CN110752690A - 一种永磁电机 - Google Patents

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周昊宇
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Abstract

一种永磁电机，包括定子结构和转子结构，转子结构包括永磁体和转子轭，永磁体与转子轭通过榫卯结构定位，永磁体和转子轭固定。榫卯是指在永磁体和转子轭上采用凹凸部位相结合的连接方式。榫卯结构的存在，实现转子轭和永磁体绕轴转动自由度的统一，增强扭矩的传递，防止永磁体脱离转子轭，提高永磁体与转子轭的连接可靠性；并且增大了转子轭和永磁体之间的粘接面积。本发明优点在于以榫卯结构加固转子轭与永磁体之间的连接关系，提高转子的牢固性和可靠性、利于扭矩传递。

Description

一种永磁电机
技术领域
本发明涉及一种永磁电机，特别是一种转子永磁型电机。
背景技术
永磁电机通过定子电枢电流与转子上或者转子内的永磁体相互作用产生转矩。以表贴式永磁电机为例，传统的转子表贴式永磁电机如图1所示，表贴式的磁极呈瓦片状，磁极的内表面是与转子铁芯表面匹配的圆弧形，磁极的外表面也呈圆弧形，所有磁极固定在转子铁芯表面时形成一个完整的圆。现有的表贴式电机采用胶粘固定的方式实现磁极与转子轭的固定，而电机在长时间工作后，由于振动疲劳、防护层老化等问题，胶粘材料难以为永磁体与转子铁芯提供足够的粘接力，是永磁体磁极可能会松动而不能牢靠固定，降低转子的可靠性。
以双定子转子交替极永磁电机为例，磁极呈瓦片状，磁极的内表面和外表面均呈圆弧形，通过胶粘固定的方式将磁极的两个侧面与转子轭固定，转子轭为硅钢材料。这种交替极转子也会由于振动疲劳、防护层老化等问题，胶粘材料难以为永磁体与转子铁芯提供足够的粘接力，是永磁体磁极可能会松动而不能牢靠固定，降低转子的可靠性。
另外，转子表贴式永磁电机的定子齿的齿顶面通常采用圆弧面，从而使得定子齿的齿顶部分厚度均匀。齿顶面是指定子齿靠近转子和气隙的表面，每个定子齿有两个齿尖，相邻的两个定子齿之间为定子槽，齿尖靠近定子槽的开口。传统的定子齿的形状由于齿尖部分的聚磁效应，齿尖的磁通密度会比齿顶的其余部分要大，使得整个此回路的磁阻上升，进而使得线圈的反电动势下降，转子在负载时转矩下降。
发明内容
本发明的目的在于提供一种永磁体与转子铁芯（转子轭）连接可靠性高、并且通过改进传统电机结构增强电磁性能的永磁电机。
一种永磁电机，包括定子结构和转子结构，转子结构包括永磁体和转子轭，其特征在于：永磁体与转子轭通过榫卯结构定位，永磁体和转子轭固定。榫卯是指在永磁体和转子轭上采用凹凸部位相结合的连接方式。榫卯结构的存在，实现转子轭和永磁体绕轴转动自由度的统一，增强扭矩的传递，抵抗一部分离心力作用；并且增大了转子轭和永磁体之间的接触面积。转子轭与永磁体的固定方式包括粘接固定，将永磁体安装在永磁体盒子上再焊接或者通过螺钉或卡槽的方式将永磁体与转子轭固定。制作转子轭的材料是硅钢材料。
优选的，榫卯结构包括位于转子上的凸起和位于永磁体上的凹槽，每个凸起对应一个凹槽。优选的，每个永磁体上有一个或多个凹槽，有多个凹槽时，多个凹槽沿永磁体的圆弧分布，和、或多个凹槽沿永磁体的轴向分布。优选的，凸起为圆弧形凸起或者半球形凸起，凹槽为与凸起匹配的圆弧形凹槽和半球形凹槽；或者，凸起为燕尾台，凹槽为燕尾槽；或者，凸起为矩形或梯形或正方形凸起，凹槽为与凸起匹配的矩形或梯形或正方形凹槽。
