CN111106686B - 电机转子、磁阻电机和电动汽车 - Google Patents

电机转子、磁阻电机和电动汽车 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种电机转子、磁阻电机和电动汽车。该电机转子包括转子铁芯，转子铁芯包括沿周向间隔设置的多个磁障组，每个磁障组包括多个磁通屏障，磁通屏障包括第一段、第二段、第三段、第四段、第五段、第六段和第七段，第一段、第二段和第三段依次连接，第一段和第三段分别位于磁障组所在极的D轴的两侧，第二段位于D轴上，第四段和第五段位于D轴的第一侧，第六段和第四段关于D轴对称，第七段和第五段关于D轴对称，各磁通屏障内均设置有第一永磁体。根据本申请的电机转子，能够有效提升电机转子的永磁体产生的磁通量，加大了具有该电机转子的电机单位电流下的电磁转矩，提高电机性能，进而增大电机的效率。

Description

电机转子、磁阻电机和电动汽车
技术领域
本申请涉及电机设备技术领域，具体涉及一种电机转子、磁阻电机和电动汽车。
背景技术
永磁同步电机是一种在转子内侧放置一层永磁体，主要利用永磁转矩，磁阻转矩为辅的电动机。
磁阻转矩与永磁转矩的合成公式如下：T＝mp(Lq-Ld)idiq+mpψPMiq。
其中，T为电动机输出转矩，提高T的值，可以提高电动机性能；T后等式中的第一项为磁阻转矩，第二项为永磁转矩；ψPM为电动机永磁体产生的定转子耦合磁通的最大值，m为定子导体的相数，p为电机极对数，Ld、Lq分别为d轴和q轴电感，其中d轴指与主磁极轴线重合的轴，q轴指与主磁极轴线垂直的轴，其中的垂直指的是电角度；id、iq分别是电枢电流在d轴、q轴方向上的分量。由上述合成公式可知，通过增加第二项的永磁转矩以及通过提高电动机d轴和q轴的电感差值都可以实现电动机输出转矩T的提高。
现有技术中主要通过提高永磁体的性能来提高电动机性能，即通过提高永磁转矩的做法来提高合成转矩的值，进而提高电动机效率，常见的做法就是内置稀土类永磁体。但是，由于稀土是不可再生资源，且价格昂贵，因此该种电动机更广泛的应用受到了限制。
而实际上，永磁转矩在很大程度上取决于永磁体的性能，现有的永磁体的加工过程中需要用到稀土材料，稀土材料的使用会造成环境破坏，增加产品的成本，不利于资源的优化利用。
另外，由于受转子体积的限制，同时考虑到磁阻转矩的利用，转子每极下的永磁体的占有率存在极限值，这同样限制了电动机效率的提高。
发明内容
因此，本申请要解决的技术问题在于提供一种电机转子、磁阻电机和电动汽车，能够有效提升电机转子的永磁体产生的磁通量，加大了具有该电机转子的电机单位电流下的电磁转矩，提高电机性能，进而增大电机的效率。
为了解决上述问题，本申请提供一种电机转子，包括转子铁芯，转子铁芯包括沿周向间隔设置的多个磁障组，每个磁障组包括多个磁通屏障，磁通屏障包括第一段、第二段、第三段、第四段、第五段、第六段和第七段，第一段、第二段和第三段依次连接，第一段和第三段分别位于磁障组所在极的D轴的两侧，第二段位于D轴上，第四段和第五段位于D轴的第一侧，且第四段的延伸方向与第一段的延伸方向一致，第五段的第一端连接在第四段的径向内端，第五段的第二端连接至第一段和第二段的连接位置处，第六段和第四段关于D轴对称，第七段和第五段关于D轴对称，各磁通屏障内均设置有第一永磁体。
优选地，第一段、第三段为弧形，第二段为直线形；或，第一段、第三段为直线形，第二段为弧形；或，第一段、第二段和第三段均为弧形；或，第一段、第二段和第三段均为直线形。
优选地，第四段和第六段为弧形，第五段和第七段为直线形；或，第四段和第六段为直线形，第五段和第七段为弧形；或，第四段、第五段、第六段和第七段均为直线形；或，第四段、第五段、第六段和第七段均为弧形。
