CN113949183B - 一种转子冲片、转子及电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种转子冲片，包括沿圆周分布的若干磁极区，所述磁极区内设置有第一磁钢槽和第二磁钢槽，所述第一磁钢槽位于第二磁钢槽的外侧，且第一磁钢槽和第二磁钢槽的中垂线重合，所述第一磁钢槽的宽度L1和第二磁钢槽的宽度L2取值满足如下关系， 其中r1为转子冲片的最外圆半径，r2为转子冲片的轴孔半径，p为电机极对数；所述第一磁钢槽的厚度W1和第二磁钢槽的厚度W2满足如下关系，0.16·L1≤W1≤0.2·L1W1≤W2≤2·W1；本发明优化转子拓扑结构，通过增加辅助槽的优化，在保证电机输出转矩的基础上，能够降低电机的生产成本，有效改善气隙磁场正弦度，减小谐波，改善振动噪音问题，降低最大空载线反电势峰值、削弱电机转矩脉动，提高电机效率，从而实现高性能、低成本。

Description

一种转子冲片、转子及电机
技术领域
本发明属于电机技术领域，更具体的说涉及一种转子冲片、转子及电机。
背景技术
驱动电机系统作为新能源汽车的核心，其驱动电机的性能特性决定了驾驶员的驾车舒适性体验。而内置式永磁同步电机具有机械强度高、转矩密度大、可靠性高和较宽的弱磁区间等优点，在电动车辆领域得到了广泛的应用。随着新能源汽车对驱动电机的性能及经济指标要求的不断攀升，传统的单层磁钢结构逐渐表现出一定的局限性。与单层磁钢结构相比，双层磁钢结构有利于提高永磁体的工作点，增强电机的弱磁扩速能力，拓宽电机的安全运行范围。
在现有技术双层磁钢的设计中，磁钢的退磁和漏磁较高，使磁钢的利用率较低，电机的功率密度降低。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种优化转子拓扑结构，通过增加辅助槽的优化，在保证电机输出转矩的基础上，能够降低电机的生产成本，有效改善气隙磁场正弦度，减小谐波，改善振动噪音问题，降低最大空载线反电势峰值、削弱电机转矩脉动，提高电机效率，从而实现高性能、低成本。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种转子冲片，包括沿圆周分布的若干磁极区，所述磁极区内设置有第一磁钢槽和第二磁钢槽，所述第一磁钢槽位于第二磁钢槽的径向外侧，且第一磁钢槽和第二磁钢槽的中垂线重合，所述第一磁钢槽和第二磁钢槽在与径向垂直的方向上延伸，所述第一磁钢槽的宽度L1和第二磁钢槽的宽度L2取值满足如下关系，
其中r1为转子冲片的最外圆半径，p为电机极对数；
所述第一磁钢槽的厚度W1和第二磁钢槽的厚度W2满足如下关系，
0.16·L1≤W1≤0.2·L1
W1≤W2≤2·W1。
进一步的所述磁极区的两侧均设置有隔磁孔组，所述隔磁孔组包括由第二磁钢槽至第一磁钢槽依次排布的第一隔磁孔、第二隔磁孔和第三隔磁孔，所述第一隔磁孔远离第一磁钢槽中垂线的一端与d轴的夹角为θ1，所述第二隔磁孔远离第一磁钢槽中垂线的一端与d轴的夹角为θ2，所述第三隔磁孔远离第一磁钢槽中垂线的一端与d轴的夹角为θ3，其中θ1、θ2和θ3满足如下关系，
1.1·θ3≤θ2≤0.7·θ1。
进一步的第一磁钢槽的挡肩位于其径向外侧，防止磁钢周向移动。
进一步的所述磁极区内设置有减重孔，所述减重孔最高点至转子冲片圆心的距离为H3,减重孔最低点至转子冲片圆心的距离为H4，其中H3和H4满足如下关系，
0.5·r1≤H3≤0.65·r1
r2+0.12·(r1-r2)≤H4≤H3；
其中r2为转子冲片的轴孔半径。
进一步的所述第二磁钢槽与减重孔最高点的距离为H2，第一磁钢槽与第二磁钢槽的距离为H1，其中H1和H2满足如下关系，