榫卯结构定位应用于转子表贴式永磁电机，永磁体设置于转子轭的外表面，榫卯结构设置于永磁体与转子轭之间。
榫卯结构定位应用于转子交替极永磁电机，转子包括交替分布的永磁体和转子轭，永磁体和转子轭拼成一个完整的圆筒形转子。
本发明的另一方面，通过改变永磁体外表面的轮廓曲线、以及改变定子齿顶形状，实现对转矩波动的抑制、并且提高平均转矩。
作为优选的方案，在横截面上，永磁体内轮廓线呈圆弧，永磁体的外轮廓线呈向外凸的半椭圆，内表面和外表面之间为直线段。内轮廓线对应永磁体的内表面，即与转子轭贴合或靠近内定子的面；外轮廓线对应永磁体的外表面，即靠近外定子的面。椭圆的半长轴长度为a，2a应等于永磁体最大宽度，椭圆的半短轴长度为b，b作为优化变量，一方面满足气隙最小加工精度，一方面优化电磁性能，如齿槽转矩幅值最小，平均转矩最大。
本发明的另一方面，通过改变定子齿的齿顶面形状，降低整个磁回路的磁阻，进而提高绕组反向电动势，提高负载情况下的转矩大小。
作为优选的方案，在横截面上，定子齿的齿顶面为cos曲面。cos曲面是指以cos曲线作为定子齿齿顶面的横截面轮廓线，然后再将定子齿横截面图形沿轴向拉伸成型，形成的齿顶面为cos曲面。针对cos曲面，在横截面上，齿顶线的公式表示为
Figure DEST_PATH_IMAGE001
,a可以作为优化变量，同样的，一方面满足气隙最小加工精度，一方面优化电磁性能。
本发明优点在于：1、以榫卯结构加固转子轭与永磁体之间的连接关系，提高转子的牢固性和可靠性、利于扭矩传递。2、将永磁体外表面设置为椭圆曲面，即永磁体横截面的外轮廓为椭圆，抑制转矩波动、提高平均转矩。3、将定子齿的齿顶面设置为cos曲面，降低整个磁回路的磁阻，进而提高绕组反向电动势，提高负载情况下的转矩大小。
附图说明
图1传统的表贴式永磁电机的示意图，其中a是传统的16p12s表贴式永磁电机的横截面示意图，b是永磁体的横截面示意图。
图2是单元磁极开单个半圆槽的表贴式永磁电机，其中a是永磁电机的横截面示意图，b是永磁体的横截面示意图。
图3传统结构与单元磁极开单个半圆槽对比 (a)齿槽转矩波形；(b)Back-EMF波形；（c）I=10A时电磁转矩波形。
图4单元磁极开两个半圆槽的表贴式永磁电机 (a)整个电机；(b)表贴式磁极。
图5传统结构与单元磁极开两个半圆槽对比 (a)齿槽转矩波形；(b)Back-EMF波形；（c）I=10A时电磁转矩波形。
图6单元磁极开单个燕尾槽的表贴式永磁电机 (a)整个电机；(b)表贴式磁极。
图7传统结构与单元磁极开一个燕尾槽对比 (a)齿槽转矩波形；(b)Back-EMF波形；（c）I=10A时电磁转矩波形。
图8单元磁极开两个燕尾槽的表贴式永磁电机 (a)整个电机；(b)表贴式磁极。
图9传统结构与单元磁极开两个燕尾槽对比 (a)齿槽转矩波形；(b)Back-EMF波形；（c）I=10A时电磁转矩波形。
图10是由榫卯结构的双定子转子交替极永磁电机的示意图。
图 11是图10的内定子反电动势波形对比图。
图12是图10的外定子反电动势波形对比图。
图 13是电磁转矩波形对比图。
图14是传统的14p15s转子表贴式永磁电机，（a）整个电机，（b）齿顶。
图 15是传统的14p15s转子表贴式永磁电机磁密分布，（a）整个电机，（b）齿顶。
图16是采用cos型曲面作为定子齿表面的14p15s转子表贴式永磁电机，（a）整个电机，（b）齿顶。
图 17是 采用cos型曲面作为定子齿表面的14p15s转子表贴式永磁电机磁密分布，（a）整个电机，（b）齿顶。
