CN110556939A - 一种高功率密度永磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及永磁电机领域，公开了一种高功率密度永磁电机，包括机壳、定子铁芯和转子铁芯；所述定子铁芯沿所述机壳的内壁周向布设，所述转子铁芯安装于所述定子铁芯围成的空间内；所述转子铁芯包括至少两个全连桥式叠片组和至少一个半连桥式叠片组，其中所述全连桥式叠片组中的叠片包括与第一中心连接桥均连接且沿周向分布的多个全连桥冲片，所述半连桥式叠片组中的叠片包括至少一个与第二中心连接桥断开且沿周向分布的分离冲片，并且所述全连桥式叠片组和所述半连桥式叠片组沿轴向叠装为每个所述半连桥式叠片组位于两个所述全连桥式叠片组之间，以使所述转子铁芯的相邻扇区不对称。本发明可以提高电机的功率密度。

Description

一种高功率密度永磁电机

技术领域

本发明涉及永磁电机领域，具体地涉及一种高功率密度永磁电机。

背景技术

传统无刷直流电机采用表贴式磁瓦或内置式径向充磁磁钢结构，功率密度较低，限于成本因素，通过切向充磁并联磁路结构提高电机每极磁通。现有切向充磁结构仍存在漏磁大的问题，限制了电机性能提升。

专利CN201611226568.0设计一种转子铁芯，该铁芯有至少一个齿部扇区与转子套环的断开，同时有至少一个齿部扇区与转轴套环相连。以此抑制近轴处的漏磁。该转子铁芯转轴套环外设有定位凸部，用以永磁体的定位和支撑。通过分析，由于该方案转子断开的齿部扇区轴向无固定支撑部件，轴向结构强度较差，不利于大规模生产，同时，上述的用以支撑和定位永磁体的定位凸起将产生自交链漏磁，降低电机功率密度，不利于提升性能。

另一方面，内置式切向充磁的电机由于功率密度的提升，定子铁芯容易饱和产生较高铁芯损耗，降低电机效率。同时电磁力波增强导致振动噪声增大。现有技术通过斜极斜槽等方法来抑制振动噪声，相应的方法增大制造工艺难度并增加生产工时，专利CN201320738896.4设计了条形弯圆的定子铁芯，该方案从定子环形轭部向内伸出齿部，相邻的两个定子齿部之间形成嵌线槽。该定子磁路平衡，磁密适中平均，减少局部饱和，工艺简单，生产效率较高。但上述专利仅依靠定子槽口宽度、齿部宽度及轭部宽度等参数对磁密进行平均处理，未能考虑定子形状及结构对电机磁场、损耗等的影响，不适用与高功率密度电机结构，也为考虑通过定子铁芯与机壳之间的组合方法来降低电机振动噪声，未给出能够综合考虑功率密度并抑振降噪的结构。

因此，亟需一种能适用于大规模生产制造的工艺简单，结构可靠的高功率密度，且低振动噪声的永磁无刷直流电机。

发明内容

为了克服现有技术存在的不足，本发明要解决的技术问题是提供一种高功率密度永磁电机，该高功率密度永磁电机既可以简化生产工艺，又可以提高结构强度和功率密度。

为了解决本发明的上述技术问题，本发明提供一种高功率密度永磁电机，包括机壳、定子铁芯和转子铁芯；所述定子铁芯沿所述机壳的内壁周向布设，所述非对称混合式转子铁芯安装于由定子铁芯围成的空间内；所述转子铁芯包括至少两个全连桥式叠片组和至少一个半连桥式叠片组，其中所述全连桥式叠片组中的叠片包括与第一中心连接桥均连接且沿周向分布的多个全连桥冲片，所述半连桥式叠片组中的叠片包括至少一个与第二中心连接桥断开且沿周向分布的分离冲片，并且所述全连桥式叠片组和所述半连桥式叠片组沿轴向叠装为每个所述半连桥式叠片组位于两个所述全连桥式叠片组之间，以使所述转子铁芯的相邻扇区不对称。

