CN109638998B - 电机转子、电机及电动汽车 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种电机转子、电机及电动汽车。电机转子包括转子本体，所述转子本体具有多个沿所述转子本体的周向上分布的极，所述极包括内层永磁体和外层永磁体，其中，所述内层永磁体为拼接结构，所述拼接结构包括分别位于所述内层永磁体的两端的内层臂和位于两个所述内层臂之间的底部永磁体，所述底部永磁体朝向所述转子本体的外部凸起。本发明中的底部永磁体面对气隙侧外层永磁体的面积增大了，能够增加有效的磁通量。通过增加磁通量，可以改善电机功率因数。
Description
技术领域
本发明涉及交通工具技术领域，具体而言，涉及一种电机转子、电机及电动汽车。
背景技术
新能源汽车目前普遍采用稀土永磁电机，其电机功率因数高，对应的控制器容量也可以做的更小，但其具有消耗大量稀土资源、价格高昂的特点。因此采用铁氧体作为永磁材料的永磁磁阻电机便逐渐成为研究热点。目前行业内具有实际应用的多数在家电等小产品上，其特点为转矩密度适中，并不高，磁路饱和不严重。而在新能源汽车上使用，其要求结构紧凑，在设计上，其转矩密度高出普通永磁电机2倍以上，因此，饱和也相当严重，进而带来的问题是功率因素的严重下降，尤其在永磁磁阻电机的应用中。因此功率因数的提升设计是电机的设计重点之一，从永磁辅助磁阻电机的数学模型中可以得出，提升功率因数的方法有两个：1、增加永磁链；2、在保证D轴电感和Q轴电感差值相当情况下，尽量减小D轴电感。
此外，永磁同步磁阻电机的转矩成分中包含永磁转矩以及磁阻转矩，受磁阻转矩成分影响，转子结构对转矩脉动影响较大。故转矩脉动的优化一直是该电机的研发重点之一。常规设计中，转矩脉动的优化仅考虑到额定负载点的转矩脉动系数水平；而针对新能源汽车等负载具有运行转速范围广、弱磁程度深的情况下，必须重视其转矩脉动水平同额定点的转矩脉动水平有一定差异，通常随着弱磁深度的增加，脉动系数而增加。因此，必须针对深度弱磁下的转矩脉动进行针对性设计。如学者Seok-Hee-Han在2007年的IEEE论文“Torque ripple reduction in interior permanent magnet synchronous machinesusing the principle of mutual harmonics exclusion”中所述。
专利文献CN 108075585 A--旋转电机中介绍一种双层永磁辅助磁阻电机，其配置于内周侧的多个永磁体的V字形状或U字形状相对于磁极中心的角度随着从磁极中心离开而变小。通过缓和2层之间的磁路中的磁通密度的饱和，能够抑制作为旋转电机的转矩下降。
专利文献CN 108336843 A--转子结构、永磁辅助同步磁阻电机及电动汽车中介绍一种双层永磁辅助磁阻电机。通过V+U的双层磁钢组合，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，但电机的效率还不够高。
专利文献CN 108471211 A--提高永磁同步电机弱磁扩速性能的转子结构中介绍了一种提升弱磁扩速度的方法，采用V型永磁体。通过增加电枢反应时D轴的电枢退磁效应来改善弱磁问题。
专利文献CN 105305682 B--深V-磁体空腔结构转子介绍了一种双层深V结构的转子结构。通过内置式永磁同步电机利用双稳态永磁体(即，两种或多种不同类型的磁体材料的组合)来减少在转子中利用的稀土磁体的数量和质量。在多层结构中，在转子中利用稀土磁体和铁氧体磁体或相同材料组分的具有不同磁场强度的磁体的组合。而且，磁场强度更低的磁体(例如，铁氧体磁体)延伸的距离是在转子的圆柱状外壁与转子的圆柱状内壁之间的径向距离的至少一半，从而在转子的大部分上方产生磁场，用于增加转矩和旋转速度。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种电机转子、电机及电动汽车，以解决现有技术中的电机的功率因素偏低的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种电机转子，包括转子本体，所述转子本体具有多个沿所述转子本体的周向上分布的极，所述极包括内层永磁体和外层永磁体，其中，所述内层永磁体为拼接结构，所述拼接结构包括分别位于所述内层永磁体的两端的内层臂和位于两个所述内层臂之间的底部永磁体，所述底部永磁体朝向所述转子本体的外部凸起。
