CN112803637A - 一种永磁同步电机及其聚磁转子结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种聚磁转子结构，包括转子内铁芯、转子外铁芯、磁钢组件，转子外铁芯套装于转子内铁芯的外部，转子外铁芯与转子内铁芯之间具有磁钢槽，磁钢组件设置于磁钢槽内；磁钢组件包括两块切向磁钢和一块径向磁钢，两块切向磁钢位于径向磁钢的两侧，切向磁钢切向充磁且两块切向磁钢的充磁方向相反，径向磁钢径向充磁，磁钢组件的径向截面为U形，磁钢组件的开口方向背向转子内铁芯的轴线方向设置。在保证相同电机极弧系数下，磁钢组件能够降低磁钢用量，提高聚磁能力。本发明还提供一种包括上述聚磁转子结构的永磁同步电机，在相同工作条件下提高电机输出转矩能力，使电机具有较高气隙磁密等优势的特点。

Description

一种永磁同步电机及其聚磁转子结构

技术领域

本发明涉及永磁电机技术领域，特别是涉及一种永磁同步电机及其聚磁转子结构。

背景技术

永磁电机由于诸多优点广泛应用于生活生产领域。根据转子拓扑结构和永磁体位置可以将永磁电机分为表贴式和内置式。表贴式电机由于交、轴电感相等弱磁能力较差。内置式永磁电机由于磁路不对称导致交、轴电感不等因而在电机运行中产生磁阻转矩，有利于提高电机功率密度和过载能力，弱磁扩速能力远优于表贴式永磁电机。但传统磁钢内置，存在转子漏磁大，转矩/功率密度不高等问题。

公开号为CN107579638A的中国专利，公开了一种双定子聚磁—磁阻混合转子电机，通过传统切向充磁磁钢和多层磁阻磁障配合，将定直轴中心偏移使永磁转矩和磁阻转矩分量在功率因数角相同时达到最大值，提高空间利用率，进一步提高转矩密度；公开号为CN102208853A的中国专利，公开了一种具有永磁体和聚磁作用的同步旋转电机，转子采用组合型切向充磁磁钢达到聚磁目的，但该方案中转子结构存在大量桥接，转子刚度存在问题。

随着永磁电机技术的不断发展，其转矩密度的提升成为工业和学术界研究和追求的热点。提高永磁电机转矩密度最直接的方式就是提高电机气隙磁密和充分利用内置式永磁电机的磁阻转矩。对于传统整数槽分布绕组永磁同步电机，转子结构直接决定了电机气隙磁密的大小和电机凸极比，进而影响电机的转矩密度。

因此，如何提高转子的聚磁能力，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种永磁同步电机及其聚磁转子结构，以解决上述现有技术存在的问题，提高转子的聚磁能力和电机工作效率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种聚磁转子结构，包括转子内铁芯、转子外铁芯、磁钢组件，所述转子外铁芯套装于所述转子内铁芯的外部，所述转子外铁芯与所述转子内铁芯之间具有磁钢槽，所述磁钢组件设置于所述磁钢槽内，所述磁钢组件的数量为多组，多组所述磁钢组件绕所述转子内铁芯的轴线周状均布；

所述磁钢组件包括两块切向磁钢和一块径向磁钢，两块所述切向磁钢位于所述径向磁钢的两侧，所述切向磁钢切向充磁且两块所述切向磁钢的充磁方向相反，所述径向磁钢径向充磁，所述磁钢组件的径向截面为U形，所述磁钢组件的开口方向背向所述转子内铁芯的轴线方向设置。

优选地，所述切向磁钢为矩形磁钢，所述径向磁钢为瓦片形磁钢。

优选地，所述切向磁钢与所述径向磁钢相抵接，所述切向磁钢与所述径向磁钢之间的夹角为90°。

优选地，所述聚磁转子结构，还包括导磁铁芯，所述导磁铁芯设置于相邻的所述磁钢组件之间，多个所述导磁铁芯绕所述转子内铁芯的轴线周状均布，所述导磁铁芯与所述转子内铁芯或所述转子外铁芯相连。