优选地，所述全连桥式叠片组包括多片全连桥式叠片，相邻所述全连桥式叠片之间重合叠放；所述半连桥式叠片组包括多片半连桥式叠片，相邻所述半连桥式叠片之间重合叠放。

优选地，所述定子铁芯由多个T型齿连轭围合而成，各所述T型齿连轭的外表面与定子槽底平行，T型齿连轭的齿部与轭部的边界面垂直，T型齿连轭的数量与电机槽数相等。

优选地，各所述T型齿连轭上设有内外两个大小不同的铆扣点，外铆扣点的直径大于内铆扣点的直径。

优选地，所述定子铁芯的外边界呈正多边形结构；所述定子铁芯与所述机壳在各所述T型齿连轭的连接点接触形成接触域，定子铁芯与机壳未接触的间隙通过注入填充材料形成填充域。

优选地，所述全连桥式叠片包括多个全连桥冲片(311)，相邻所述全连桥冲片(311)之间具有支撑桥(312)；相邻的两个所述全连桥冲片(311)中，其中一个沿径向向外凸起形成宽磁桥(313)，另一个沿径向向外凸起形成窄磁桥(314)，所述宽磁桥(313)的宽度大于所述窄磁桥(314)的宽度。

优选地，，所述半连桥式叠片包括多个半连桥冲片(321)和多个分离冲片(322)，相邻两个所述半连桥冲片(321)之间设有一个所述分离冲片(322)，分离冲片(322)与所述半连桥冲片(321)不接触；多个所述半连桥冲片(321)两两之间具有隔断式支撑桥(323)；所述半连桥冲片(321)具有窄磁桥(325)，所述第一中心连接桥(H1)上设有隔断式宽磁桥(324)，所述隔断式宽磁桥(324)的宽度大于所述窄磁桥(325)的宽度。

优选地，，在至少一个叠压层内，相邻的所述宽磁桥(313)和窄磁桥(314)具有不同的长度，各自沿径向向外延伸形成第一扇区。

优选地，，相邻所述扇区之间的槽内放置有永磁体(4)，相邻两个槽内所述永磁体(4)的极性相异，槽中对应的所述第一中心连接桥(H1)沿径向向外凸起形成所述支撑桥(312)；所述支撑桥(312)与所述永磁体(4)接触。

优选地，，在至少一个叠压层内，所述第二中心连接桥(H2)沿径向向外延伸形成所述窄磁桥(325)；

各所述窄磁桥(325)沿径向向外延伸形成第二扇区；所述窄磁桥(325)与所述第二扇区连接，所述隔断式宽磁桥(324)与所述第二扇区断开。

优选地，相邻的两个所述第二扇区面积不等。

优选地，，相邻所述第二扇区之间的槽内放置有永磁体(4)，相邻两个槽内所述永磁体(4)的极性相异，槽中对应的所述第二中心连接桥(H2)沿径向向外延伸形成槽底凸起；所述槽底凸起与所述永磁体(4)隔开。

优选地，各所述全连桥冲片的外圆弧表面包括多段用于降低转矩波动的样条；所述样条至少包括圆弧段主样条和分设于所述圆弧段主样条两侧的直线段样条。

优选地，所述样条包括圆弧段主样条、分设于所述圆弧段主样条两侧的圆弧段样条和分设于两个所述圆弧段样条外侧的直线段样条。

优选地，各所述半连桥冲片和各所述分离冲片的外圆弧表面均包括多段用于降低转矩波动的样条；所述样条至少包括圆弧段主样条和分设于所述圆弧段主样条两侧的直线段样条；优选地，所述样条包括圆弧段主样条、分设于所述圆弧段主样条两侧的圆弧段样条和分设于两个所述圆弧段样条外侧的直线段样条。

本发明可以简化电机的生产工艺，又可以提高电机的结构强度。通过设计隔断式支撑桥和隔断式宽磁桥，电机转子结构强度大幅提升。同时，半连桥式叠片保证转子铁芯一个叠片至少有一半的扇区可以与轴套相连，在大规模生产过程中易于定位。

