CN113949184B - 一种转子冲片、转子及其应用的电机 - Google Patents

一种转子冲片、转子及其应用的电机 Download PDF

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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，还包括两个第三磁钢槽，两个第三磁钢槽分布在第二磁钢槽的两端且呈V形对称布置，所述第一磁钢槽的宽度L1、第二磁钢槽的宽度L2和第三磁钢槽的宽度L3的取值满足如下关系，其中r1为转子冲片的最外圆半径，p为电机极对数；第一磁钢槽的厚度W1、第二磁钢槽的厚度W2和第三磁钢槽的厚度W3的取值满足如下关系，0.16·L1≤W1≤0.2·L1W1≤W2≤2·W1W1≤W3≤W2；本发明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，从而实现高性能、低成本的电机设计。

Description

一种转子冲片、转子及其应用的电机
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、转子及其应用的电机。
背景技术
永磁同步电机因具有高功率密度、高效率、较宽的弱磁调速能力在新能源汽车领域均得到广泛应用，目前已趋于主导地位。随着新能源汽车的普及应用，其性能和成本的竞争日益增加，市场上具有多种多样转子冲片拓扑结构，一字型磁钢适合圆系相对较小的电机，当圆系较大，一字型就不太适合，应力分布会增加，聚磁效果会降低。而U+1转子拓扑，在双一两边增加V型磁钢，能够产生聚磁效果，增加输出扭矩。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种U+1拓扑的转子冲片结构，通过对辅助槽和隔磁桥的优化，能够增加交轴电感占比，磁阻转矩增加，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，从而实现高性能、低成本的电机设计。
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，其特征在于：还包括两个第三磁钢槽，两个第三磁钢槽分布在第二磁钢槽与径向垂直方向的两端，且径向向外呈V形对称布置，所述第一磁钢槽的宽度L1、第二磁钢槽的宽度L2和第三磁钢槽的宽度L3的取值满足如下关系，
0.3·L1≤L3≤0.4·L1；
其中r1为转子冲片的最外圆半径，p为电机极对数；
第一磁钢槽的厚度W1、第二磁钢槽的厚度W2和第三磁钢槽的厚度W3的取值满足如下关系，
0.16·L1≤W1≤0.2·L1
W1≤W2≤2·W1
W1≤W3≤W2。
进一步的所述磁极区内设置有第一减重孔，相邻两磁极区之间设置有第二减重孔，所述第一减重孔最高点至转子冲片圆心的距离为H3,第一减重孔和第二减重孔最低点至转子冲片圆心的距离为H4，第二减重孔最高点至转子冲片圆心的距离为H5，其中H3、H4和H5满足如下关系，
0.55·r1≤H3≤0.65·r1
r2+0.12·(r1-r2)≤H4≤H3
0.65·r1≤H5≤0.7·r1；
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第二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H1，两个第三磁钢槽之间的夹角为θ3，其中H1、H2和θ3的取值满足如下关系，
100°≤θ3≤110°。
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三磁钢槽至第一磁钢槽之间排布的第一隔磁孔和第二隔磁孔，所述第一隔磁孔的远端与d轴的夹角为θ1，所述第二隔磁孔的远端与d轴的夹角为θ2，所述第三磁钢槽的远端与q轴的直线距离为d1，其中θ1、θ2和d1的取值满足如下关系，
5≤d1≤8。
进一步的所述第二隔磁孔与第一磁钢槽之间形成第一隔磁桥，第二隔磁孔与转子冲片的边缘形成第二隔磁桥，第一隔磁桥和第二隔磁桥的尺寸为0.5-0.8mm；所述第一隔磁孔与转子冲片的边缘形成第三隔磁桥；第三隔磁桥的尺寸为0.5-1mm；所述第三磁钢槽与转子冲片的边缘形成第四隔磁桥，第三磁钢槽与第二磁钢槽之间成型第五隔磁桥，所述第四隔磁桥和第五隔磁桥的尺寸为0.8-1.5mm。