进一步的所述转子冲片上轴孔上设置有凸键，所述凸键上位于面对转子冲片中心的径向内侧外表面上设置有凹陷槽，所述凹陷槽与d轴的夹角为θ4。
一种转子，其包括上述的转子冲片。
一种电机，其包括上述的转子。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、通过对双一型磁钢槽的宽度和厚度的设计，能够提高主磁通，能够实现聚磁，可以增大电机的交轴电感与直轴电感的比值，从而增加磁阻转矩分量，在相同的电磁转矩下能够减少成本，同时能够提升电机的输出能力和弱磁扩速；
2、通过对多个隔磁孔的尺寸和角度设计，能够调节气隙磁密的波形，降低谐波含量，降低电机的振动噪声特性，增加乘客的舒适度；同时能够提高磁阻转矩占比，提高电机的输出转矩；
3、多个隔磁桥的合理优化设计不仅能够保证电机高转速下的转子冲片上机械强度，还能够降低漏磁和退磁现象，还能够降低电机的转矩脉动，提高电机的输出能力；
4、第一磁钢槽的挡肩一般设置在下方用于固定磁钢槽的磁钢，本申请把挡肩设计在上方，和中间的隔磁孔共同构成隔磁桥，不仅能够解决在高转速下的转子冲片上机械强度问题，最重要的是能够降低齿槽转矩，改善气隙磁密波形，还能够降低磁体槽内的永磁体的漏磁以及退磁现象，提高永磁体的利用率，提升电磁转矩，降低振动噪声效应。
附图说明
图1为本发明转子冲片的主视图；
图2为本发明中一个磁极区的主视图；
图3为峰值为75Kw/143Nm电机的转矩仿真波形图；
图4为峰值为75Kw/143Nm电机的空载反电势波形图；
图5为峰值为75Kw/143Nm电机的空载反电势波形傅里叶分解图。
附图标记：1、第一磁钢槽；2、第二磁钢槽；3、第三隔磁孔；4、第二隔磁孔；5、第一隔磁孔；11、减重孔；12、轴孔；13-1/13-2、凸键。
具体实施方式
参照图1至图5对本发明转子冲片的实施例做进一步说明。
在本发明的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“中心”，“横向(X)”、“纵向(Y)”、“竖向(Z)”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。
此外，如有术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”特征可以明示或者隐含包括一个或者多个该特征，在本发明描述中，“数个”、“若干”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
一种转子冲片，包括沿圆周分布的若干磁极区，所述磁极区内设置有第一磁钢槽1和第二磁钢槽2，所述第一磁钢槽1位于第二磁钢槽2的径向外侧，且第一磁钢槽1和第二磁钢槽2的中垂线重合，所述第一磁钢槽1和第二磁钢槽2在与径向垂直的方向上延伸，所述第一磁钢槽1的宽度L1和第二磁钢槽2的宽度L2取值满足如下关系，
其中r1为转子冲片的最外圆半径，p为电机极对数；
所述第一磁钢槽1的厚度W1和第二磁钢槽2的厚度W2满足如下关系，
0.16·L1≤W1≤0.2·L1
W1≤W2≤2·W1。
本实施例中p的数值实际也为磁极区的一半，如图1所示，在本实施例中的p＝4，当然其也可以为其它值。
本实施例中的第一磁钢槽1和第二磁钢槽2构成双一字型磁钢槽，双一字型磁钢槽结构能够增强主磁通，可降低漏磁系数，提高磁钢利用率。
本实施例中第二磁钢槽2较第一磁钢槽1更靠近转子冲片的圆心处，L2＞L1更有利于每个磁极下的磁场强度，能够实现聚磁，在增大电机输出转矩的同时，能够进一步利于增大电机的交轴电感与直轴电感的比值，从而增加磁阻转矩分量，提升电机弱磁扩速能力。