通过本发明可大幅降低转子槽底自交链漏磁，从而提高气隙磁通，通过T型齿连轭定子结构，可以降低电机饱和程度，使每极磁通最大化。对比本发明电机结构和传统全桥连接的电机结构的反电势系数可以看出，采用该结构的电机反电势系数明显提升，在电机重载运行时，电机的转矩-电流曲线线性度良好，未出现饱和现象，从而提高电机性能。

通过转子五段样条式结构，电机的反电势谐波畸变率较低，气隙磁场的正弦度较好，以此降低电机切向转矩脉动及径向振动。同时，采用T型齿连轭结构，定子与机壳之间含有填充域，以此削弱定子本身与机壳之间振动的传递，实现电机的减振降噪。

降低转子槽底自交链漏磁从而提高功率密度，可保证气隙磁场的高正弦性，大幅提高反电势系数。本发明可以简化电机的生产工艺，又可以提高电机的结构强度。从电机结构上可以看出，降低转子槽底自交链漏磁从而提高功率密度，可保证气隙磁场的高正弦性，大幅提高反电势系数。

附图说明

图1是本发明一个实施例的结构示意图；

图2是本发明一个实施例中转子铁芯的结构示意图；

图3是本发明一个实施例中T型齿连轭的结构示意图；

图4是本发明一个实施例中定子总成结构示意图；

图5是本发明一个实施例中半连桥式叠片的结构示意图；

图6是本发明一个实施例中全连桥式叠片的结构示意图；

图7(a)是现有技术中全桥连接式转子槽底自交链漏磁分布，(b)是(a)中方框圈出部分的局部放大图；

图8(a)是现有技术中无隔断支撑桥式转子槽底自交链漏磁分布，(b)是(a)中方框圈出部分的局部放大图；

图9(a)是本发明隔断支撑桥式转子槽底自交链漏磁分布，(b)是(a)中方框圈出部分的局部放大图；

图10是三种不同结构电机的近轴处槽底自交链漏磁系数对比曲线；

图11是本发明一个实施例中正多边形T型齿连轭定子槽内空间示意图；

图12是传统结构定子槽内空间示意图；

图13是本发明一个实施例中五段样条转子冲片的各段样条分布示意图；

图14是本发明一个实施例的空载反电势谐波含量；

图15是本发明一个实施例中转子铁芯的分解结构示意图；

图16是本发明一个实施例中半连桥式叠片组的结构示意图。

附图标记说明

机壳1；

定子铁芯2；接触域22；填充域23；

T型齿连轭21；轭部211；定子槽底2111；弯折点2112；齿部212；斜肩式齿冠槽2121；外铆扣点213；内铆扣点214；

转子铁芯3；

全连桥式叠片组31；全连桥冲片311；外圆弧表面3111；包塑通孔3112；铆扣点3113；第一中心连接桥H1；支撑桥312；宽磁桥313；窄磁桥314；

半连桥式叠片组32；半连桥冲片321；半连桥冲片的外圆弧表面3211；半连桥冲片的包塑通孔3212；半连桥冲片的铆扣点3213；分离冲片322；分离冲片的外圆弧表面3221；分离冲片的包塑通孔3222；分离冲片的铆扣点3223；第二中心连接桥H2；隔断式支撑桥323；隔断式宽磁桥324；窄磁桥325；

永磁体4；轴5；绕组6；绝缘框架7。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

需要预先说明的是，在本申请的描述中，“轴向”一般指电机的轴向，即沿电机的旋转轴线的延伸方向。

如图1所示，本发明的一个实施例为永磁无刷直流电机，包括机壳1、定子铁芯2、转子铁芯3、永磁体4、轴5、绕组6和绝缘框架7。

如图3和4所示，定子铁芯2由12个T型齿连轭21围合而成，定子铁芯2与机壳1之间通过相邻T型齿连轭21之间的连接点接触，接触部位形成接触域22，各T型齿连轭21的轭部211的外表面或顶面为平面，其与圆形的机壳1的内壁之间的间隙形成填充域23，填充域23内可填充多种材料，本实例中，机壳1为团状模塑料，则在填充域23内也注入团状模塑料，即机壳1与填充材料为同一种材料，二者混合起到增强电机刚度，提高阻尼，吸收振动的作用。绕组6采用飞叉绕线，所设计的定子槽型可有效避免飞叉绕线干涉，提高大批量生产效率。