进一步的所述第一磁钢槽的两端上下两侧均设置有第一空气槽；所述第三磁钢槽的朝向第一磁钢槽一端的上下两侧设置有第二空气槽，第三磁钢槽远离第一磁钢槽一端的上侧设置有第三空气槽。
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U+1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，其中双V磁钢槽的引入能够增加电机的出力，进一步能够增加Ld和Lq占比，从而增加磁阻转矩分量，能够在较少的磁钢用量下，输出更高的扭矩，从而能够降低电机的成本；
2、引入两个隔磁孔和磁钢槽边缘的位置形状，能够使电机气隙磁密波形趋于正弦化，从而能够降低气隙中线电压的谐波含量，降低电机径向电磁力，改善电机振动噪声，增加乘客的舒适度；
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、合理优化V字型的磁钢周边的空气槽，不仅能够降低磁钢退磁风险，还能够起到应力的分散，降低应力集中，能够保证电机在高速下的安全运行，另外在制造工艺上还能够作为注塑孔，方便磁钢的固定，稳定性较好。
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结构示意图；
图3为本发明中一个磁极区装入磁钢后的结构示意图；
图4为峰值为140Kw/336Nm电机的转矩仿真波形图；
图5为峰值为140Kw/336Nm电机的空载反电势波形图；
图6为峰值为140Kw/336Nm电机的空载反电势波形的傅里叶分解图。
附图标记：1、第二磁钢槽；2、第一磁钢槽；3、第三磁钢槽；4、第一隔磁孔；5、第二隔磁孔；6、第一隔磁桥；7、第二隔磁桥；8、第三隔磁桥；9、第四隔磁桥；10、第五隔磁桥；11、第二减重孔；12、第一减重孔；13、轴孔；14/15、第一空气槽；16/18、第二空气槽；17、第三空气槽。
具体实施方式
参照图1至图6对本发明转子冲片、转子及其应用的电机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2和第二磁钢槽1，所述第一磁钢槽2位于第二磁钢槽1的径向外侧，且第一磁钢槽2和第二磁钢槽1的中垂线重合，所述第一磁钢槽2和第二磁钢槽1在与径向垂直的方向上延伸，还包括两个第三磁钢槽3，两个第三磁钢槽3分布在第二磁钢槽1与径向垂直方向的两端，且径向向外呈V形对称布置，所述第一磁钢槽2的宽度L1、第二磁钢槽1的宽度L2和第三磁钢槽3的宽度L3的取值满足如下关系，
0.3·L1≤L3≤0.4·L1；
其中r1为转子冲片的最外圆半径，p为电机极对数；
第一磁钢槽2的厚度W1、第二磁钢槽1的厚度W2和第三磁钢槽3的厚度W3的取值满足如下关系，
0.16·L1≤W1≤0.2·L1
W1≤W2≤2·W1
W1≤W3≤W2。
在本实施例中两个第三磁钢槽3的底端与第二磁钢槽1齐平，顶端朝向转子冲片的边缘倾斜，即两个第三磁钢槽3与第二磁钢槽1共同构成U形，结合第一磁钢槽2则构成U+1型磁钢槽。
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。
通过对U+1型磁钢槽结构的优化设计，能够降低电机的漏磁，增强主磁通，提高磁钢利用率，具体的当L2＞L1>L3，更有利于每个磁极下的磁场强度，能够实现聚磁；其中两边的V型磁钢在双一磁钢(第一磁钢槽2和第二磁钢槽1内的磁钢)的基础上能够实现聚磁，增加主磁通分量，提升电机弱磁扩速能力。
本实施例优选的所述磁极区内设置有第一减重孔12，相邻两磁极区之间设置有第二减重孔11，所述第一减重孔12最高点至转子冲片圆心的距离为H3,第一减重孔12和第二减重孔11最低点至转子冲片圆心的距离为H4，第二减重孔11最高点至转子冲片圆心的距离为H5，其中H3、H4和H5满足如下关系，0.55·r1≤H3≤0.65·r1
r2+0.12·(r1-r2)≤H4≤H3
0.65·r1≤H5≤0.7·r1；
其中r2为转子冲片的轴孔13半径。
其中第一减重孔12和第二减重孔11的内圆一般和转子冲片的内圆为同心圆。
结合图1和图2所示，在本实施例中每个磁极区的两侧均具有一部分第二减重孔11，其均能够与相邻磁极区的第二减重孔11构成一完整的减重孔。