本实施例优选的所述磁极区的两侧均设置有隔磁孔组，所述隔磁孔组包括由第二磁钢槽至第一磁钢槽依次排布的第一隔磁孔5、第二隔磁孔4和第三隔磁孔3，所述第一隔磁孔远离第一磁钢槽中垂线的一端与d轴的夹角为θ1，所述第二隔磁孔远离第一磁钢槽中垂线的一端与d轴的夹角为θ2，所述第三隔磁孔远离第一磁钢槽中垂线的一端与d轴的夹角为θ3，其中θ1、θ2和θ3满足如下关系，
1.1·θ3≤θ2≤0.7·θ1。
如图1和2所示，其示出了第一隔磁孔5、第二隔磁孔4和第三隔磁孔3的尺寸和位置；θ1和θ3的取值对电机的输出转矩、转矩脉动、气隙磁场都具有较大的影响，θ1、θ3的取值越小，则电机的电磁转矩越大，转矩脉动越低，然而气隙磁场波形畸变越严重；而θ1和θ3的取值越大则会对电机的其他性能造成影响；因此，θ1和θ3的通过上述公式取值可以合理地分配电机的磁阻转矩分量和永磁转矩分量，从而可以在不增加电磁件成本的情况下，提高电机输出转矩。
其中，永磁转矩与电机中永磁体的用量成正比，磁阻转矩正比于交轴电感Lq与直轴电感Ld的比值，而Lq与Ld的比值又与夹角θ1和θ3的取值相关；因此，在不增加永磁体用量的情况下，对夹角θ1和θ3合理取值就能够增大电机的Lq与Ld的比值，提升磁阻转矩分量，而在输出同样大小的电机转矩时，永磁转矩可以较小，由此可以减少永磁体用量，从而降低成本。
θ2的设置更加有效的调节气隙磁密的正弦性，降低电机的转矩脉动，增加电机的交轴电感与直轴电感的比值，提升磁阻转矩分量。
三个隔磁孔在有效改善冲片本体漏磁的同时，不影响电机的dq轴磁路，保证电机足够的永磁转矩。
如图1所示，通过设置第一隔磁孔5、第二隔磁孔4和第三隔磁孔3，形成多个隔磁桥6、7、8、9、10，
本实施例优选的第一磁钢槽1的挡肩位于其径向外侧，防止磁钢周向移动，其中隔磁桥9、10，属于第一磁钢槽1的双隔磁桥结构，第一磁钢槽1的挡肩一般设置在下方用于固定内部的磁钢；本发明将挡肩设计在上方，和中间的隔磁孔共同构成隔磁桥，不仅能够解决在高转速下的转子冲片上机械强度问题；还能起到磁钢的固定作用；最重要的是能够降低齿槽转矩，改善气隙磁密波形；降低谐波含量，降低电机的振动噪声特性，增加乘客的舒适度，同时能够提高磁阻转矩占比，提高电机的输出转矩。
此处的双隔磁桥结构还能够提高转子冲片的机械强度，分散转子冲片在高转速工况时磁体槽周边的离心应力，由此解决电机在高转速下转子冲片机械强度难以满足要求的问题，实现低漏磁与高强度电机的设计。
本实施例优选的所述磁极区内设置有减重孔11，减重孔11主要是在根据电机的不同转速，在保证应力的包围内，最大程度的降低电机的重量，增加电机的功率密度，其中减重孔11最高点和最低点到圆心的距离为H3和H4，其中内圆一般和转子冲片的内圆为同心圆，H4越小越好，H3越大越好，在保证应力和减少漏磁情况下，其中H3和H4满足如下关系，
0.5·r1≤H3≤0.65·r1
r2+0.12·(r1-r2)≤H4≤H3；
其中r2为转子冲片的轴孔12半径。
本实施例优选的所述第二磁钢槽2与减重孔11最高点的距离为H2，第一磁钢槽1与第二磁钢槽2的距离为H1，其中H1和H2满足如下关系，
H1和H2的取值决定电机的漏磁能力，通过上述取值能够增加电机的主磁通，提高电机输出转矩，降低电机的生产成本，有效改善气隙磁场正弦度，减小谐波，降低最大空载线反电势峰值、削弱电机转矩脉动，改善振动噪音问题，提高电机效率。
所述转子冲片上轴孔12上设置有凸键13-1/13-2，所述凸键上位于面对转子冲片中心的径向内侧外表面上设置有凹陷槽，所述凹陷槽与d轴的夹角为θ4，通过斜凸键的结构设计，能够实现两个转子冲片之间的斜极2*θ4角度，有利于降低电机的转矩脉动和齿槽转矩，对电机的振动噪声有很好的抑制作用。