如图3所示，T型齿连轭21的轭部211的外表面与定子槽底2111平行，T型齿连轭21上设有内外两个大小不同的铆扣点，外铆扣点213的尺寸大于内铆扣点214的尺寸，本实施例中，外铆扣点213直径为1.2mm、内铆扣点214直径为1.0mm；外铆扣点213设于轭部211中心位置，内铆扣点214设于齿部212的齿冠中部；齿部212的齿冠形状为斜肩式，斜肩式齿冠槽2121的内斜面与齿部212径向边界的夹角为钝角，优选为120°，齿部212与轭部211的外表面或定子槽底2111垂直，斜肩式齿冠槽2121的直线段斜率为30°，齿部212最狭处宽度为5.2mm，轭部211高度为3.5mm，结合生产工艺计算，本实施例中，如图11所示，定子铁芯2的理论可绕槽面积相比于图12所示的传统圆形定子铁芯冲片的可绕槽面积提高8.5％。弯折点2112主要起到为定子铁芯2进行弯圆释放应力的作用。

如图2、15和16所示，本实施例中，转子铁芯3包括两个全连桥式叠片组31和一个半连桥式叠片组32，沿轴向叠装为半连桥式叠片组32位于两个全连桥式叠片组31之间，即两个全连桥式叠片组31分别位于转子铁芯3的两端，半连桥式叠片组32位于转子铁芯3的中间，这种转子铁芯结构可使得相邻扇区不对称，从而使近轴处的永磁体槽底自交链漏磁大幅降低，以提高功率密度。

半连桥式叠片组32由如图5所示的多片半连桥式叠片叠装形成，半连桥式叠片包括多个半连桥冲片321和多个分离冲片322，相邻两个半连桥冲片321之间设有一个分离冲片322，分离冲片322与半连桥冲片321不接触；多个半连桥冲片321两两之间具有隔断式支撑桥323；半连桥冲片321具有窄磁桥325，第一中心连接桥H1上设有隔断式宽磁桥324，隔断式宽磁桥324的宽度大于所述窄磁桥325的宽度。

全连桥式叠片组31由如图6所示的全连桥式叠片叠装形成，全连桥式叠片包括多个相邻之间具有支撑桥312的全连桥冲片311；相邻的两个全连桥冲片311中，其中一个沿径向向外凸起形成宽磁桥313，另一个沿径向向外凸起形成窄磁桥314，宽磁桥313的宽度大于窄磁桥314的宽度，全连桥式叠片轴向开有包塑通孔3112，半连桥式叠片轴向开有包塑通孔3212，采用塑性材料通过包塑通孔3112和3212贯通对转子铁芯3进行包裹加固，通过铆扣点3113、3213、3223定位连接，冲片的通孔边缘与相邻永磁体槽的边界距离为2.6mm，沿轴向叠装结构为A+B+A，一组全连桥式叠片31包含10片全连桥式叠片，一组半连桥式叠片32包括30片半连桥式叠片，与全部由半连桥式叠片形成转子的电机相比，本实施例电机的反电势系数提高34.4％。

如图6所示，全连桥式叠片为全连桥式结构，其中包括的10个全连桥冲片311均通过第一中心连接桥H1连为一体，第一中心连接桥H1包括多个支撑桥312、多个宽磁桥313和多个窄磁桥314，第一中心连接桥H1是一个连续的整体。本实施例所选永磁体4的厚度为5mm，窄磁桥314宽度为0.8mm，宽磁桥313宽度为1.5mm，磁桥长度为2.8mm，支撑桥312宽度为1.2mm。