进一步地，所述底部永磁体的横截面为弧形，所述弧形朝向所述转子本体的外部凸起。
进一步地，所述底部永磁体的厚度从所述底部永磁体的中部到两端的方向变小。
进一步地，所述底部永磁体的中部的厚度为W2，两端的厚度均为W1，其中，W1＞0.85*W2。
进一步地，所述底部永磁体与所述外层永磁体的最短距离为H1，所述底部永磁体的中部的厚度为W2，其中，H1＞2*W2。
进一步地，所述内层永磁体呈W形，所述底部永磁体包括第一永磁段和第二永磁段，所述第一永磁段和所述第二永磁段呈V形结构布置，所述V形结构的开口朝向所述转子本体的内部设置。
进一步地，所述第一永磁段和所述第二永磁段关于所述V形结构的中轴线对称布置。
进一步地，所述第一永磁段为所述电机转子旋转方向的后端永磁段，所述第二永磁段为所述电机转子旋转方向的前端永磁段，所述第二永磁段与所述第一永磁段的比值小于1.8。
进一步地，与所述第一永磁段靠近的所述内层臂和所述第一永磁段之间的夹角为A1，与所述第二永磁段靠近的所述内层臂和所述第二永磁段之间的夹角为A2，其中，A2－A1＜20°。
进一步地，所述底部永磁体的中心线偏移角为A3，其中，A3为10°至20°。
进一步地，所述内层永磁体和所述外层永磁体为嵌设在所述转子本体上的铁氧体块或粘接在所述转子本体上的铁氧体块或灌胶固定在所述转子本体上的铁氧体材质。
根据本发明的另一方面，提供了一种电机，包括电机转子，所述电机转子为上述的电机转子。
根据本发明的再一方面，提供了一种电动汽车，包括电机，所述电机为上述的电机。
应用本发明的技术方案，由于发明中的内层永磁体的底部永磁体朝向转子本体的外部凸起，相对于现有技术中的结构而言，本发明中的底部永磁体面对气隙侧外层永磁体的面积增大了，能够增加有效的磁通量。通过增加磁通量，可以改善电机功率因数。通过仿真对比，本发明的电机相比专利文献CN 108336843 A在相同的永磁体使用量下磁通量提升4％左右，对应功率因数改善约2％。
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示意性示出了现有技术中第一种电机转子的剖视图；
图2示意性示出了现有技术中第二种电机转子的剖视图；
图3示意性示出了本发明中第一实施例的电机的剖视图；
图4示意性示出了本发明的第一实施例的电机转子的剖视图；
图5示意性示出了本发明的第二实施例的电机转子的剖视图；
图6示意性示出了本发明的第二实施例的电机的剖视图；
图7示意性示出了本发明的第三实施例的电机的剖视图；
图8示意性示出了本发明的三种实施例的电机转子的气隙密封对比图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
10、转子本体；11、外层永磁体；12、内层永磁体；121、内层臂；122、底部永磁体；1221、第一永磁段；1222、第二永磁段；20、定子。
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。
参见图3至图8所示，根据本发明的实施例，提供了一种电机，该电机包括定子20和安装在定子20内部的电机转子。
参见图3和图4所示，在本发明的第一实施例中，电机转子包括转子本体10，该转子本体10具有多个沿转子本体10的周向上分布的极，每个极包括内层永磁体12和外层永磁体11，其中，内层永磁体12为拼接结构，该拼接结构包括分别位于内层永磁体12的两端的内层臂121和位于两个内层臂121之间的底部永磁体122，底部永磁体122朝向转子本体10的外部凸起。本实施例中的内层永磁体12为靠近转子本体10的中心侧的永磁体，外层永磁体11远离转子本体10的中心侧的永磁体。
由于本实施例中的内层永磁体12的底部永磁体122朝向转子本体10的外部凸起，相对于图1和图2中的结构而言，本实施例中的底部永磁体122面对气隙侧外层永磁体11的面积增大了，增加有效的磁通量。通过增加磁通量，可以改善电机功率因数。通过仿真对比，本实施例中的电机相比专利文献CN 108336843 A在相同的永磁体使用量下磁通量提升4％左右，对应功率因数改善约2％。
本实施例中的底部永磁体122的横截面为弧形，该弧形朝向转子本体10的外部凸起，能够尽可能地增加电机转子的有效磁通量。通过弧形的设计，可以利用外层永磁体11和内层永磁体12之间形成的导磁通道空间。通过底部永磁体122的外部大弧面面向气隙的结构，可以为气隙提供更多的磁通量，提高电机的功率因数。
