CN110336396A - 一种新能源汽车用非稀土电机转子结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新能源汽车用非稀土电机转子结构，转子铁芯划分为多个包括了第一磁钢槽和第二磁钢槽组的扇形区域；在第一磁钢槽、第二磁钢槽内嵌入铁氧体或钕铁硼材质的永磁材料；第一磁钢槽布置于定子铁芯的近回转外缘处；第一磁钢槽与其所在扇形区域的对称中心线垂直且被中分对称；第二磁钢槽组包括：从扇形区域外缘向其中部延伸的第二磁钢槽；两个第二磁钢槽形成与所在扇形区域相同锥向的V型布置，且两个第二磁钢槽分列于所在扇形区的对称中心线两侧；在两个第二磁钢槽的临近端之间形成结构隔磁桥；在第二磁钢槽远端处的转子铁芯上设置结构缺口形成空气隔磁桥。采用本结构方案能够有效提升铁氧体电机功率密度，从而具有较大的成本优势。
Description
技术领域
本发明涉及新能源汽车电驱动技术领域,特别是一种新能源汽车用非稀土电机转子结构。
背景技术
由于期望良好的转矩_转速特性，高效率，内置式钕铁硼稀土电机常常用于纯电动或混动新能源汽车。与感应，开关磁阻和异步等其他电机不同，永磁电机中永磁产生永久磁链，会降低能量损耗，因此永磁电机具有较高的电机效率，以及转矩_转速特性。
在内置式转子结构中，稀土电机因较强的磁性能目前被普遍应用，但是在众多方面是令人不满意的。磁体的制作需要添加大量的稀土材料（Pr、Nd、Dy、Tb），这种磁体的制作是昂贵的，耗时的，且需要精细的加工工艺。稀土为国家重要稀缺资源。因此行业期望提供可制造性强，低成本，且能够满足电机功率密度方案，非稀土（铁氧体）电机因较简单的加工工艺和成本逐渐成为替代方案。
根据目前的技术现状，非稀土（铁氧体）电机具有较低的剩磁、矫顽力，其磁能积只有钕铁硼方案1/10~1/8，较低的功率密度是非稀土（铁氧体）没有普遍的主要原因，但同时非稀土因为不含有稀土元素，其材料价格仅仅为钕铁硼1/10~1/20，其具有较大的成本优势；因此如何提升非稀土电机方案的功率密度为技术瓶颈。
发明内容
本发明专利提供一种转子结构形式，其目的提升现有铁氧体电机功率密度过低问题；采用本结构方案能够有效地降低转子漏磁，提升铁氧体电机功率密度，从而使铁氧体电机方案具有较大的成本优势。
本发明的技术方案是：一种新能源汽车用非稀土转子结构，包括：转子铁芯、以及与转子铁芯装配的轴。
优选的是，转子的外径为100~150mm，其包括双层内嵌式结构。
转子铁芯划分为多个包括了第一磁钢槽和第二磁钢槽组的扇形区域，其中第一磁钢槽为“一”型，第二次磁钢为“V”型。
在第一磁钢槽、第二磁钢槽内嵌入铁氧体或钕铁硼材质的永磁材料，且铁氧体永磁材料的宽度为钕铁硼永磁材料宽度的2~4倍。
优选的是，在第一磁钢槽内嵌入钕铁硼或铁氧体材质的永磁材料，第二磁钢槽内嵌入铁氧体材质的永磁材料。因此，第二磁钢槽的宽度大于所述第一磁钢槽的宽度。
第一磁钢槽远离轴，且布置于定子铁芯的近回转外缘处。第一磁钢槽与其所在扇形区域的对称中心线垂直且被中分对称，第一磁钢槽周边设置隔磁结构能够有效的阻隔磁场结构的闭合，同时两端具有固定磁钢结构，以防止磁钢在腔内的攒动，
优选的是，第一磁钢槽为等宽的矩形槽，第一磁钢槽内的永磁结构为矩形结构。
第二磁钢槽组包括：从扇形区域外缘向其中部延伸的第二磁钢槽。两个第二磁钢槽以所在扇形区的对称中心线为对称轴而对称布置形成“V”型，且“V”型的锥向与所在扇形区域相同锥向相同。
在第二磁钢槽远端处的转子铁芯上设置结构缺口形成空气隔磁桥，其阻断电机磁场的内部闭合，有利于降低转子漏磁，能够提升非稀土电机功10%~15%的功率密度。同时，在两个第二磁钢槽的临近端之间形成结构隔磁桥，考虑到同时设计空气隔磁桥会一定程度上增加结构隔磁桥的结构应力，因此需要适当的增加结构隔磁桥处的厚度以及磁钢倒角。
优选的是，在第二磁钢槽周边设置了隔磁结构和凸起结构，隔磁结构能够有效的阻隔磁场结构的闭合，凸起结构可以用于固定永磁材料的定位、装配，并对磁钢的边角抗退磁能力具有有利作用。
优选的是，第二磁钢槽组中的两个第二磁钢槽均为等宽的矩形槽或均为不等宽的弧形槽。