优选地，第一段、第二段和第三段形成开口朝向转子铁芯的外圆的凹槽，凹槽内设置有从凹槽的第一侧边延伸至第二侧边的安装槽，安装槽内设置有第二永磁体，安装槽与第一段、第二段和第三段形成的磁通屏障之间形成导磁通道。
优选地，第二永磁体为一字型；或，第二永磁体为V形；或，第二永磁体为弧形。
优选地，第二永磁体的两端形成空气槽，空气槽沿径向向转子铁芯的外圆延伸，空气槽与第一段内的第一永磁体之间的最小距离为D1，第一段内的第一永磁体的厚度为D2，K＝D1/D2，其中2≤K≤5。
优选地，2.7≤K≤3.8。
优选地，第四段和第五段均为直线形，第四段和第五段形成V形槽，V形槽的夹角为α，电机极对数为p，定义角度β＝360/2/p，定义J＝α/β，其中0.6≤J≤0.8。
优选地，0.65≤J≤0.75。
优选地，第四段和第五段至少之一为弧形，第四段和第五段在相交位置处的切边形成夹角α，电机极对数为p，定义角度β＝360/2/p，定义J＝α/β，其中0.6≤J≤0.8。
优选地，第一永磁体的剩磁小于第二永磁体的剩磁。
优选地，第一永磁体和第二永磁体均采用非稀土永磁材料制成。
根据本申请的另一方面，提供了一种磁阻电机，包括电机转子和电机定子，该电机转子为上述的电机转子。
根据本申请的另一方面，提供了一种电动汽车，包括上述的电机转子或上述的磁阻电机。
本申请提供的电机转子，包括转子铁芯，转子铁芯包括沿周向间隔设置的多个磁障组，每个磁障组包括多个磁通屏障，磁通屏障包括第一段、第二段、第三段、第四段、第五段、第六段和第七段，第一段、第二段和第三段依次连接，第一段和第三段分别位于磁障组所在极的D轴的两侧，第二段位于D轴上，第四段和第五段位于D轴的第一侧，且第四段的延伸方向与第一段的延伸方向一致，第五段的第一端连接在第四段的径向内端，第五段的第二端连接至第一段和第二段的连接位置处，第六段和第四段关于D轴对称，第七段和第五段关于D轴对称，各磁通屏障段内均设置有第一永磁体。本申请中利用永磁体隔断导磁通道，从而增大永磁体的设置体积，改善永磁体的设置结构，增大永磁体的使用量，有效地增大了永磁体的表面积，进而有效地提升了转子结构的永磁体产生的磁通量，等同于增大永磁转矩部分中的ψPM分量，加大了具有该转子结构的电机单位电流下的电磁转矩，提高电机性能，进而增大电机的效率。
附图说明
图1为本申请实施例的电机转子的结构示意图；
图2为本申请实施例的电机转子的尺寸结构图；
图3为本申请实施例的电机与现有技术中的电机的输出转矩曲线对比图。
附图标记表示为：
1、第一段；2、第二段；3、第三段；4、第四段；5、第五段；6、第六段；7、第七段；8、转子铁芯；9、凹槽；10、安装槽；11、第一永磁体；12、第二永磁体；13、空气槽；14、电机定子。
具体实施方式
磁阻转矩与永磁转矩的合成公式如下：T＝mp(Lq-Ld)idiq+mpψPMiq
上述公式中，T为电动机输出转矩，提高T的值，可以提高电动机性能；T后等式中的第一项为磁阻转矩，第二项为永磁转矩；通过上式可以看出，提高电机的效率可以增大电机的永磁转矩或磁阻转矩，本申请是从永磁转矩的角度来提高磁阻电机的输出转矩，同时减少对稀土的依赖，减少对环境的破坏，降低生产成本。
结合参见图1至图3所示，根据本申请的实施例，电机转子包括转子铁芯8，转子铁芯8包括沿周向间隔设置的多个磁障组，每个磁障组包括多个磁通屏障，磁通屏障包括第一段1、第二段2、第三段3、第四段4、第五段5、第六段6和第七段7，第一段1、第二段2和第三段3依次连接，第一段1和第三段3分别位于磁障组所在极的D轴的两侧，第二段2位于D轴上，第四段4和第五段5位于D轴的第一侧，且第四段4的延伸方向与第一段1的延伸方向一致，第五段5的第一端连接在第四段4的径向内端，第五段5的第二端连接至第一段1和第二段2的连接位置处，第六段6和第四段4关于D轴对称，第七段7和第五段5关于D轴对称，各磁通屏障内均设置有第一永磁体11。