为了避免底部永磁体122出现局部不可逆的退磁，同时提高底部永磁体122的利用率，本实施例中的底部永磁体122的厚度从底部永磁体122的中部到两端的方向变小。底部永磁体122和内层臂121的两头均具有隔磁气隙，可以释放部分退磁磁场。
优选地，底部永磁体122的中部的厚度为W2，两端的厚度均为W1，其中，W2＞W1。进一步的，两者相差亦不宜过远，通常W1＞0.85*W2较为适宜。
本实施例中的底部永磁体122的与外层永磁体11的最短距离为H1，底部永磁体122的中部的厚度为W2，其中，H1＞2*W2，保证导磁通道的厚度不过窄产生局部饱和。
参加图6至图8所示，在本发明的第二和第三实施例中，内层永磁体12呈W形，底部永磁体122也为拼接结构，具体而言，本实施例中的底部永磁体122也包括第一永磁段1221和第二永磁段1222，第一永磁段1221和第二永磁段1222均呈V形结构布置，该V形结构的开口朝向转子本体10的内部设置。通过呈V形结构布置的第一永磁段1221和第二永磁段1222的作用，能够增加底部永磁体122面对气隙侧外层永磁体11的面积，增加有效的磁通量，进而提高电机的功率因数。
参见图6所示，本实施例中的第一永磁段1221和第二永磁段1222关于V形结构的中轴线对称布置。当然，在本发明的其他实施中，第二永磁段1222和第一永磁段1221还可以不对称布置，只要是在本发明的构思下的其他变形方式，均在本发明的保护范围之内。
参见图7和图8所示，在本发明的电机转子的第三实施例中，第一永磁段1221为电机转子旋转方向的后端永磁段，第二永磁段1222为电机转子旋转方向的前端永磁体，第二永磁段1222与第一永磁段1221的比值小于1.8。
实际设计时，与第一永磁段1221靠近的内层臂121和第一永磁段1221之间的夹角为A1，与第二永磁段1222靠近的内层臂121和第二永磁段1222之间的夹角为A2，其中，A2－A1＜20°。
优选地，底部永磁体122的中心线偏移角为A3，其中，A3为10°至20°。
可见，在本发明的第二和第三实施例的电机转子的底部永磁体122可以采用拼接的方式，采用两个矩形永磁体来等效实现该结构。第一永磁段1221和第二永磁段1222可以分为后永磁段和前永磁段，其中前指的是该极中在旋转方向的前端，后指的是该极中旋转方向的后端，旋转方向如附图中箭头所示(默认为逆时针)。该第二和第三实施例中的结构的设计理念是相同的，但是第二和第三实施例的电机转子更加适用于外层永磁体11和内层永磁体12之间形成的导磁通道空间十分厚的情况，因为当外层永磁体11和内层永磁体12之间的厚度很大时，采用弧形的方式，会使得永磁体内凹的曲率增加，难以成型，报废率增加。
在本发明的第二和第三实施例中，电机磁钢的排布呈现外层永磁体11为V型结构。内层永磁体12为W型结构。该种结构和上述结构具有相同的技术效果。
在本发明的第三实施例中，第一永磁段1221和第二永磁段1222位不对称结构，可以改善深度弱磁情况下在电枢反应作用下的气隙磁密波形，从而降低转矩脉动。电枢反应时，电机转子每个极的永磁体前极区域是增磁效应，后极区域是去磁效应。这里前指的是该极相对于旋转方向的前部，后指的是该极相对于旋转方向的后部。将电机转子周向铺展开，一对极下的气隙磁密、电枢反应等情况可以通过图7反应出来。
在id＝0的控制方式下，设计的空载气隙磁密是正弦的(图7所示)，但在电枢反应作用下，叠加后波形畸变严重。深度弱磁情况下，即电枢磁场相对于转子空载磁场向前移一定的角度。由于新能源汽车电机具有转速范围宽广，因此在高速巡航时，往往弱磁深度较大，也就是前移的角度比较多。此时，如图7中A3左边的竖直线所示，通过底部永磁体122的偏置，使得空载气隙磁密波形的峰值和电枢反应的峰值靠近。此时，叠加出的波形通过峰-谷相抵，形成更加平滑的气隙磁密。避免气隙磁密出现尖峰，导致转矩脉动增加。
在该种结构下，结合电机实际运行的弱磁角度范围，A3的电气角度为10-20度较为适宜。A3为内层底部永磁体中心线偏移角，该角度为磁极理论中心线和实际磁体分割线两个平行线在转子外圆周上形成的相对于转子圆心的夹角。
该值首先考虑了MTPA控制下弱磁角度为135°。在未采用该技术方案时，最大弱磁角度可达到170°。通过采用该方案，在155°即可达到170°的弱磁效果，该角度下距离MTPA角度更近，输出的转矩也相对较高。
在A3满足上述角度的前提下，A2和A1是必然不等的。但是两者相差过远，会导致空载气隙磁密波形发生畸变，会产生不良的技术效果。优选的，A2-A1＜20°电气角度。第一永磁段1221的长度L1和第二永磁段1222的长度L2的比值应当小于1.8，此时可以获得抵消部分电枢反应的效果，同时不会造成空载气隙磁密畸变严重。