不等宽的第二磁钢槽包括具有同心弧度的两个长度侧壁；且两个第二磁钢槽的弧面相向而设。因此等宽的第二磁钢槽中则嵌入矩形的永磁材料，不等宽的第二磁钢槽中则嵌入瓦形的永磁材料。
优选的是，不等宽的第二磁钢槽时，第一磁钢槽的两端外侧设有不规则外形的孔状结构，控制结构内嵌入隔磁结构；因此，该隔磁结构的两侧均形成了结构隔磁桥，即该隔磁结构与第一磁钢槽的端部之间形成结构隔磁桥，该隔磁结构与转子的外缘之间形成了结构隔磁桥。此种结构可以分流定子电枢电流对转子冲片影响，从而提升负载工况磁阻转矩占比。
优选的是，永磁材料选用平行充磁或径向充磁。
优选的是；电机功率为30kw~80kw。
本发明的优点是：
1、本发明设计具有铁氧体和钕铁硼材料的内置式混合结构，因为钕铁硼材料的内禀矫顽力为铁氧体的2~4，将铁氧体磁钢宽度设计为钕铁硼2~4倍，有助于解决铁氧体材料容易退磁问题。
2、针对铁氧体非稀土电机材料磁能积只有钕铁硼磁能积1/8~1/10左右，因为采用混合结构有助于更好的平衡电机成本和输出功率之间的矛盾。
3、磁钢采用不等宽设计，有助于提升电机凸极率，从而更好的降低成本，减少电机设计对稀土材料的依赖。
4、针对转子外径80-160mm电机，采用V一结构能够较优的平衡成本，性能以及装配之间关系，从而为非稀土在新能源汽车应用提供切实可行的解决方案。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1是铁氧体IPM电机1/8示意图局部截面图；
图2是是铁氧体IPM电机1/8示意图局部截面图；
其中：1、定子铁芯；2、绕组；3、第二铁氧体；4、第一铁氧体；5、固定磁钢结构；6、转子铁芯边缘；8/12、空气隔磁桥；10、凸起结构；11、转子铁芯；15、转轴；22、结构隔磁桥；101、定子铁芯’；102、；绕组’；103、非稀土磁钢；104、稀土磁钢；105、隔磁结构；106/107/122、结构隔磁桥’；110、凸起结构’；112/120、空气隔磁桥’；118、弧面段。
具体实施方式
实施例1：
如附图1所示，一种铁氧体IPM电机，定子部分，其包括定子铁芯1和绕组2组成。转子部分：其由转子铁芯11和转轴15组成，转子外径为100~150mm。
如图1所示，其为铁氧体IPM电机1/8示意图局部截面。
转子铁芯11上具有多个腔体，其中腔体具有两种结构形式，第一腔体远离转轴15，第一腔体与图1中的对称中心线垂直并左右对称，且第一腔体内限定永磁材料，其中该永磁结构为第一铁氧体4结构。
在第一腔体外侧的转子铁芯边缘6形成了结构隔磁桥，其能够有效的阻隔磁场结构的闭合，同时两端具有固定磁钢结构5，以防止磁钢在腔内的攒动，优选的永磁结构为矩形结构。
如图1所示，靠近转轴15的“V型结构”为第二腔体组，其包含两个相对称的第二腔体以所在区域的对称中心线为对称中心。第二腔体内设有凸起结构10以及永磁材料。其中第二腔体具有凸起结构10用于固定永磁材料，其中永磁体材料为第二铁氧体3，其主要成分为Fe，此种材料具有较低的价格优势和简单的加工工艺方法。
考虑到结构平衡和抗退磁能力，第二腔体内永磁材料的宽度应大于第一腔体内永磁材料的宽度，本实施例中优选第二腔体宽度为第一腔体宽度的1.2~2倍。
在第二腔体远端处的转子铁芯边缘设置结构缺口形成空气隔磁桥8、12，其可以阻断电机磁场的内部闭合，有利于降低转子漏磁，弥补非稀土电机功率密度较低问题。同时，在两个第二腔体的临近端之间也形成结构隔磁桥22，考虑到同时设计空气隔磁桥会一定程度上增加结构隔磁桥22的结构应力，因此结构隔磁桥22处的厚度在0.9~1.3mm范围内。
实施例2：
转子上的永磁材料选用铁氧体与钕铁硼混合，即第一腔体内嵌入钕铁硼材质的永磁材料，第二腔体内嵌入铁氧体材质的永磁材料。此结构针对较大外径内转子电机，优选的电机外径为180mm~240mm之间，如图2所示。
定子部分由定子铁芯’101和绕组’102组成，转子部分由转轴’115，转子铁芯’211以及非稀土磁钢103和稀土磁钢104组成。转子铁芯’211具有多个腔体，其中第一腔体’靠近定子铁芯’101，第一腔体’中的稀土磁钢104为钕铁硼材料。
