁体槽内。
进一步地，第一槽段的靠近第一几何中心线的槽壁与第一几何中心线具有第四夹角α4，第二槽段的靠近第一几何中心线的槽壁与第一几何中心线具有第五夹角α5，其中，α4≠α5，或者，α4＜α5。
根据本发明的另一方面，提供了一种永磁辅助同步磁阻电机，包括转子结构，转子结构为上述的转子结构。
根据本发明的另一方面，提供了一种电动汽车，包括转子结构，转子结构为上述的转子结构。
应用本发明的技术方案，在转子本体上设置外层永磁体槽和内层永磁体槽，并将内层永磁体槽设置成U形结构，将外层永磁体槽设置成V形结构，这样设置能够有效利用转子本体的材料同时优化了转子本体的磁路，并有效提高转子的材料利用率，同时有效地提高了具有该转子结构的电机的效率。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，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示出了根据本发明的转子结构的实施例一的结构示意图；
图2示出了根据本发明的转子结构的实施例二的结构示意图；
图3示出了现有技术与根据本发明的转子结构的实施例的转矩脉动对比示意图；
图4示出了现有技术中转子结构的q轴磁路的局部磁饱和示意图；
图5示出了根据本发明的转子结构的实施例的q轴磁路的局部磁饱和示意图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
10、转子本体；11、内层永磁体槽；111、第三永磁体槽；112、第一直段永磁体槽；113、第二直段永磁体槽；
12、外层永磁体槽；121、第一槽段；122、第二槽段；
21、第三永磁体；22、第一内层永磁体；23、第二内层永磁体；
31、第一外层永磁体；32、第二外层永磁体。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
结合图1至图5所示，根据本发明的实施例，提供了一种转子结构。
具体地，如图1所示，该转子结构包括转子本体10。转子本体10上开设有内层永磁体槽11和外层永磁体槽12，内层永磁体槽11和外层永磁体槽12之间形成导磁通道，内层永磁体槽11的沿转子本体10的径向方向的横截面呈U形结构，外层永磁体槽12的沿转子本体10径向方向的横截面呈V形结构。
在本实施例中，在转子本体上设置外层永磁体槽和内层永磁体槽，并将内层永磁体槽设置成U形结构，将外层永磁体槽设置成V形结构，这样设置能够有效利用转子本体的材料，同时优化了转子本体的磁路。有效提高转子的材料利用率，同时有效地提高了具有该转子结构的电机的效率。
进一步地，内层永磁体槽11包括第三永磁体槽111。第三永磁体槽111为弧形或矩形，第三永磁体槽111的沿转子本体10的径向方向的第一几何中心线与外层永磁体槽12的沿转子本体10的径向方向的第二几何中心线共线，第三永磁体槽111为弧形时，第三永磁体槽111的弧形部朝向转子本体10的转轴孔凸出地设置。这样设置优化了转子本体的磁路，能够有效地提高转子的性能。
其中，内层永磁体槽11还包括第一直段永磁体槽112和第二直段永磁体槽113。第一直段永磁体槽112的第一端与第三永磁体槽111的第一端相连通，第一直段永磁体槽112的第二端沿转子本体10的径向方向向外延伸，第一直段永磁体槽112的靠近外层永磁体槽12的槽壁与第二几何中心线具有第一夹角α1，其中，0.5×α＜α1≤17/30×α，α为位于内层永磁体槽11的外侧导磁通道的极弧角度。第二直段永磁体槽113的第一端与第三永磁体槽111的第二端相连通。第二直段永磁体槽113的第二端沿转子本体10的径向方向向外延伸，第二直段永磁体槽113的靠近外层永磁体槽12的槽壁与第二几何中心线具有第二夹角α2，其中，0≤α1-α2≤0.1×α。即在本实施例中，采用分段式永磁体槽组合的方式，优化了永磁体槽的结构，提高了转子的性能，并有效地降低了加工成本。