如图5所示，半连桥式叠片为半连桥式结构，其中包括的5个分离冲片322均与第二中心连接桥H2断开，即5个分离冲片322未连接至第二中心连接桥H2，与第二中心连接桥H2处于分离状态，第二中心连接桥H2包括多个隔断式支撑桥323、多个隔断式宽磁桥324和多个窄磁桥325，第二中心连接桥H2是一个连续的整体。当然，分离冲片322的数量并不限于5个，可以是1-4个，也可以是其他数量。其中的窄磁桥325宽度为0.8mm，隔断式支撑桥323与永磁体4的间距为2.5mm，通过上述参数的优化，转子铁芯3近轴处的永磁体槽底自交链漏磁大幅降低，保证其他参数不变，分别对比全桥相连式转子结构、无隔断支撑桥式结构和本实施例的磁场分布，并计算自交链漏磁系数，参见图10，可得A全连桥式、B无隔断支撑桥式和C本发明混合桥式三种结构电机的槽底自交链漏磁系数分别为0.207、0.065、0.018，证明本实施例可大大降低槽底自交链漏磁系数，从而大幅提高电机的功率密度。

如图5、图6和图13所示，全连桥式叠片和半连桥式叠片的外圆弧表面均采用五段样条结构来降低转矩波动，改善电机振动噪音，每个转子扇区采用本结构，即中间一段与定子同心的圆心角为α的圆弧段主样条D、与圆弧段主样条D左右相邻的两段圆心角为β1的偏心圆弧线样条E及边缘两段圆心角为β2的直线段样条F，应满足α+2β1+2β2＝36°。

通过对比分析整圆结构转子、传统三段弧结构转子及本实施例的5段样条式转子，得到最优化的空载反电势畸变率仅为1.18％，相应的谐波成分如图14所示。在本实施例中，采用团状模塑料对转子表面进行包塑整形，并求得电机最高结构失效转速为19000rpm，超过电机实际运行转速6倍以上，证明本实施例的转子表面结构设计可保证气隙磁场的高正弦性及足够的结构强度。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (16)

1.一种高功率密度永磁电机，包括机壳(1)、定子铁芯(2)和转子铁芯(3)；所述定子铁芯(2)沿所述机壳(1)的内壁周向布设，所述转子铁芯(3)安装于所述定子铁芯(2)围成的空间内；其特征在于，

所述转子铁芯(3)包括至少两个全连桥式叠片组(31)和至少一个半连桥式叠片组(32)，其中所述全连桥式叠片组(31)中的叠片包括与第一中心连接桥(H1)均连接且沿周向分布的多个全连桥冲片(311)，所述半连桥式叠片组(32)中的叠片包括至少一个与第二中心连接桥(H2)断开且沿周向分布的分离冲片(322)，并且所述全连桥式叠片组(31)和所述半连桥式叠片组(32)沿轴向叠装为每个所述半连桥式叠片组(32)位于两个所述全连桥式叠片组(31)之间，以使所述转子铁芯(3)的相邻扇区不对称。

2.如权利要求1所述的高功率密度永磁电机，其特征在于，所述全连桥式叠片组(31)包括多片全连桥式叠片，相邻所述全连桥式叠片之间重合叠放；

所述半连桥式叠片组(32)包括多片半连桥式叠片，相邻所述半连桥式叠片之间重合叠放。

3.如权利要求1所述的高功率密度永磁电机，其特征在于，所述定子铁芯(2)由多个T型齿连轭(21)围合而成，各所述T型齿连轭(21)的外表面与定子槽底(2111)平行，T型齿连轭的齿部(212)与轭部(211)的边界面垂直，T型齿连轭(21)的数量与电机槽数相等。

4.如权利要求3所述的高功率密度永磁电机，其特征在于，各所述T型齿连轭(21)上设有内外两个大小不同的铆扣点，外铆扣点(213)的直径大于内铆扣点(214)的直径。