本申请中利用永磁体隔断导磁通道，从而增大永磁体的设置体积，改善永磁体的设置结构，增大永磁体的使用量，有效地增大了永磁体的表面积，进而有效地提升了转子结构的永磁体产生的磁通量，等同于增大永磁转矩部分中的ψPM分量，加大了具有该转子结构的电机单位电流下的电磁转矩，提高电机性能，进而增大电机的效率。
本申请中，其中第一段1、第二段2、第三段3形成第一层磁通屏障，第四段4和第六段6形成中间断开的第二层磁通屏障，第四段4通过第五段5将第一层磁通屏障和第二层磁通屏障之间的导磁通道断开，使得磁阻磁路无法经过位于D轴第一侧的第一层磁通屏障和第二层磁通屏障之间的导磁通道，同时由于第五段5内设置有永磁体，因此可以增大永磁体的永磁转矩，提高电机的输出转矩。同样地，第六段6通过第七段7将位于D轴第二侧的第一层磁通屏障和第二层磁通屏障之间的导磁通道断开，使得磁阻磁路无法经过第一层磁通屏障和第二层磁通屏障之间的导磁通道，由于第七段7内设置有永磁体，因此可以增大永磁体的永磁转矩，提高电机的输出转矩。
第一段1、第三段3为弧形，第二段2为直线形；或，第一段1、第三段3为直线形，第二段2为弧形；或，第一段1、第二段2和第三段3均为弧形；或，第一段1、第二段2和第三段3均为直线形。
第一层磁通屏障的形态可以为多种，例如可以为弧形、U形或者是梯形，第一层磁通屏障从D轴的第一侧延伸至第二侧，且第一层磁通屏障的两端均延伸至转子铁芯8的外圆处，并与转子铁芯8的外圆之间形成隔磁桥。第一层磁通屏障关于D轴对称。第一层磁通屏障的形态也可以为其它的形态，只要是第一段1、第二段2、第三段3能够组合形成的形态均是可以的。
第四段4和第六段6为弧形，第五段5和第七段7为直线形；或，第四段4和第六段6为直线形，第五段5和第七段7为弧形；或，第四段4、第五段5、第六段6和第七段7均为直线形；或，第四段4、第五段5、第六段6和第七段7均为弧形。
第四段4和第六段6所形成的第二层磁通屏障的结构形式也可以为多样，优选地，第一层磁通屏障和第二层磁通屏障的基本形态相同。
第五段5和第七段7的设置是为了增大永磁体的使用量，因此其结构形态的选择可以更加多样化，只要能够连接在第一层磁通屏障和第二层磁通屏障之间，从而隔断第一层磁通屏障和第二层磁通屏障之间的导磁通道即可。
在本实施例中，第一层磁通屏障为平底V形或者U形，第四段4和第五段5形成V形磁通屏障，第六段6和第七段7形成V形磁通屏障，从而形成UV组合形磁通屏障。由于在U形磁通屏障的两侧分别形成有V形磁通屏障，且磁通屏障内设置有永磁体，因此有效地增大了永磁体的表面积，进而有效地提升了转子结构的永磁体产生的磁通量，加大了具有该转子结构的电机单位电流下的电磁转矩，提高电机性能，进而增大电机的效率。
在本申请中，上述的各段磁通屏障之间均形成有隔磁桥。
第一段1、第二段2和第三段3形成开口朝向转子铁芯8的外圆的凹槽9，凹槽9内设置有从凹槽9的第一侧边延伸至第二侧边的安装槽10，安装槽10内设置有第二永磁体12，安装槽10与第一段1、第二段2和第三段3形成的磁通屏障之间形成导磁通道。
通过在凹槽9内设置第二永磁体12，能够在第一层磁通屏障的径向外侧与安装槽10之间形成导磁通道，从而使得磁阻磁路能够通过导磁通道导通，可以与永磁体之间形成更加良好的配合，提高电机单位电流下的电磁转矩。
优选地，第二永磁体12为一字型；或，第二永磁体12为V形；或，第二永磁体12为弧形。
结合参见图3所示，采用本申请的上述方案，相对于现有技术的电机而言，输出转矩明显变大，电机效率得到显著提升。