图18是cos型曲面和圆弧型曲面的定子齿齿顶面的对比图。
图 19是采用circle和cos型曲面作为定子齿表面的14p15s转子表贴式永磁电机的back-EMF波形及其频谱，（a）back-EMF波形，（b）频谱。
图20 采用cos型曲面作为定子齿表面的14p15s转子表贴式永磁电机负载转矩对比。
图21是采用cos型曲面作为定子齿表面的14p15s转子表贴式永磁电机负载转矩对比。
图 22是外轮廓为椭圆形的永磁体形状。
图23是电机结构示意图，其中(a)是新型磁极形状 ，(b)是传统磁极形状。
图 24是图23的电机的齿槽转矩波形。
图 25是图23的电机的反电动势谐波分析。
图 26是图23的电机的电磁转矩波形。
图27是新型的10p12s表贴式永磁电机 (a)整个电机；(b)表贴式磁极；（c）齿顶。
图 28是传统结构与本实施例对比 (a)齿槽转矩波形；（b）I=10A时电磁转矩波形。
图 29 是传统的10p12s表贴式永磁电机 (a)整个电机；(b)表贴式磁极；（c）齿顶。
图 30是新型的10p12s表贴式永磁电机 (a)整个电机；(b)表贴式磁极；（c）齿顶。
图31是传统结构与本实施例对比 (a)齿槽转矩波形；（b）I=10A时电磁转矩波形。
具体实施方式
结合附图，详细说明本发明的实施方案。
一种永磁电机，包括定子结构和转子结构，转子结构包括永磁体1和转子轭2。永磁电机通过定子电枢电流与转子上或者转子内的永磁体1相互作用产生转矩。
榫卯结构
一种永磁电机，永磁体1与转子轭2通过榫卯结构定位，永磁体1和转子轭2粘接固定。其余结构均可采用现有的永磁电机结构相同。榫卯是指在永磁体1和转子轭2上采用凹凸部位相结合的连接方式。榫卯结构的存在，实现转子轭2和永磁体1绕轴转动自由度的统一，增强扭矩传递，防止永磁体脱离转子轭，提高永磁体与转子轭的连接可靠性；并且增大了转子轭2和永磁体1之间的粘接面积。
榫卯结构定位应用于转子表贴式永磁电机，永磁体1设置于转子轭2的外表面，榫卯结构设置于永磁体1与转子轭2之间。
实施例1
转子表贴式永磁电机，永磁体1与转子轭2通过榫卯结构定位，永磁体1和转子轭2粘接固定；永磁体1设置于转子轭2的外表面，榫卯结构设置于永磁体1与转子轭2之间，榫卯结构包括单元磁极开设的单个半圆槽，和转子轭2上设置的与半圆槽匹配的半圆凸起，如图2所示。
如图3所示，在保持永磁体1用量不变的前提下，采用传统结构和单元磁极开单个半圆槽的16p12s转子表贴式永磁电机，齿槽转矩的峰峰值分别为147.99mNm与364.24mNm，本实施例下降了59.37%，能够有效渐少电机的转矩波动。
反电动势的基波有效值分别为10.37V与10.19V，本实施例略微下降了1.74%。
电磁转矩平均值分别为6.47Nm和6.35Nm，本实施例略微下降了1.85%；同时，电磁转矩波动范围分别为0.86Nm和0.67Nm，本实施例下降了22.1%，电机运行的平稳性有明显提升。
实施例2
转子表贴式永磁电机，榫卯结构包括单元磁极开设的两个半圆槽，和转子轭2上设置的与半圆槽匹配的半圆凸起，如图4所示。本实施例与实施例1除了榫卯结构的具体形式不同以外，其余都与实施例1相同。
如图5所示，在保持永磁体1用量不变的前提下，采用传统结构和单元磁极开两个半圆槽的16p12s转子表贴式永磁电机，齿槽转矩的峰峰值分别为176.21mNm与364.24mNm，本实施例下降了51.62%，能够有效渐少电机的转矩波动。
反电动势的基波有效值分别为10.37V与10.44V，本实施例提升了0.68%，。