优选地，本发明中的内层永磁体12和外层永磁体11为嵌设在转子本体10上的铁氧体块或粘接在转子本体10上的铁氧体块或灌胶固定在转子本体10上的铁氧体材质。
本发明中的W型结构是基于弓形结构的演变，是将弓形结构拆解为两个矩形部分进行拼接，也包括将该弓形拆分成若干个结构拼接，形成相类似的弓形结构。弓形结构亦可以设计为不对称的结构。包括采用向后方旋转的方式，以达到和内层磁钢W形状相同的技术效果。
根据本发明的另一方面，提供了一种电动汽车，本实施例中的电动汽车包括电机，该电机为上述实施例中的电机。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：由于内层永磁体的底部采用弓形结构，并将弓形面凸面朝外，增加面对气隙侧永磁体的面积，增加可有效的磁通量。通过增加磁通量，可以改善电机功率因数。通过仿真对比，拟申请专利技术方案相比专利CN 108336843 A的在相同的永磁体使用量下磁通量提升4％左右。对应功率因数改善约2％。
此外，通过底部弓形磁钢或者内层的W型磁钢的不对称结构设计，可以通过设计上将深度弱磁下的电枢反应影响考虑进去，从而使得深度弱磁情况下的气隙磁密畸变得以改善，使得电机在深度弱磁下转矩脉动降低。
以上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 (12)
1.一种电机转子，其特征在于，包括转子本体(10)，所述转子本体(10)具有多个沿所述转子本体(10)的周向上分布的极，所述极包括内层永磁体(12)和外层永磁体(11)，其中，所述内层永磁体(12)为拼接结构，所述拼接结构包括分别位于所述内层永磁体(12)的两端的内层臂(121)和位于两个所述内层臂(121)之间的底部永磁体(122)，所述底部永磁体(122)朝向所述转子本体(10)的外部凸起；所述底部永磁体(122)与所述外层永磁体(11)的最短距离为H1，所述底部永磁体(122)的中部的厚度为W2，其中，H1＞2*W2。
2.根据权利要求1所述的电机转子，其特征在于，所述底部永磁体(122)的横截面为弧形，所述弧形朝向所述转子本体(10)的外部凸起。
3.根据权利要求2所述的电机转子，其特征在于，所述底部永磁体(122)的厚度从所述底部永磁体(122)的中部到两端的方向变小。
4.根据权利要求3所述的电机转子，其特征在于，所述底部永磁体(122)的中部的厚度为W2，两端的厚度均为W1，其中，W1＞0.85*W2。
5.根据权利要求1所述的电机转子，其特征在于，所述内层永磁体(12)呈W形，所述底部永磁体(122)包括第一永磁段(1221)和第二永磁段(1222)，所述第一永磁段(1221)和所述第二永磁段(1222)呈V形结构布置，所述V形结构的开口朝向所述转子本体(10)的内部设置。
6.根据权利要求5所述的电机转子，其特征在于，所述第一永磁段(1221)和所述第二永磁段(1222)关于所述V形结构的中轴线对称布置。
7.根据权利要求5所述的电机转子，其特征在于，所述第一永磁段(1221)为所述电机转子旋转方向的后端永磁段，所述第二永磁段(1222)为所述电机转子旋转方向的前端永磁段，所述第二永磁段(1222)与所述第一永磁段(1221)的比值小于1.8。
8.根据权利要求5所述的电机转子，其特征在于，与所述第一永磁段(1221)靠近的所述内层臂(121)和所述第一永磁段(1221)之间的夹角为A1，与所述第二永磁段(1222)靠近的所述内层臂(121)和所述第二永磁段(1222)之间的夹角为A2，其中，A2－A1＜20°。
9.根据权利要求5所述的电机转子，其特征在于，所述底部永磁体(122)的中心线偏移角为A3，其中，A3为10°至20°。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的电机转子，其特征在于，所述内层永磁体(12)和所述外层永磁体(11)为嵌设在所述转子本体(10)上的铁氧体块或粘接在所述转子本体(10)上的铁氧体块或灌胶固定在所述转子本体(10)上的铁氧体材质。
11.一种电机，包括电机转子，其特征在于，所述电机转子为权利要求1至10中任一项所述的电机转子。
12.一种电动汽车，包括电机，其特征在于，所述电机为权利要求11所述的电机。
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