优选地，所述磁钢组件产生的极弧系数为α_p1，极弧系数转换为极弧角度为θ₁，θ₁满足：3/4·τ<θ₁<5/6·τ，其中，τ＝180°/P，P为电机极数。

优选地，所述切向磁钢的径向尺寸为L1，切向尺寸为L2，L2≤0.5L1。

本发明还提供一种永磁同步电机，包括支架、端盖和所述聚磁转子结构，所述支架能够支撑所述转子内铁芯，两个所述端盖分别设置于所述聚磁转子结构的两侧，两个所述端盖利用拉杆固定所述聚磁转子结构。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明的聚磁转子结构，包括转子内铁芯、转子外铁芯、磁钢组件，转子外铁芯套装于转子内铁芯的外部，转子外铁芯与转子内铁芯之间具有磁钢槽，磁钢组件设置于磁钢槽内，磁钢组件的数量为多组，多组磁钢组件绕转子内铁芯的轴线周状均布；磁钢组件包括两块切向磁钢和一块径向磁钢，两块切向磁钢位于径向磁钢的两侧，切向磁钢切向充磁且两块切向磁钢的充磁方向相反，径向磁钢径向充磁，磁钢组件的径向截面为U形，磁钢组件的开口方向背向转子内铁芯的轴线方向设置。本发明的聚磁转子结构，磁钢组件包括两块切向磁钢和一块径向磁钢，呈U形，切向磁钢分别与径向磁钢在局部形成halbach充磁形式，采用此混合充磁方式的磁钢组件与转子内铁芯、转子外铁芯相配合，能够提高聚磁能力，在保证相同电机极弧系数下，磁钢组件能够降低磁钢用量，提高聚磁能力。本发明还提供一种包括上述聚磁转子结构的永磁同步电机，在相同工作条件下提高电机输出转矩能力，使电机具有较高气隙磁密等优势的特点。

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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的聚磁转子结构的结构示意图；

图2为本发明的聚磁转子结构的磁钢组件的结构示意图；

图3为本发明的永磁同步电机的截面示意图；

图4为本发明的实施例二的示意图；

图5为不同永磁体结构电磁转矩对比图；

图6为不同永磁体结构凸极比图；

图7为不同永磁体结构磁力线分布对比图；

其中，1为转子内铁芯，2为转子外铁芯，3为磁钢槽，4为导磁铁芯，5为磁钢组件，6为切向磁钢，7为径向磁钢，8为定子，D1为转子内铁芯的内径，D2为转子内铁芯的外径，D3为转子外铁芯的内径，D4为定子的内径，L1为切向磁钢的长度，L2为切向磁钢的宽度，L3为径向磁钢凸出宽度，L4为导磁铁芯的宽度，L5为导磁铁芯的长度；L6-转子内铁芯内壁与转子外铁芯外壁之间的距离。

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。

本发明的目的是提供一种永磁同步电机及其聚磁转子结构，以解决上述现有技术存在的问题，提高转子的聚磁能力和电机工作效率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

请参考图1-7，其中，图1为本发明的聚磁转子结构的结构示意图，图2为本发明的聚磁转子结构的磁钢组件的结构示意图，图3为本发明的永磁同步电机的截面示意图，图4为本发明的实施例二的示意图，图5为不同永磁体结构电磁转矩对比图，图6为不同永磁体结构凸极比图，图7为不同永磁体结构磁力线分布对比图。

本发明提供一种聚磁转子结构，包括转子内铁芯1、转子外铁芯2、磁钢组件5，转子外铁芯2套装于转子内铁芯1的外部，转子外铁芯2与转子内铁芯1之间具有磁钢槽3，磁钢组件5设置于磁钢槽3内，磁钢组件5的数量为多组，多组磁钢组件5绕转子内铁芯1的轴线周状均布。

磁钢组件5包括两块切向磁钢6和一块径向磁钢7，两块切向磁钢6位于径向磁钢7的两侧，切向磁钢6切向充磁且两块切向磁钢6的充磁方向相反，径向磁钢7径向充磁，磁钢组件5的径向截面为U形，磁钢组件5的开口方向背向转子内铁芯1的轴线方向设置。

本发明的聚磁转子结构，磁钢组件5包括两块切向磁钢6和一块径向磁钢7，呈U形，切向磁钢6分别与径向磁钢7在局部形成halbach充磁形式，采用此混合充磁方式的磁钢组件5与转子内铁芯1、转子外铁芯2相配合，能够提高聚磁能力，在保证相同电机极弧系数下，磁钢组件5能够降低磁钢用量，提高聚磁能力。

其中，切向磁钢6为矩形磁钢，径向磁钢7为瓦片形磁钢，两侧的切向磁钢6反向充磁，切向磁钢6高于径向磁钢7部分与转子外铁芯2形成聚磁，切向磁钢6的另外部分与底部径向磁钢7形成halbach聚磁结构，磁通在转子外铁芯2处聚集，有效提高气隙磁密。

在本具体实施方式中，切向磁钢6与径向磁钢7相抵接，切向磁钢6与径向磁钢7之间的夹角为90°，切向磁钢6与径向磁钢7呈U形，开口背向转子内铁芯1的轴线方向。

具体地，聚磁转子结构还包括导磁铁芯4，导磁铁芯4设置于相邻的磁钢组件5之间，多个导磁铁芯4绕转子内铁芯1的轴线周状均布，导磁铁芯4与转子内铁芯1或转子外铁芯2相连。相邻的磁钢组件5之间不存在磁桥，相邻的磁钢组件5之间设置导磁铁芯4以减少交轴磁路的磁阻，进而提高交轴电感利于凸极比的提升。

另外，磁钢组件5的尺寸可根据需要进行不同程度的调整，磁钢组件5产生的极弧系数为α_p1，极弧系数转换为极弧角度为θ₁，调整原则为，θ₁满足：3/4·τ<θ₁<5/6·τ，其中，τ＝180°/P，P为电机极数。