电磁转矩平均值分别为6.47Nm和6.51Nm，本实施例提升了0.62%；同时，电磁转矩波动范围分别为0.86Nm和0.68Nm，本实施例下降了20.9%，电机运行的平稳性有明显提升。
实施例3
转子表贴式永磁电机，榫卯结构包括单元磁极开单个燕尾槽，和转子轭2上设置的燕尾台，如图6所示。本实施例与实施例1除了榫卯结构的具体形式不同以外，其余都与实施例1相同。
如图7所示，在保持永磁体1用量不变的前提下，采用传统结构和单元磁极开单个燕尾槽的16p12s转子表贴式永磁电机，齿槽转矩的峰峰值分别为342.97mNm与364.24mNm，本实施例下降了5.839%，能够有效渐少电机的转矩波动。
反电动势的基波有效值分别为10.37V与10.16V，本实施例略微减少了2.03%。
电磁转矩平均值分别为6.47Nm和6.33Nm，本实施例略微减少了2.16%；同时，电磁转矩波动范围分别为0.86Nm和0.78Nm，本实施例下降了9.31%，电机运行的平稳性有明显提升。
实施例4
转子表贴式永磁电机，榫卯结构包括单元磁极开设的两个燕尾槽，和转子轭2上设置的燕尾台，如图8所示。本实施例与实施例1除了榫卯结构的具体形式不同以外，其余都与实施例1相同。
如图9所示，在保持永磁体1用量不变的前提下，采用传统结构和单元磁极开两个燕尾槽的16p12s转子表贴式永磁电机，齿槽转矩的峰值分别为322.60mNm与364.24mNm，本实施例下降了11.43%，能够有效渐少电机的转矩波动。
反电动势的基波有效值分别为10.37V与10.38V，本实施例增加了0.11%。
电磁转矩平均值分别为6.47Nm和6.48Nm，本实施例略微减少了0.15%；同时，电磁转矩波动范围分别为0.86Nm和0.81Nm，本实施例下降了5.81%，电机运行的平稳性有明显提升。
从实施例1-实施例4可知，榫卯结构定位永磁体1和转子轭2的有益效果如下：
（1）单元磁极的内弧面加工有一个或多个半圆槽或燕尾槽结构，转子铁芯的外圆表面沿轴向加工有半圆键或燕尾键结构；转子铁芯的半圆键或燕尾键嵌入单元磁极的半圆槽或燕尾槽中，且单元磁极的内弧面与筒体的外圆配合。在电机安装时，永磁磁极能够通过槽键位置进行定位；
（2）在电机运行过程中，永磁磁极通过槽键配合的结构将转矩直接传递给转子铁芯，提高了永磁磁极固定的可靠性和电机运行的稳定性；
（3）该结构能够明显减小电机的齿槽转矩，从而减小电机电磁转矩的波动，大大提高电机运行的平稳性；与此同时，电机运行时反电动势和平均电磁转矩无明显变化。
实施例5
一种永磁电机，包括定子结构和转子结构，转子结构包括永磁体1和转子轭2，永磁体1与转子轭2通过榫卯结构定位，永磁体1和转子轭2粘接固定。榫卯结构定位应用于转子交替极永磁电机，转子包括交替分布的永磁体1和转子轭2，永磁体1和转子轭2拼成一个完整的圆筒形转子。本实施例是一种双定子交替极电机，除了交替极转子中永磁体1和转子轭2之间设置榫卯结构以外，其余均可采用现有的双定子交替极电机的结构。
以12槽5对交替极的双定子永磁电机为例，以相同永磁体1内径、相同等效气隙长度、相同其余电机尺寸参数为约束条件，对比该新型双定子电机转子结构的性能。电机性能如图11-图 13所示，可以发现新型双定子电机转子结构下电机的内、外反电动势和额定电磁转矩均与传统磁极吻合，证明了其能在保证原有电磁性能的基础上便于永磁体1安装定位，加强转子结构强度。
实施例6
本实施例与实施例5的区别在于：转子铁芯为一个整体，永磁体1分别嵌入转子铁芯中开的瓦片形孔中实现定位从而形成交替极转子结构；其中永磁体1上下边对应的转子铁芯经高温处理实现变性，从而起到减小漏磁的作用，如图14所示。其余结构都与实施例5相同。