在本实施例中，外层永磁体槽12包括第一槽段121和第二槽段122，第一槽段121的第一端沿所转子本体10的径向方向向内延伸设置，第一槽段121的第二端沿所转子本体10的径向方向向外延伸设置。第二槽段122的第一端沿所转子本体10的径向方向向内延伸并与第一槽段121的第一端相连通，第二槽段122的第二端沿所转子本体10的径向方向向外延伸并与第一槽段121相对地设置并具有第三夹角α3，其中，13/15×α＜α3≤17/15×α。这样设置使得磁阻转矩增大，提高了转子的性能。
进一步地，0≤α1+α2-α3≤1/15×α。这样设置使得两个永磁体槽之间形成导磁通道结构合理，能够有效减少转子结构的漏磁量。
其中，第一槽段121和第二槽段122的连接处且朝向内层永磁体槽11的侧壁呈弧形结构。这样设置减少了转接处的漏磁量，提升了转子的抗退磁能力，即有效地提高了转子磁场的利用率，降低了转子的损耗。
在本实施例中，转子结构包括外层永磁体，外层永磁体包括第一外层永磁体31和第二外层永磁体32，第一外层永磁体31设置于第一槽段121内，第二外层永磁体32设置于第二槽段122内。这样设置便于外层永磁体和外层永磁体槽紧密配合。
进一步地，转子结构包括内层永磁体，内层永磁体包括第三永磁体21、第一内层永磁体22和第二内层永磁体23。第三永磁体21设置于第三永磁体槽111内。第一内层永磁体22设置于第一直段永磁体槽112内。第二内层永磁体23设置于第二直段永磁体槽113内。这样设置便于内层永磁体和内层永磁体槽紧密配合。
如图2所示，第一槽段121的靠近第一几何中心线的槽壁与第一几何中心线具有第四夹角α4，第二槽段122的靠近第一几何中心线的槽壁与第二几何中心线具有第五夹角α5，其中，α4≠α5，或者，α4＜α5。第一槽段121的靠近第一几何中心线的槽壁与第二槽段122的靠近第一几何中心线的槽壁相交在第一几何中心线的一点上，外层V字型结构采用非中心对称分布，内层U字型结构采用中心对称分布，这样设置实现高效电机的同时，实现低噪设计，降低电机转矩脉动，并且同时可以改善磁路局部饱和。
在本实施例中，上述实施例中的转子结构还可以用于电机设备技术领域，即根据本发明的另一个方面，提供了一种永磁辅助同步磁阻电机(以下简称电机)。该电机包括转子结构，转子结构为上述实施例中的转子结构。这样设置便于降低电机成本，提高永磁转矩的同时提升电机的磁阻转矩。从而达到提升输出转矩的效果。
上述实施例中的转子结构还可以用于车辆设备技术领域，即根据本发明的另一方面，提供了一种电动汽车，包括转子结构，转子结构为上述的转子结构。
在本实施例中，永磁体采用铁氧体永磁体材料，可以有效减少电机成本。由于电机铁氧体材料电机成本偏低，因此设计采用U+V字型结构，增加永磁体有效面积，提高永磁转矩的同时提升电机的磁阻转矩。从而达到提升输出转矩的效果。
如图3所示，转子结构采用非对称永磁体排布，可以在实现电机高效的同时，实现低噪设计，降低电机转矩脉动。
如图4和图5所示，与现有技术相比，本发明转子结构可以明显改善Q轴磁路局部磁饱和。转子采用双层永磁体结构，外层采用V字型，内层采用U型。这样在可以提升永磁转矩的同时提高磁阻转矩，增加电机输出。为进一步降低电机转矩脉动，电机采用磁极不对称结构设计。其中，V字结构采用中心对称分布，U字型结构圆弧段采用中间对称分布，两侧一字型采用中间不对称分布。其中，不对称结构需要限制V型、U型的永磁体角度，同时限制两者夹角之间的角度关系，其中V型α3角度在13/15×α＜α3≤17/15×α之间。U型永磁体与V型永磁体夹角设计0≤α1+α2-α3≤1/15×α。其中，不对称夹角具有一个最优角度，U型永磁体设计的不对称角度0≤α1+α2-α3≤1/10×α，且α1+α2夹角在α/2-(3α/5)时为最优转矩脉动。该方案采用此非对称结构，导致了Q轴整体磁阻的不对称，因此在电机最大效率驱动运行时，可以有效的缓解Q轴磁路的局部饱和。另外，永磁体采用铁氧体永磁材料使得材料成本相比现有技术下降30％；提升了电机效率接近稀土永磁电机，有效地提升了永磁转矩的同时提高了磁阻转矩，有效地改善永磁辅助式同步磁阻电机转矩脉动大的问题。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，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保护范围之内。

Claims (10)