在本实施例中，第二永磁体12的两端形成空气槽13，空气槽13沿径向向转子铁芯8的外圆延伸，空气槽13与第一段1内的第一永磁体11之间的最小距离为D1，第一段1内的第一永磁体11的厚度为D2，K＝D1/D2，其中2≤K≤5。优选地，2.7≤K≤3.8。空气槽13与安装槽10之间形成隔磁桥。
在本实施例中，空气槽13与第一永磁体11之间的距离D1，在永磁性能一定的情况下，若过小，将导致该处磁密过于饱和，电机输出能力下降。另一方面，适当增大距离D1，可改善q轴磁路，等效地增大q轴磁路面积，磁阻减小，q轴电感Lq增大，进而使电感差(Lq-Ld)增大，磁阻转矩分量增大，电机输出转矩增大，效率提高，但距离D1若过大，将导致该处的漏磁情况较为严重，电机的输出能力下降。经过大量实验证明，当2≤K≤5时，可以提高电机的输出能力，从而提高电机效率。在2.7≤K≤3.8时，效果更加突出。
第四段4和第五段5均为直线形，第四段4和第五段5形成V形槽，V形槽的夹角为α，电机极对数为p，定义角度β＝360/2/p，定义J＝α/β，其中0.6≤J≤0.8。优选地，0.65≤J≤0.75。
当“V”型部分永磁体夹角α过大或过小，均会导致转子铁芯A、B处的磁力线过于饱和或过于稀疏，削弱电机的输出能力，致使电机效率下降。经过大量实验证明，当0.6≤J≤0.8时，可以有效地均衡转子铁芯A、B处的磁场，从而提高电机的输出转矩，进而提高电机效率。优选范围0.65≤J≤0.75，当J＝0.72时，电机的输出转矩达到最大。
第四段4和第五段5至少之一为弧形，第四段4和第五段5在相交位置处的切边形成夹角α，电机极对数为p，定义角度β＝360/2/p，定义J＝α/β，其中0.6≤J≤0.8。
优选地，第一永磁体11的剩磁小于第二永磁体12的剩磁，能够有效提升电机转子中“一U”部分永磁体的利用率，进而提高电机单位电流下的电磁转矩，提升了具有该转子结构的电机效率。第二永磁体12的剩磁大于第一段1、第二段2和第三段3内的第一永磁体11的剩磁，能够更有效地促使第一段1、第二段2和第三段3内的第一永磁体11产生的磁力线通过第二永磁体12进入气隙，可有效避免空气槽13与第三段3内的第一永磁体11之间的磁阻通道磁密过于饱和，导致电机转子漏磁增加，降低电机输出转矩，进而降低电机性能。
优选地，第一永磁体11和第二永磁体12均采用非稀土永磁材料制成，能够在不适用稀土永磁材料的情况下，提高电机的输出转矩，减少了环境污染，降低了生产成本。
根据本申请的实施例，磁阻电机包括电机转子和电机定子14，该电机转子为上述的电机转子。
根据本申请的实施例，电动汽车包括上述的电机转子或上述的磁阻电机。
本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。
以上仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。以上仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本申请的保护范围。

Claims (14)

1.一种电机转子，其特征在于，包括转子铁芯(8)，所述转子铁芯(8)包括沿周向间隔设置的多个磁障组，每个磁障组包括多个磁通屏障，所述磁通屏障包括第一段(1)、第二段(2)、第三段(3)、第四段(4)、第五段(5)、第六段(6)和第七段(7)，所述第一段(1)、第二段(2)和第三段(3)依次连接，所述第一段(1)和所述第三段(3)分别位于所述磁障组所在极的D轴的两侧，所述第二段(2)位于D轴上，所述第四段(4)和所述第五段(5)位于D轴的第一侧，所述第五段(5)的第一端连接在所述第四段(4)的径向内端，所述第五段(5)的第二端连接至所述第一段(1)和所述第二段(2)的连接位置处，所述第五段(5)将位于D轴第一侧的第一层磁通屏障和第二层磁通屏障之间的导磁通道断开，所述第六段(6)和所述第四段(4)关于D轴对称，所述第七段(7)和所述第五段(5)关于D轴对称，各所述磁通屏障内均设置有第一永磁体(11)，所述第七段(7)将位于D轴第二侧的第一层磁通屏障和第二层磁通屏障之间的导磁通道断开。