定子齿的齿顶面
传统的转子表贴式永磁电机如图15（a）所示，其定子齿3如图15（b）所示，定子齿3表面常常采用圆弧面，使得整个定子齿3顶部分的厚度均匀。这里，齿顶表示定子齿3靠近转子及气隙的一侧，齿尖表示齿顶靠近槽开口的两侧。
但是，这种传统齿尖的形状会带来一个明显的缺点，由于齿尖部分的聚磁效应，齿尖的磁密会比齿顶的其余部分要大，因此，采用传统的圆弧型的定子齿3表面会带来较大的齿尖磁密，使得整个磁回路的磁阻上升，进而使得线圈的反电动势下降，使得在负载时的转矩下降，如图16所示。
因此，为了降低齿尖的磁密饱和的现象，通过采用cos型曲面来代替圆弧型曲面作为定子齿3表面，这样使得齿尖部分在径向上的厚度比齿顶其它位置的厚度要厚，减小齿尖部分的磁密，降低整个磁回路的磁阻，进而提高绕组反电动势的大小，提高负载情况下的转矩大小。
实施例7
一种永磁电机，如图17所示，包括定子、转子和永磁体1，永磁体1粘接于转子轭2外表面，永磁体1的内表面和外表面均呈圆弧形，所有永磁体1拼成一个完整的圆；定子齿3采用cos型曲面来代替圆弧型曲面作为定子齿3表面。图17所示的电机的磁通密度分布图如图19所示。本实施例除了永磁体1的定子齿采用cos型曲面代替圆弧型曲面作为定子齿3的表面以外，其余结构均可采用现有的永磁电机结构。
如图20所示，空载反电动势对比结果显示，采用circle型和cos型曲面作为定子齿3表面的14p15s转子表贴式永磁电机的空载反电动势的基波有效值分别为5.59 V和5.68V, 新型结构提高了约1.6%。
如图21所示，负载转矩对比结果显示，采用cos型曲面和 circle型（圆弧型）作为定子齿3表面的14p15s转子表贴式永磁电机的负载转矩的平均值分别为2.05 Nm和2.02Nm, cos型曲面作为齿顶面的电机负载转矩的平均值提高了约1.5%。
实施例8
用于表贴式永磁同步电机中的永磁体1，如图22所示，在横截面上，永磁体1内轮廓线呈圆弧，永磁体1的外轮廓线呈向外凸的半椭圆，内表面和外表面之间为直线段。内轮廓线对应永磁体1的内表面，即与转子轭2贴合或靠近内定子的面；外轮廓线对应永磁体1的外表面，即靠近外定子的面。其中，AB段为半椭圆，AD段与BC段是半径方向上的线段，DC段为圆弧。本实施例除了永磁体1的外表面为椭圆面以外，其余结构均可采用现有的永磁电机结构。
以10p12s表贴式永磁同步电机为例，以相同永磁体1体积、相同永磁体1内径、相同等效气隙长度为约束条件，对比该新型永磁体1形状与传统磁性形状的性能，电机结构如图23所示。电机性能如图24-图26所示，可以发现本实施例的电机反电动势基波幅值与平均转矩较大，且齿槽转矩，反电动势谐波，转矩波动得到抑制。
实施例9
转子表贴式永磁电机，榫卯结构包括单元磁极开设的两个半圆槽，和转子轭2上设置的与半圆槽匹配的半圆凸起；永磁体1，在横截面上，永磁体1内轮廓线呈圆弧，永磁体1的外轮廓线呈向外凸的半椭圆，内表面和外表面之间为直线段，如图27所示。本实施例除了在单元磁极（永磁体1）和转子轭2之间设置榫卯结构，永磁体1的永磁体的外表面采用椭圆面以外，其余结构均可采用现有的永磁电机结构。
如图28所示，在保持永磁体1用量不变的前提下，采用传统结构和本实施例的10p12s转子表贴式永磁电机，齿槽转矩的峰峰值分别为234.36mNm与68.90mNm，本实施例下降了70.60%，能够有效渐少电机的转矩波动。