切向磁钢6的径向尺寸为L1，切向尺寸为L2，L2≤0.5L1。

本发明还提供一种永磁同步电机，包括支架、端盖和聚磁转子结构，支架能够支撑转子内铁芯1，两个端盖分别设置于聚磁转子结构的两侧，两个端盖利用拉杆固定聚磁转子结构。本发明的永磁同步电机，在相同工作条件下提高电机输出转矩能力，使电机具有较高气隙磁密等优势的特点。

下面通过具体的实施例，对本发明的聚磁转子结构，进行进一步地解释说明：

实施例一

本实施例的聚磁转子结构采用72槽/16极，包括转子内铁芯1、转子外铁芯2、磁钢槽3、磁钢组件5，磁钢组件5呈U形，切向磁钢6切向充磁，两个切向磁钢6充磁方向相反，径向磁钢7径向充磁，沿周向排布16组磁钢组件5。永磁体产生磁场，根据磁阻最小原理，从切向磁钢6出来一部分磁通通过转子内铁芯1凸出部分经过定子8形成回路，另一部分由于径向磁钢7将磁通“顶”到转子外铁芯2通过定子8形成回路，以此达到聚磁目的，另一方面，转子内铁芯1增加了交轴电感，根据磁阻转矩产生原理，磁阻转矩增大，进一步提升电磁转矩。

根据上述结构，仿真验证永磁同步电机的性能，永磁同步电机尺寸为：D1＝150mm，D2＝165mm，D3＝175mm，D4＝190mm，切向磁钢6，L1＝25mm，L2＝5mm；径向磁钢7内径R2＝165mm，外径R1＝175mm，L3＝3mm，L4＝11.5mm，L5＝5mm，L6＝19mm，极弧系数α_p1＝0.8。对比切向磁钢6具有相同极弧系数和永磁体用量，转子内径为130mm小于本实施例聚磁转子结构内径，仿真验证电机具有较好聚磁能力和高磁阻转矩特点。在相同极弧系数下保证同等输出能力时本发明的聚磁转子结构可以减少永磁用量，另一方面本发明的聚磁转子结构的聚磁能力可以进行充分利用采用性能较低的永磁体，以上优点均可有效降低电机成本。

实施例二

本发明的聚磁转子结构同样适用于外转子、内定子类型的电机，聚磁转子结构可以采用不锈钢套和碳纤维保护套进行保护和固定，保证电机安全运行。磁钢组件5中，切向磁钢6有32块，径向磁钢7有16块，模型采用18槽16极。实际工程中环状制作工艺误差和加工难度都略大于矩形，同时较大体积永磁体易产生较大涡流损耗，因此可以将瓦片形永磁体分成2-4段。

上述电机尺寸为：D1＝150mm，D2＝165mm，D3＝175mm，D4＝190mm，磁钢组件5中，切向磁钢6，L1＝24mm，L2＝6mm；径向磁钢7内径R2＝165mm，外径R1＝175mm，L3＝3mm，L4＝11.5mm，L5＝5.5mm，L6＝19mm，极弧系数α_p1＝0.81。

本发明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；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种聚磁转子结构，其特征在于：包括转子内铁芯、转子外铁芯、磁钢组件，所述转子外铁芯套装于所述转子内铁芯的外部，所述转子外铁芯与所述转子内铁芯之间具有磁钢槽，所述磁钢组件设置于所述磁钢槽内，所述磁钢组件的数量为多组，多组所述磁钢组件绕所述转子内铁芯的轴线周状均布；

所述磁钢组件包括两块切向磁钢和一块径向磁钢，两块所述切向磁钢位于所述径向磁钢的两侧，所述切向磁钢切向充磁且两块所述切向磁钢的充磁方向相反，所述径向磁钢径向充磁，所述磁钢组件的径向截面为U形，所述磁钢组件的开口方向背向所述转子内铁芯的轴线方向设置。

2.根据权利要求1所述的聚磁转子结构，其特征在于：所述切向磁钢为矩形磁钢，所述径向磁钢为瓦片形磁钢。

3.根据权利要求1所述的聚磁转子结构，其特征在于：所述切向磁钢与所述径向磁钢相抵接，所述切向磁钢与所述径向磁钢之间的夹角为90°。

4.根据权利要求1所述的聚磁转子结构，其特征在于：还包括导磁铁芯，所述导磁铁芯设置于相邻的所述磁钢组件之间，多个所述导磁铁芯绕所述转子内铁芯的轴线周状均布，所述导磁铁芯与所述转子内铁芯或所述转子外铁芯相连。

5.根据权利要求1所述的聚磁转子结构，其特征在于：所述磁钢组件产生的极弧系数为α_p1，极弧系数转换为极弧角度为θ₁，θ₁满足：3/4·τ<θ₁<5/6·τ，其中，τ＝180°/P，P为电机极数。

6.根据权利要求1所述的聚磁转子结构，其特征在于：所述切向磁钢的径向尺寸为L1，切向尺寸为L2，L2≤0.5L1。

7.一种永磁同步电机，包括权利要求1-6任一项所述的聚磁转子结构，其特征在于：还包括支架和端盖，所述支架能够支撑所述转子内铁芯，两个所述端盖分别设置于所述聚磁转子结构的两侧，两个所述端盖利用拉杆固定所述聚磁转子结构。

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