5.如权利要求3所述的高功率密度永磁电机，其特征在于，所述定子铁芯(2)的外边界呈正多边形结构；

所述定子铁芯(2)与所述机壳(1)在各所述T型齿连轭(21)的连接点接触形成接触域(22)，定子铁芯(2)与机壳(1)未接触的间隙通过注入填充材料形成填充域(23)。

6.如权利要求2所述的高功率密度永磁电机，其特征在于，所述全连桥式叠片包括多个全连桥冲片(311)，相邻所述全连桥冲片(311)之间具有支撑桥(312)；相邻的两个所述全连桥冲片(311)中，其中一个沿径向向外凸起形成宽磁桥(313)，另一个沿径向向外凸起形成窄磁桥(314)，所述宽磁桥(313)的宽度大于所述窄磁桥(314)的宽度。

7.如权利要求2所述的高功率密度永磁电机，其特征在于，所述半连桥式叠片包括多个半连桥冲片(321)和多个分离冲片(322)，相邻两个所述半连桥冲片(321)之间设有一个所述分离冲片(322)，分离冲片(322)与所述半连桥冲片(321)不接触；多个所述半连桥冲片(321)两两之间具有隔断式支撑桥(323)；所述半连桥冲片(321)具有窄磁桥(325)，所述第一中心连接桥(H1)上设有隔断式宽磁桥(324)，所述隔断式宽磁桥(324)的宽度大于所述窄磁桥(325)的宽度。

8.如权利要求6所述的高功率密度永磁电机，其特征在于，在至少一个叠压层内，相邻的所述宽磁桥(313)和窄磁桥(314)具有不同的长度，各自沿径向向外延伸形成第一扇区。

9.如权利要求8所述的高功率密度永磁电机，其特征在于，相邻所述扇区之间的槽内放置有永磁体(4)，相邻两个槽内所述永磁体(4)的极性相异，槽中对应的所述第一中心连接桥(H1)沿径向向外凸起形成所述支撑桥(312)；

所述支撑桥(312)与所述永磁体(4)接触。

10.如权利要求7所述的高功率密度永磁电机，其特征在于，在至少一个叠压层内，所述第二中心连接桥(H2)沿径向向外延伸形成所述窄磁桥(325)；

各所述窄磁桥(325)沿径向向外延伸形成第二扇区；所述窄磁桥(325)与所述第二扇区连接，所述隔断式宽磁桥(324)与所述第二扇区断开。

11.如权利要求10所述的高功率密度永磁电机，其特征在于，相邻的两个所述第二扇区面积不等。

12.如权利要求11所述的高功率密度永磁电机，其特征在于，相邻所述第二扇区之间的槽内放置有永磁体(4)，相邻两个槽内所述永磁体(4)的极性相异，槽中对应的所述第二中心连接桥(H2)沿径向向外延伸形成槽底凸起；

所述槽底凸起与所述永磁体(4)隔开。

13.如权利要求6所述的高功率密度永磁电机，其特征在于，各所述全连桥冲片(311)的外圆弧表面包括多段用于降低转矩波动的样条；

所述样条至少包括圆弧段主样条和分设于所述圆弧段主样条两侧的直线段样条。

14.如权利要求13所述的高功率密度永磁电机，其特征在于，所述样条包括圆弧段主样条、分设于所述圆弧段主样条两侧的圆弧段样条和分设于两个所述圆弧段样条外侧的直线段样条。

15.如权利要求7所述的高功率密度永磁电机，其特征在于，各所述半连桥冲片(321)和各所述分离冲片(322)的外圆弧表面均包括多段用于降低转矩波动的样条；

所述样条至少包括圆弧段主样条和分设于所述圆弧段主样条两侧的直线段样条。

16.如权利要求15所述的高功率密度永磁电机，其特征在于，所述样条包括圆弧段主样条、分设于所述圆弧段主样条两侧的圆弧段样条和分设于两个所述圆弧段样条外侧的直线段样条。