CN113890230A - 一种内置式永磁同步电机不对称磁障转子结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种内置式永磁同步电机不对称磁障转子结构，转子的转子铁心具有若干个磁极，且沿轴线方向分为两段；所述磁极包括磁体以及开设在转子铁心上用于容纳磁体的通槽组合，所述通槽组合的截面形状使得所述磁极各处具有不对称磁障；所述磁极在两段转子铁心中的磁障关于该磁极的中心参考面对称，使得两段转子的转矩脉动叠加消减。本发明通过设置不对称分布的磁障结构，使得电机转子两部分输出转矩错开一定的角度，波峰波谷相互叠加，降低了输出转矩脉动，提升了电机的性能。

Description

一种内置式永磁同步电机不对称磁障转子结构
技术领域
本发明属于电机领域，特别是一种内置式永磁同步电机不对称磁障转子结构。
背景技术
随着国民经济和国防建设的高速发展，高效能、高品质电机系统成为装备制造业向高端化发展的关键与核心。作为核心执行机构，电机系统性能的优劣直接影响到高端装备的性能。永磁同步电机系统具有一系列优越性能，如转矩密度高、效率高、动态性能好，在高端装备制造领域获得了广泛的应用。但永磁电机的转矩脉动对位置伺服精度、平稳性影响的研究，仍然是一个亟待解决的问题。
优化永磁同步电机输出转矩脉动的方法已经很多，也已经相当成熟。永磁同步电机的转矩脉动主要来自三个方面：齿槽转矩、磁阻转矩脉动(针对内置式永磁同步电机)、电磁转矩脉动。针对不同的转矩脉动，可采用不同的措施降低其影响。齿槽转矩由永磁体和定子齿相互作用力的切向分量产生，其削弱方法主要有定/转子斜槽/极、优化槽开口宽度、不等齿宽、开辅助槽、磁极不对称、优化极弧系数、优化磁极形状、永磁体分块等。磁阻转矩是由转子d轴和q轴磁阻不等产生的，定子磁动势中的次谐波和超谐波引起d轴和q轴电感波动是引起磁阻转矩脉动的主要原因。反电势中的齿谐波和相带谐波导致电磁转矩脉动。齿谐波可通过定子斜槽消除，而相带谐波往往通过绕组中线圈短距和分布的方式可以得到抑制。
针对内置式永磁同步电机，优化转矩脉动的方法一般为定/转子斜槽/极，优化极弧系数、磁极偏心、定/转子开辅助槽等方法。这些方法虽可有效的削弱电机转矩脉动但是同样会造成输出转矩的减小，降低了电机的功率密度。
发明内容
本发明的目的是提供一种内置式永磁同步电机不对称磁障转子结构，该转子结构沿轴线方向分为两段，通过在各段采用不对称磁障，使得两段转子铁心的输出转矩存在一定的角度差，通过控制角度差的大小，可使得两段转子的转矩脉动相互叠加，从而实现降低转矩脉动的目的。
本发明的技术方案是，一种内置式永磁同步电机不对称磁障转子结构，转子的转子铁心具有若干个磁极，且沿轴线方向分为两段；所述磁极包括磁体以及开设在转子铁心上用于容纳磁体的通槽组合，所述通槽组合的截面形状使得所述磁极各处具有不对称磁障；所述磁极在两段转子铁心中的磁障关于该磁极的中心参考面对称，使得两段转子的转矩脉动叠加消减。
本发明的进一步改进在于：通槽组合包括两个沿转子轴线方向并行延伸的斜磁体容纳槽，各斜磁体容纳槽中插设有条形的磁体；两个斜磁体容纳槽中的磁体沿着其所在磁极的中心参考面对称；斜磁体容纳槽的形状使得两个磁体的内侧边临近中心参考面，外侧边临近转子铁心的圆周面；两个斜磁体容纳槽在临近磁体外侧边的区域分别设置有形状不同的空隙作为磁障。
本发明的进一步改进在于：所述通槽组合还包括容纳有一片磁体的中心磁体容纳槽，中心磁体容纳槽位于两个斜磁体容纳槽之间，所述中心磁体容纳槽关于其所属的磁极的中心参考面对称。
本发明的进一步改进在于：所述通槽组合包括一个切向磁体容纳槽，所述切向磁体容纳槽中容纳有一个片状的磁体，该磁体相对于所在磁极的中心参考面对称；所述切向磁体容纳槽在磁体的两侧设置有不同的空隙形成不对称的磁障。
本发明的进一步改进在于：所述转子铁心由冲压的硅钢片压制形成；在两段转子铁心的硅钢片相对于任意磁极的中心参考面对称；各磁极的中心参考面经过转子的轴线。