1.一种转子结构，其特征在于，包括：
转子本体(10)，所述转子本体(10)上开设有内层永磁体槽(11)和外层永磁体槽(12)，所述内层永磁体槽(11)和所述外层永磁体槽(12)之间形成导磁通道，所述内层永磁体槽(11)的沿所述转子本体(10)的径向方向的横截面呈U形结构，所述外层永磁体槽(12)的沿所述转子本体(10)径向方向的横截面呈V形结构；
所述内层永磁体槽(11)包括：
第三永磁体槽(111)，所述第三永磁体槽(111)为弧形或矩形，所述第三永磁体槽(111)的沿所述转子本体(10)的径向方向的第一几何中心线与所述外层永磁体槽(12)的沿所述转子本体(10)的径向方向的第二几何中心线共线，所述第三永磁体槽(111)为弧形时，所述第三永磁体槽(111)的弧形部朝向所述转子本体(10)的转轴孔凸出地设置；
所述内层永磁体槽(11)包括：
第一直段永磁体槽(112)，所述第一直段永磁体槽(112)的第一端与所述第三永磁体槽(111)的第一端相连通，所述第一直段永磁体槽(112)的第二端沿所述转子本体(10)的径向方向向外延伸，所述第一直段永磁体槽(112)的靠近所述外层永磁体槽(12)的槽壁与所述第二几何中心线具有第一夹角α1；
0.5×α＜α1≤(17/30)×α，α为位于所述内层永磁体槽(11)的外侧导磁通道的极弧角度；
所述内层永磁体槽(11)还包括：第二直段永磁体槽(113)，所述第二直段永磁体槽(113)的第一端与所述第三永磁体槽(111)的第二端相连通，所述第二直段永磁体槽(113)的第二端沿所述转子本体(10)的径向方向向外延伸。
2.根据权利要求1所述的转子结构，其特征在于，
所述第二直段永磁体槽(113)的靠近所述外层永磁体槽(12)的槽壁与所述第二几何中心线具有第二夹角α2，其中，0≤α1-α2≤0.1×α。
3.根据权利要求2所述的转子结构，其特征在于，所述外层永磁体槽(12)包括：
第一槽段(121)，所述第一槽段(121)的第一端沿所转子本体(10)的径向方向向内延伸设置，所述第一槽段(121)的第二端沿所述所转子本体(10)的径向方向向外延伸设置；
第二槽段(122)，所述第二槽段(122)的第一端沿所转子本体(10)的径向方向向内延伸并与所述第一槽段(121)的第一端相连通，所述第二槽段(122)的第二端沿所述所转子本体(10)的径向方向向外延伸并与所述第一槽段(121)相对地设置并具有第三夹角α3，其中，(13/15)×α＜α3≤(17/15)×α。
4.根据权利要求3所述的转子结构，其特征在于，0≤α1+α2-α3≤(1/15)×α。
5.根据权利要求3所述的转子结构，其特征在于，所述第一槽段(121)和所述第二槽段(122)的连接处且朝向所述内层永磁体槽(11)的侧壁呈弧形结构。
6.根据权利要求3所述的转子结构，其特征在于，所述转子结构包括外层永磁体，所述外层永磁体包括第一外层永磁体(31)和第二外层永磁体(32)，所述第一外层永磁体(31)设置于所述第一槽段(121)内，所述第二外层永磁体(32)设置于所述第二槽段(122)内。
7.根据权利要求3所述的转子结构，其特征在于，所述转子结构包括内层永磁体，所述内层永磁体包括：
第三永磁体(21)，所述第三永磁体(21)设置于所述第三永磁体槽(111)内；
第一内层永磁体(22)，所述第一内层永磁体(22)设置于所述第一直段永磁体槽(112)内；
第二内层永磁体(23)，所述第二内层永磁体(23)设置于所述第二直段永磁体槽(113)内。
8.根据权利要求3所述的转子结构，其特征在于，所述第一槽段(121)的靠近所述第一几何中心线的槽壁与所述第一几何中心线具有第四夹角α4，所述第二槽段(122)的靠近所述第一几何中心线的槽壁与所述第一几何中心线具有第五夹角α5，其中，α4≠α5，或者，α4＜α5。
9.一种永磁辅助同步磁阻电机，包括转子结构，其特征在于，所述转子结构为权利要求1至8中任一项所述的转子结构。
10.一种电动汽车，包括转子结构，其特征在于，所述转子结构为权利要求1至8中任一项所述的转子结构。
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