CN109742878A

CN109742878A - 一种内置式永磁同步电机及其转子结构

Info

Publication number: CN109742878A
Application number: CN201910092982.4A
Authority: CN
Inventors: 阮博; 谷爱昱
Original assignee: Guangdong University of Technology
Current assignee: Guangdong University of Technology
Priority date: 2019-01-30
Filing date: 2019-01-30
Publication date: 2019-05-10
Anticipated expiration: 2039-01-30
Also published as: CN109742878B

Abstract

本发明公开了一种内置式永磁同步电机及其转子结构，其中转子结构包括设有轴孔和槽体的转子，槽体中设有永磁体，永磁体包括沿宽度方向依次分布的左端磁钢、中部磁钢和右端磁钢，左端磁钢和右端磁钢的宽度均小于中部磁钢的宽度，左端磁钢和右端磁钢的厚度均大于中部磁钢的厚度。本申请提供的转子结构采用不等厚非均匀分段的永磁体，其能够有效削弱齿槽转矩，降低转矩脉动，提升内置式永磁同步电机的工作性能。

Description

一种内置式永磁同步电机及其转子结构

技术领域

本发明涉及电机设备技术领域，更具体地说，涉及一种转子结构。此外，本发明还涉及一种包括上述转子结构的内置式永磁同步电机。

背景技术

近年来，随着高性能的永磁材料的问世以及电力电子技术的进步，永磁电机越来越被广泛应用在各行各业。特别是内置式永磁同步电机，由于其具有体积小、功率密度大和高效率等优点，不仅被广泛应用在电动汽车行业，而且还被广泛应用在洗衣机、空调、电冰箱等家电行业。

然而，由于永磁电机存在固有的齿槽转矩问题，特别是内置式永磁电机，其齿槽转矩问题表现更突出，使得转矩脉动增大，进而影响了永磁电机的控制精度。

综上所述，如何削弱永磁电机的齿槽转矩，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种转子结构，其能够削弱齿槽转矩，降低转矩脉动，保障内置式永磁同步电机的控制精度。本发明的另一目的是提供一种包括上述转子结构的内置式永磁同步电机。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种转子结构，包括设有轴孔和槽体的转子，所述槽体中设有永磁体，所述永磁体包括沿宽度方向依次分布的左端磁钢、中部磁钢和右端磁钢，所述左端磁钢和所述右端磁钢的宽度均小于所述中部磁钢的宽度，所述左端磁钢和所述右端磁钢的厚度均大于所述中部磁钢的厚度。

优选的，所述中部磁钢的两端均设有不导磁的第一隔磁磁桥。

优选的，所述左端磁钢和所述右端磁钢远离所述中部磁钢的一侧均设有不导磁的第二隔磁磁桥。

优选的，所述左端磁钢和所述右端磁钢的宽度相同、厚度相同。

优选的，所述中部磁钢的宽度为28mm、厚度为3.5mm，所述左端磁钢的宽度为3.5mm、厚度为4.8mm，所述第一隔磁磁桥的宽度为1.5mm、厚度为4.8mm。

优选的，所述槽体呈“凹”字形，所述槽体的数量为八个，且八个所述槽体沿所述轴孔的外周均匀分布。

优选的，所述转子设有四个扇形的减重孔，四个所述减重孔沿所述轴孔的外周均匀分布。

优选的，所述转子为铁芯冲片叠压而成的转子。

一种内置式永磁同步电机，包括上述任意一种转子结构。

本发明提供的转子结构包括设有轴孔的转子，转子的槽体中设有永磁体，其中，永磁体包括依次排列的左端磁钢、中部磁钢和右端磁钢，且左端磁钢和右端磁钢的宽度均小于中部磁钢的宽度，左端磁钢和右端磁钢的厚度均大于中部磁钢的厚度。

本申请提供的转子结构采用不等厚非均匀分段的永磁体，即左端磁钢、中部磁钢和右端磁钢在宽度方向上分段设置，同时，三者还在厚度方向存在差异，即永磁体两端加厚、中部减薄。上述转子结构实现了削弱齿槽转矩的效果，提升了内置式永磁同步电机的工作性能。

本申请还提供了一种内置式永磁同步电机，具有上述有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的转子的主视结构示意图；