本发明的有益效果为：
1)本发明通过设置不对称的磁障结构，减小了电机电枢反应，充分利用了转子铁心，提升了输出转矩，电机功率密度得到提高。
2)本发明通过设置不对称分布的磁障结构，使得电机转子两部分输出转矩错开一定的角度，转矩脉动的波峰波谷相互叠加，降低了输出转矩脉动，提升了电机的性能。
3)本发明相较于其他常规降低电机输出转矩脉动的方法，包括斜极、斜槽、定转子开设辅助槽、转子偏心设置。不仅具有实施方法简单，永磁体放置不会因为磁障的偏移而偏移放置，虽然电机转子轴向分为两块，但永磁体轴向还是一个整体结构，依然可以沿轴向直插进入。而且不会以牺牲输出转矩为代价，来降低输出转矩脉动，反而可以提升输出转矩。
附图说明
图1是一种现有的内置式“V”型永磁同步电机转子结构示意图；
图2是图4中右段转子的结构示意图；
图3是图4中左端转子的结构示意图；
图4是转子铁心的一个局部截面示意图；
图5是一字型通槽组合
图6是V型通槽组合的示意图；
图7是U型通槽组合的示意图；
图8是
Figure BDA0003328321220000031
型通槽组合的示意图；
图9是一个具体实施例中电机的整体示意图；
图10是一个具体实施例中转矩波动与一侧磁障长度的关系曲线；
图11是一个具体实施例中不对称磁障的局部放大图；
图12是一个具体实施例中采用不对称磁障与现有对称磁障的电机的转矩波形对比图。
具体实施方式
实施例：如图2、3、1所示，本实施例提供一种内置式永磁同步电机不对称磁障转子结构，该转子结构包括转轴，转轴外侧套设有转子铁芯1。转子铁芯1 与转轴具有相同的中心轴线。转子包括n组相同形状且沿着轴线方向等间距环绕分布的磁极。每个磁极包括磁体2以及开设在转子铁芯1上用于容纳磁体2的通槽组合。通槽组合从转子铁芯1的一个端面沿着轴线方向延伸贯穿至另一端面，片状的磁体2插设在通槽组合中。
通槽组合中，除了磁体之外的剩余空间为磁障3。本发明的实施例中，磁极的各截面均具有磁障3。转子铁芯1沿着轴线方向分为长度均等的两段，磁极在两段转子铁心中的磁障关于该磁极的中心参考面对称，使得两段转子的转矩脉动叠加消减。每个磁极的中心参考面均经过转子的轴线。
如图2、3所示，在一些实施例中：通槽组合包括两个沿转子轴线方向并行延伸的斜磁体容纳槽4，各斜磁体容纳槽4中插设有条形的磁体2；两个斜磁体容纳槽4中的磁体2沿着其所在磁极的中心参考面对称分布；斜磁体容纳槽4的形状使得两个磁体2的内侧边临近中心参考面，外侧边临近转子铁芯1的圆周面；两个斜磁体容纳槽4在临近磁体2外侧边的区域分别设置有形状不同的空隙作为磁障。
在该实施例中，从转子的端面看，两个磁体2呈图6所示的V型分布。一个斜磁体容纳槽4容纳槽在外侧边区域采用长条形的磁障3，另一侧采用较短的磁障3。
图4所示为图2中A-A视角的截面示意图。本实施例中，两段转子的通槽组合对于其所在的心参考面对称。图2所示为图4中右段转子7a的结构示意图，图3所示为图4中左段转子7b的结构示意图。图2中右段转子7a磁障采用右偏设置(右侧磁障体积更大)，图3中左段转子7b采用左偏设置。将图2、图3与图1对比可直观看出二者的差别。
如图2、3所示，右段转子磁障的偏移使得这段转子的q轴偏移θ角度变为 q1，左侧段转子磁障的偏移使得这段转子的q轴偏移θ角度变为q2。两段转子按照永磁体2对齐的方法拼接一起组成整体转子，合成输出转矩为两段转子输出转矩的叠加。这种结构还可避免使用分段磁体，降低了制造难度。
以图2所示的右段转子为例说明，每一磁极的单侧磁障延长，原来对称的磁障变为不对称磁障，同一转子每一磁极的不对称磁障3相同，每一磁极的单侧磁障延长目的为使此段转子q轴偏移一定的θ角度变为q1，右侧转子不对称磁障采用右偏移设置，磁障延长方向包括但不限于垂直向右、斜上方向右、斜下方向右，即满足磁障延长使电机q轴发生变化均属于本专利保护范围。