同时腔体第一腔体’的两端侧具有特殊的隔磁结构105，隔磁结构105为不规则孔状结构，此种结构可以分流定子电枢电流对转子冲片影响，从而提升负载工况磁阻转矩占比。同时因为稀土材料密度明显高于非稀土材料，且稀土材料磁能积较高，采用隔磁结构105有利于降低局部结构应力，从而有利于提升电机峰值转速。
第二腔体’呈V型布置，第二腔体’内包括非稀土磁钢103，该非稀土磁钢103优选铁氧体，由于这种材料因弧形较容易被制造，所以如图2所示，第二腔体’的结构并不局限于矩形结构，如图2所示，若进行弧形结构设计，其应当包括不等宽设计，转子铁芯上的第二腔体’采用不等宽弧形结构设计,其有利于充分利用磁阻力，所有轻易联想的结构更改应为本发明范围之内。如图2中所示，第二腔体’的前端宽度略大于后端的宽度，在制备技术上，通常两端宽度的比值为1:0.7。
较为关键的是第二腔体’内永磁材料的宽度大于第一腔体内永磁体的宽度，设定钕铁硼材料的宽度为W1，铁氧体材料的宽度为W2，考虑抗退磁能力，W2＞2W1。即第二腔体’的宽度是第一腔体宽度的2~4倍。
除去隔磁结构105，转子铁芯上还设置了空气隔磁桥’120、112,结构隔磁桥’122、106、107等等，其主要目的是阻碍磁桥结构转子磁路自闭合，从而更多的让永磁体磁链与定子进行交互，从而提升电机电磁性能。
同时第二腔体’的前端设置凸起结构’110用于固定永磁材料,第二腔体’的弧形结构由多个弧面组成，优选的内外弧面为同圆心。如图2所示，且在外弧面的后端处的弧面段118平行或与相邻的区域边缘(图中近似X轴)呈±15°夹角。上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明的。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明的所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种新能源汽车用非稀土电机转子结构，包括转子铁芯、以及与转子铁芯装配的轴，其特征在于：所述转子铁芯划分为多个包括了第一磁钢槽和第二磁钢槽组的扇形区域；在第一磁钢槽、第二磁钢槽内嵌入铁氧体或钕铁硼材质的永磁材料；
所述第一磁钢槽布置于定子铁芯的近回转外缘处；第一磁钢槽与其所在扇形区域的对称中心线垂直且被中分对称；
所述第二磁钢槽组包括：从扇形区域外缘向其中部延伸的第二磁钢槽；两个第二磁钢槽形成与所在扇形区域相同锥向的V型布置，且两个第二磁钢槽分列于所在扇形区的对称中心线两侧；在两个第二磁钢槽的临近端之间形成结构隔磁桥；在第二磁钢槽远端处的转子铁芯上设置结构缺口形成空气隔磁桥。
2.根据权利要求1所述的一种新能源汽车用非稀土电机转子结构，其特征在于：所述第二磁钢槽组中的两个第二磁钢槽均为等宽的矩形槽，第二磁钢槽宽度为第一磁钢槽宽度的1.2~2倍。
3.根据权利要求1所述的一种新能源汽车用非稀土电机转子结构，其特征在于：所述第二磁钢槽组中的两个第二磁钢槽均为不等宽的弧形槽，第二磁钢槽宽度是第一磁钢槽2~4倍。
4.根据权利要求3所述的一种新能源汽车用非稀土电机转子结构，其特征在于：不等宽的第二磁钢槽包括具有同心弧度的两个长度侧壁；且两个第二磁钢槽的弧面相向而设。
5.根据权利要求4所述的一种新能源汽车用非稀土电机转子结构，其特征在于：所述第一磁钢槽的两端外侧设有不规则外形的隔磁结构；且该隔磁结构与第一磁钢槽的端部之间也形成结构磁桥。
6.根据权利要求5所述的一种新能源汽车用非稀土电机转子结构，其特征在于：在所述第二磁钢槽内设有用于固定永磁材料的凸起结构。
7.根据权利要求1或6所述的一种新能源汽车用非稀土电机转子结构，其特征在于：在第一磁钢槽内嵌入钕铁硼或铁氧体材质的永磁材料。
8.根据权利要求7所述的一种新能源汽车用非稀土电机转子结构，其特征在于：第二磁钢槽内嵌入铁氧体材质的永磁材料。
9.根据权利要求8所述的一种新能源汽车用非稀土电机转子结构，其特征在于：所述钕铁硼充磁方式为平行充磁。
10.根据权利要求9所述的一种新能源汽车用非稀土电机转子结构，其特征在于：所述铁氧体充磁方式径向或者平行充磁。
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