图2为本发明所提供的铁心冲片的主视结构示意图；

图3为本发明所提供的永磁体的结构示意图；

图4为永磁体在二维坐标系下的示意图；

图5为齿槽转矩关于时间的函数图。

图1～5中的附图标记为：

转子1、轴孔2、减重孔3、槽体4、左端磁钢5、中部磁钢6、第二隔磁磁桥7、第一隔磁磁桥8、右端磁钢9。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅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。

本发明的核心是提供一种转子结构，其能够削弱齿槽转矩，降低转矩脉动，保障内置式永磁同步电机的控制精度。本发明的另一核心是提供一种包括上述转子结构的内置式永磁同步电机。

请参考图1～5，图1为本发明所提供的转子的主视结构示意图；图2为本发明所提供的铁心冲片的主视结构示意图；图3为本发明所提供的永磁体的结构示意图；图4为永磁体在二维坐标系下的示意图；图5为齿槽转矩关于时间的函数图。

本发明提供了一种转子结构，包括设有轴孔2和槽体4的转子1，槽体4中设有永磁体，永磁体包括沿宽度方向依次分布的左端磁钢5、中部磁钢6和右端磁钢9，左端磁钢5和右端磁钢9的宽度均小于中部磁钢6的宽度，左端磁钢5和右端磁钢9的厚度均大于中部磁钢6的厚度。

具体的，转子1可以采用铁芯冲片叠压制成。轴孔2设置在转子1的中部，主要用于安装转轴，优选轴孔2包括圆孔和与圆孔侧部连通的梯形孔，且圆孔和梯形孔均沿轴向贯穿转子1，工作过程中转轴和转子1进行同步转动。

槽体4的数量至少为两个，且全部槽体4沿轴孔2的外周均匀分布，本申请优选转子1开设八个槽体4。永磁体放置在槽体4中，二者通过过盈配合的方式进行固定。在实际使用过程中，永磁体采用不等厚非均匀分段式的结构，每个槽体4中的永磁体均包括三个独立的磁钢，三个磁钢分别为依次分布的左端磁钢5、中部磁钢6和右端磁钢9，另外，相邻的磁钢之间均间隔一定距离。

其中，相比于分布于两端的左端磁钢5和右端磁钢9，中部磁钢6宽度大、厚度薄。需要说明的是，以图1所示的视角为例，宽度具体指沿转子1的割线方向，厚度具体指从转子1中部向边缘靠近的方向。永磁体的长度与转子1的轴向长度保持一致，另外，在轴向投影上左端磁钢5、中部磁钢6和右端磁钢9大体呈U形结构，且U形结构的横向长度大于竖向长度。

在实际生产过程中，本申请优选左端磁钢5和右端磁钢9的宽度相同、厚度相同，从而使转子结构具有加工成本低、结构简单、且操作方便的优点。另外，为了与永磁体配合，槽体4可以为与U形结构配合的凹字形结构，当然，槽体4也可以呈长方体结构，此时需要利用非导磁结构件将永磁体固定在槽体4中。

本申请中的永磁体采用不等厚非均匀分段的方式。同一槽体4中的三个磁钢在宽度方向分段设置，同时三个磁钢还在厚度上存在差异，通过调节同一个槽体4中的磁钢的间隔、宽度以及厚度，可以削弱齿槽转矩，降低转矩脉动，进而提升电机的工作性能。

可以理解的，永磁体的具体规格需要根据理论分析进行选择，为方便理解，本申请提供相关理论作为永磁体具体规格的设计基础。

根据能量法分析可得，永磁电机的齿槽转矩定义为电机不通电时的磁场能量W对定转子相对位置角α的负导数，即

同时，磁场能量W可以表示为式中，μ₀为真空磁导率，h_m(θ)为永磁体充磁方向长度关于转子位置角θ的函数；δ(θ,α)为有效气隙长度关于转子位置角θ的函数；B_r(θ)为永磁体剩磁关于转子位置角θ的函数，且由图4可知，为沿气隙圆周路径分布的偶函数，因此在一个等效磁极的极弧宽度内，即在区间[-π/2p,π/2p]内，的傅立叶展开为：式中，α_p为极弧系数，p为极对数。而根据图1可知

因此，在实际设计过程中可以通过合理选择λ、θ₁和θ₂来减小B_rn，从而有效削弱齿槽转矩。另一方面，在区间[-π/2p,π/2p]内，对进行分析可知，当电机的气隙长度δ(θ,α)较大时，通过减小永磁体充磁方向长度h_m，可以进一步削弱齿槽转矩。