一种转子，其包括根据上述公式获得的转子冲片。
一种电机，其包括上述转子。
如图3-5所示，其为根据上述公式计算获得的一块电机峰值75Kw/143Nm，电机的转矩仿真数据如图3所示，转矩脉动仅为2.38％，空载反电势波形如图4所示，空载反电势波形的傅里叶分解如图5所示，基波含量占比更高，电机的正弦度很好。
本专利选择双一型磁钢槽的宽度和厚度的设计，能够提高主磁通，能够实现聚磁，可以增大电机的交轴电感与直轴电感的比值，从而增加磁阻转矩分量，在相同的电磁转矩下能够减少成本，同时能够提升电机的输出能力和弱磁扩速能力；
通过对多个隔磁孔的尺寸和角度设计，能够调节气隙磁密的波形，降低谐波含量，降低电机的振动噪声特性，增加乘客的舒适度。同时能够提高磁阻转矩占比，提高电机的输出转矩；
通过对多个隔磁桥尺寸和位置的优化设计，能够分散在高速下转子冲片的应力分布，从而能够保证电机在高速下的机械强度；
通过多个隔磁孔的优化设计，重点是第一磁钢槽的挡肩和中间的隔磁孔共同构成隔磁桥，对改隔磁桥的优化设计能够降低电机的齿槽转矩；
在轴孔12上设计凸键13-1和13-2，凸键13-1和d轴夹角为θ4，通过13-1斜凸键的结构设计，能够实现两个转子冲片之间的斜极2*θ4角度，有利于降低电机的转矩脉动和齿槽转矩，对电机的振动噪声有很好的抑制作用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种转子冲片，包括沿圆周分布的若干磁极区，所述磁极区内设置有第一磁钢槽和第二磁钢槽，所述第一磁钢槽位于第二磁钢槽的径向外侧，且第一磁钢槽和第二磁钢槽的中垂线重合，所述第一磁钢槽和第二磁钢槽在与径向垂直的方向上延伸，其特征在于：所述第一磁钢槽的宽度L1和第二磁钢槽的宽度L2取值满足如下关系，
其中r1为转子冲片的最外圆半径，p为电机极对数；
所述第一磁钢槽的厚度W1和第二磁钢槽的厚度W2满足如下关系，
0.16·L1≤W1≤0.2·L1
W1≤W2≤2·W1。
2.根据权利要求1所述的转子冲片，其特征在于：所述磁极区的两侧均设置有隔磁孔组，所述隔磁孔组包括由第二磁钢槽至第一磁钢槽依次排布的第一隔磁孔、第二隔磁孔和第三隔磁孔，所述第一隔磁孔远离第一磁钢槽中垂线的一端与d轴的夹角为θ1，所述第二隔磁孔远离第一磁钢槽中垂线的一端与d轴的夹角为θ2，所述第三隔磁孔远离第一磁钢槽中垂线的一端与d轴的夹角为θ3，其中θ1、θ2和θ3满足如下关系，
1.1·θ3≤θ2≤0.7·θ1。
3.根据权利要求2所述的转子冲片，其特征在于：第一磁钢槽的挡肩位于其径向外侧，防止磁钢周向移动。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的转子冲片，其特征在于：所述磁极区内设置有减重孔，所述减重孔最高点至转子冲片圆心的距离为H3,减重孔最低点至转子冲片圆心的距离为H4，其中H3和H4满足如下关系，
0.5·r1≤H3≤0.65·r1
r2+0.12·(r1-r2)≤H4≤H3；
其中r2为转子冲片的轴孔半径。
5.根据权利要求4所述的转子冲片，其特征在于：所述第二磁钢槽与减重孔最高点的距离为H2，第一磁钢槽与第二磁钢槽的距离为H1，其中H1和H2满足如下关系，
6.根据权利要求5所述的转子冲片，其特征在于：所述转子冲片上轴孔上设置有凸键，所述凸键上位于面对转子冲片中心的径向内侧外表面上设置有凹陷槽，所述凹陷槽与d轴的夹角为θ4。
7.一种转子，其特征在于：其包括如权利要求1-5中任意一项所述的转子冲片。
8.一种电机，其特征在于：其包括如权利要求7所述的转子。
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