2.根据权利要求1所述的电机转子，其特征在于，所述第一段(1)、所述第三段(3)为弧形，所述第二段(2)为直线形；或，所述第一段(1)、所述第三段(3)为直线形，所述第二段(2)为弧形；或，所述第一段(1)、所述第二段(2)和所述第三段(3)均为弧形；或，所述第一段(1)、所述第二段(2)和所述第三段(3)均为直线形。
3.根据权利要求1所述的电机转子，其特征在于，所述第四段(4)和所述第六段(6)为弧形，所述第五段(5)和所述第七段(7)为直线形；或，所述第四段(4)和所述第六段(6)为直线形，所述第五段(5)和所述第七段(7)为弧形；或，所述第四段(4)、第五段(5)、第六段(6)和第七段(7)均为直线形；或，所述第四段(4)、第五段(5)、第六段(6)和第七段(7)均为弧形。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的电机转子，其特征在于，所述第一段(1)、第二段(2)和第三段(3)形成开口朝向所述转子铁芯(8)的外圆的凹槽(9)，所述凹槽(9)内设置有从所述凹槽(9)的第一侧边延伸至第二侧边的安装槽(10)，所述安装槽(10)内设置有第二永磁体(12)，所述安装槽(10)与所述第一段(1)、第二段(2)和第三段(3)形成的磁通屏障之间形成导磁通道。
5.根据权利要求4所述的电机转子，其特征在于，所述第二永磁体(12)为一字型；或，所述第二永磁体(12)为V形；或，所述第二永磁体(12)为弧形。
6.根据权利要求4所述的电机转子，其特征在于，所述第二永磁体(12)的两端形成空气槽(13)，所述空气槽(13)沿径向向所述转子铁芯(8)的外圆延伸，所述空气槽(13)与所述第一段(1)内的第一永磁体(11)之间的最小距离为D1，所述第一段(1)内的第一永磁体(11)的厚度为D2，K＝D1/D2，其中2≤K≤5。
7.根据权利要求6所述的电机转子，其特征在于，2.7≤K≤3.8。
8.根据权利要求4所述的电机转子，其特征在于，所述第四段(4)和所述第五段(5)均为直线形，所述第四段(4)和所述第五段(5)形成V形槽，所述V形槽的夹角为α，电机极对数为p，定义角度β＝360/2/p，定义J＝α/β，其中0.6≤J≤0.8。
9.根据权利要求8所述的电机转子，其特征在于，0.65≤J≤0.75。
10.根据权利要求4所述的电机转子，其特征在于，所述第四段(4)和所述第五段(5)至少之一为弧形，所述第四段(4)和所述第五段(5)在相交位置处的切边形成夹角α，电机极对数为p，定义角度β＝360/2/p，定义J＝α/β，其中0.6≤J≤0.8。
11.根据权利要求4所述的电机转子，其特征在于，所述第一永磁体(11)的剩磁小于所述第二永磁体(12)的剩磁。
12.根据权利要求4所述的电机转子，其特征在于，所述第一永磁体(11)和所述第二永磁体(12)均采用非稀土永磁材料制成。
13.一种磁阻电机，包括电机转子和电机定子(14)，其特征在于，所述电机转子为权利要求1至12中任一项所述的电机转子。
14.一种电动汽车，其特征在于，包括权利要求1至12中任一项所述的电机转子。
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