以图2右侧转子为例说明，为达到此专利降低电机转矩脉动且不降低输出转矩的目的，磁障延伸长度L1考虑两方面，①根据具体电机结构参数，磁障延伸不能使电机结构产生干涉、相交，影响电机的结构稳定性。②最优磁障延伸长度 L1可借助有限元软件进行参数化分析，找出最优不对称磁障长度。寻找最优磁障的过程中，调节每个磁极两侧磁障的形状，进而调节转子两段之间的q轴夹角，进而使得两段转子的转矩脉动在转动过程中相互叠加消减或消除。
在一些实施例中，通槽组合还包括容纳有一片磁体的中心磁体容纳槽5，中心磁体容纳槽5位于两个斜磁体容纳槽4之间，所述中心磁体容纳槽5关于其所属的磁极的中心参考面对称。中心磁体容纳槽5可与上述的两个斜磁体容纳槽4 构成图7所示的U型结构，也可构成图8所示的
Figure BDA0003328321220000051
型结构。
如图5所示，在另一些实施例中，通槽组合包括一个切向磁体容纳槽6，切向磁体容纳槽中容纳有一个片状的磁体2，该磁体2相对于所在磁极的中心参考面对称；切向磁体容纳槽6在磁体2的两侧设置有不同的空隙形成不对称的磁障。切向磁体容纳槽为图5所示的“一”字型结构。
转子铁心由冲压的硅钢片压制形成；在两段转子铁心的硅钢片相对于任意磁极的中心参考面对称；各磁极的通槽组合形状相同，且各磁极的中心参考面经过转子的轴线。结合上述条件，将一个段转子的硅钢片翻转后即可用于另一段转子，这种方式可以节省硅钢片的模具成本。
本实例以一个具体6极36槽的内置式“V”型永磁同步电机为例。图9为电机整体结构三维图，图10为磁极一侧磁障固定，另一侧磁障长度L1与转矩波动变化关系曲线，可以看出随着L1的增加转矩波动逐渐减小。考虑到模型干涉问题，该实施例选取磁障长度L1为7mm。转子不对称磁障长度L1由原来3mm延长为7mm，磁障局部放大图如图11。图12为采取所述不对称磁障转子结构前后电机在一个电周期内输出转矩波形对比曲线图。从图12中可以看出，通过设置不对称磁障结构，电机输出转矩波动明显降低，由12.5％降低为7.4％，且输出转矩平均值增大了约1N·m，验证了本实施例所提出的不对称磁障转子结构的有效性。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种内置式永磁同步电机不对称磁障转子结构，其特征在于：转子的转子铁心具有若干个磁极，且沿轴线方向分为两段；所述磁极包括磁体以及开设在转子铁心上用于容纳磁体的通槽组合，所述通槽组合的截面形状使得所述磁极各处具有不对称磁障；所述磁极在两段转子铁心中的磁障关于该磁极的中心参考面对称，使得两段转子的转矩脉动叠加消减。
2.根据权利要求1所述的一种内置式永磁同步电机不对称磁障转子结构，其特征在于：通槽组合包括两个沿转子轴线方向并行延伸的斜磁体容纳槽，各斜磁体容纳槽中插设有条形的磁体；两个斜磁体容纳槽中的磁体沿着其所在磁极的中心参考面对称分布；斜磁体容纳槽的形状使得两个磁体的内侧边临近中心参考面，外侧边临近转子铁心的圆周面；两个斜磁体容纳槽在临近磁体外侧边的区域分别设置有形状不同的空隙作为磁障。
3.根据权利要求2所述的一种内置式永磁同步电机不对称磁障转子结构，其特征在于：所述通槽组合还包括容纳有一片磁体的中心磁体容纳槽，中心磁体容纳槽位于两个斜磁体容纳槽之间，所述中心磁体容纳槽关于其所属的磁极的中心参考面对称。
4.根据权利要求1或2所述的一种内置式永磁同步电机不对称磁障转子结构，其特征在于：所述通槽组合包括一个切向磁体容纳槽，所述切向磁体容纳槽中容纳有一个片状的磁体，该磁体相对于所在磁极的中心参考面对称；所述切向磁体容纳槽在磁体的两侧设置有不同的空隙形成不对称的磁障。
5.根据权利要求1所述的一种内置式永磁同步电机不对称磁障转子结构，其特征在于：所述转子铁心由冲压的硅钢片压制形成；在两段转子铁心的硅钢片相对于任意磁极的中心参考面对称；各磁极的通槽组合形状相同，且各磁极的中心参考面经过转子的轴线。
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