电磁转矩平均值分别为6.166Nm和6.411Nm，本实施例提升了3.822%；同时，电磁转矩波动范围分别为0.382Nm和0.324Nm，本实施例下降了15.183%，电机运行的平稳性有所提升。
实施例10
传统的转子表贴式永磁电机如图29（a）所示，其磁极如图29（b）所示，定子齿3如图29（c）所示。磁极内、外弧面往往采用圆弧面，采用胶粘固定的方法固定在转子铁芯上；定子齿3表面常常采用圆弧面，使得整个定子齿3顶部分的厚度均匀。
本实施例的永磁电机，包括转子和定子，单元磁极固定于转子上，单元磁极的内弧面加工有一个半圆槽结构，转子铁芯的外圆表面沿轴向加工有半圆键结构，转子铁芯的半圆键嵌入单元磁极的半圆槽中，且单元磁极的内弧面与筒体的外圆配合；单元磁极的外表面采用椭圆曲面；定子齿3表面采用cos型曲面。其余结构均可采用现有的永磁电机结构。
如图31所示，在保持永磁体1用量不变的前提下，采用传统结构和本实施例的10p12s转子表贴式永磁电机，齿槽转矩的峰峰值分别为234.36mNm与136.74mNm，本实施例下降了41.65%，能够有效渐少电机的转矩波动。
电磁转矩平均值分别为6.166Nm和6.565Nm，本实施例提升了6.078%；同时，电磁转矩波动范围分别为0.382Nm和0.374Nm，本实施例下降了2.094%，电机运行的平稳性有所提升。
本发明中的永磁体1、单元磁极、磁极等，均是指永磁体电机中的永磁体1。
本实施例的有益效果如下：
（1）单元磁极的内弧面加工有半圆槽结构，转子铁芯的外圆表面沿轴向加工有半圆键结构；转子铁芯的半圆键嵌入单元磁极的半圆槽中，且单元磁极的内弧面与筒体的外圆配合。在电机安装时，永磁磁极能够通过槽键位置进行定位；
（2）在电机运行过程中，永磁磁极通过槽键配合的结构将转矩直接传递给转子铁芯，提高了永磁磁极固定的可靠性和电机运行的稳定性；
（3）该结构能够明显减小电机的齿槽转矩，从而减小电机电磁转矩的波动，大大提高电机运行的平稳性；
（3）该结构通过对磁极外弧面和齿顶形状进行改进，提高反电动势的基波有效值，从而提高电机运行时的平均电磁转矩。

Claims (7)

1.一种永磁电机，包括定子结构和转子结构，转子结构包括永磁体和转子轭，其特征在于：永磁体与转子轭通过榫卯结构定位，永磁体和转子轭固定，永磁体内轮廓线呈圆弧，永磁体的外轮廓线呈向外凸的半椭圆，内表面和外表面之间为直线段。
2.如权利要求1所述的永磁电机，其特征在于：榫卯结构包括位于转子上的凸起和位于永磁体上的凹槽，每个凸起对应一个凹槽。
3.如权利要求2所述的永磁电机，其特征在于：每个永磁体上有一个或多个凹槽，有多个凹槽时，多个凹槽沿永磁体的圆弧分布，和、或多个凹槽沿永磁体的轴向分布。
4.如权利要求2所述的永磁电机，其特征在于：凸起为圆弧形凸起或者半球形凸起，凹槽为与凸起匹配的圆弧形凹槽和半球形凹槽；或者，凸起为燕尾台，凹槽为燕尾槽；或者，凸起为矩形或梯形或正方形凸起，凹槽为与凸起匹配的矩形或梯形或正方形凹槽。
5.如权利要求1所述的永磁电机，其特征在于：该永磁电机为转子表贴式永磁电机，永磁体设置于转子轭的外表面，榫卯结构设置于永磁体与转子轭之间。
6.如权利要求1所述的永磁电机，其特征在于：该永磁电机为转子交替极永磁电机，转子包括交替分布的永磁体和转子轭，永磁体和转子轭拼成一个完整的圆筒形转子。
7.如权利要求1所述的永磁电机，其特征在于：永磁体的横截面上，定子齿的齿顶面为cos曲面。
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