可选的，参考图3，本申请提供的一种永磁体规格的优选实施例中，中部磁钢6的宽度x₁为28mm、厚度h₁为3.5mm，左端磁钢5的宽度x₂为3.5mm、厚度h₂为4.8mm，第一隔磁磁桥8的宽度y₁为1.5mm、厚度h₂为4.8mm。

参考图5，图5中横坐标为时间、纵坐标为齿槽转矩，实线为现有技术中的转子结构的齿槽转矩关于时间的函数图，虚线为本申请提供的转子结构的齿槽转矩关于时间的函数图，通过实线和虚线的对比可以看出，本申请优化后的转子结构的齿槽转矩得到了显著的抑制效果，由此证明本申请提供的转子结构能够有效削弱齿槽转矩。

进一步的，为了优化转子结构的效果，本申请提供的一种实施例中，中部磁钢6的两端均设有不导磁的第一隔磁磁桥8。具体的，左端磁钢5和中部磁钢6之间设有第一隔磁磁桥8，中部磁钢6和右端磁钢9之间设有第一隔磁磁桥8，第一隔磁磁桥8能够保障相邻磁钢的分段效果，同时加强转子结构的强度。

更进一步的，本申请提供的一种实施例中，左端磁钢5和右端磁钢9远离中部磁钢6的一侧均设有不导磁的第二隔磁磁桥7。具体的，同一个槽体4中的永磁体的两端均安装有第二隔磁磁桥7，从而使不同极性的磁极间隔，减少磁极之间的漏磁，避免造成永磁体的浪费和电机性能的下降。

进一步的，为了减轻转子结构的重量，本实施例中，转子1设有四个减重孔3，四个减重孔3沿轴孔2的外周均匀分布。具体的，减重孔3可以为扇形通孔结构，此时槽体4则均匀分布在减重孔3的外部。

除了上述转子结构，本发明还提供一种包括上述转子结构的内置式永磁同步电机，该内置式永磁同步电机的齿槽转矩小、输出力矩大。该内置式永磁同步电机的其他各部分的结构请参考现有技术，本文不再赘述。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上对本发明所提供的内置式永磁同步电机及其转子结构进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims

1.一种转子结构，其特征在于，包括设有轴孔(2)和槽体(4)的转子(1)，所述槽体(4)中设有永磁体，所述永磁体包括沿宽度方向依次分布的左端磁钢(5)、中部磁钢(6)和右端磁钢(9)，所述左端磁钢(5)和所述右端磁钢(9)的宽度均小于所述中部磁钢(6)的宽度，所述左端磁钢(5)和所述右端磁钢(9)的厚度均大于所述中部磁钢(6)的厚度。

2.根据权利要求1所述的转子结构，其特征在于，所述中部磁钢(6)的两端均设有不导磁的第一隔磁磁桥(8)。

3.根据权利要求2所述的转子结构，其特征在于，所述左端磁钢(5)和所述右端磁钢(9)远离所述中部磁钢(6)的一侧均设有不导磁的第二隔磁磁桥(7)。

4.根据权利要求3所述的转子结构，其特征在于，所述左端磁钢(5)和所述右端磁钢(9)的宽度相同、厚度相同。

5.根据权利要求4所述的转子结构，其特征在于，所述中部磁钢(6)的宽度为28mm、厚度为3.5mm，所述左端磁钢(5)的宽度为3.5mm、厚度为4.8mm，所述第一隔磁磁桥(8)的宽度为1.5mm、厚度为4.8mm。

6.根据权利要求1～5任意一项所述的转子结构，其特征在于，所述槽体(4)呈“凹”字形，所述槽体(4)的数量为八个，且八个所述槽体(4)沿所述轴孔(2)的外周均匀分布。

7.根据权利要求6所述的转子结构，其特征在于，所述转子(1)设有四个扇形的减重孔(3)，四个所述减重孔(3)沿所述轴孔(2)的外周均匀分布。

8.根据权利要求7所述的转子结构，其特征在于，所述转子(1)为铁芯冲片叠压而成的转子(1)。

9.一种内置式永磁同步电机，其特征在于，包括权利要求1～8任意一项所述的转子结构。