减重孔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。
本实施例优选的所述第二磁钢槽1与第二减重孔11最高点的距离为H2，第一磁钢槽2与第二磁钢槽1的距离为H1，两个第三磁钢槽3之间的夹角为θ3，其中H1、H2和θ3的取值满足如下关系，
100°≤θ3≤110°。
根据上述H1和H2的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；两个V型第三磁钢槽3的夹角为θ3，上述θ3的取值能够减少电机漏磁，起到助磁作用，增加电机的输出能力。
如图2所示，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三磁钢槽3至第一磁钢槽2之间排布的第一隔磁孔4和第二隔磁孔5，所述第一隔磁孔4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5远离第一磁钢槽中垂线的一端与d轴的夹角为θ2，所述第三磁钢槽3远离第一磁钢槽中垂线的一端与q轴的直线距离为d1，其中θ1、θ2和d1的取值满足如下关系，
5≤d1≤8。
θ1、θ3和d1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，其中第一隔磁孔4对能够改变电机的dq轴磁路，能够提高电机的凸极比，降低电机的转矩脉动；上述第二隔磁孔5的取值能够降低齿槽转矩，改变气隙磁密波形对径向电磁力影响较大；本发明以最大保证电机输出能力基础上，进行优化设计这两个变量。
如图1所示，本实施例优选的所述第二隔磁孔5与第一磁钢槽2之间形成第一隔磁桥6，第二隔磁孔5与转子冲片的边缘形成第二隔磁桥7，由于应力的影响和气隙磁密波形的综合考虑，第一隔磁桥6和第二隔磁桥7的尺寸为0.5-0.8mm；所述第一隔磁孔4与转子冲片的边缘形成第三隔磁桥8；所述第三磁钢槽3与转子冲片的边缘形成第四隔磁桥9，第三磁钢槽3与第二磁钢槽1之间成型第五隔磁桥10，所述第四隔磁桥9和第五隔磁桥10的尺寸为0.8-1.5mm；兼顾高速和低速下和性能分析，第三隔磁桥8的尺寸为0.5-1mm。
第一隔磁桥6至第五隔磁桥10的设计能够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。
如图3所示，本实施例优选的所述第一磁钢槽2的两端上下两侧均设置有第一空气槽14/15；所述第三磁钢槽3的朝向第一磁钢槽2一端的上下两侧设置有第二空气槽16/18，第三磁钢槽3远离第一磁钢槽2一端的上侧设置有第三空气槽17。
隔磁桥装配过磁钢之后，在大电流下第一空气槽14/15、第二空气槽16/18和第三空气槽17的设计能够降低磁钢的冲击，降低磁钢退磁风险。其中第二空气槽16/18的设计还能够起到应力的分散，降低第五隔磁桥10的应力集中，能够保证电机在高速下的安全运行，另外在制造工艺上还能够作为注塑孔，方便磁钢的固定，稳定性较好。
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。
如图4-6所示，其为根据上述公式计算获得的一块电机峰值140Kw/336Nm，电机的转矩仿真数据如图4所示，转矩脉动仅为3.6％，空载反电势波形如图5所示，空载反电势波形的傅里叶分解如图6所示，基波含量占比更高，电机的正弦度很好。
本发明采用U+1型结构的转子冲片组装成电机后，通过整体磁钢槽和辅助槽的合理设计能够提升该电机的输出能力；相同技术要求下，能够降低电机定子的匝数，降低铜耗，提高电机的效率，同时能够满足电机的低噪音、高性能输出；
通过转子冲片中的隔磁桥、减重孔合理的分布设计，不仅能够降低电机的重量，提高功率密度，还能够保证电机在高速状态下的稳定运行；磁钢槽的布置能够增加电机出力，由于磁阻转矩占比较高，在高速，弱磁饱和时候，还能够避免功率下降幅度过大，起到弱磁扩速能力；
通过在转子冲片上增加辅助槽，合理优化磁钢槽边缘的位置形状能够使电机气隙磁密波形趋于正弦化，从而能够降低气隙中线电压的谐波含量，降低电机径向电磁力，改善电机振动噪声，增加乘客的舒适度。
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：还包括两个第三磁钢槽，两个第三磁钢槽分布在第二磁钢槽与径向垂直方向的两端，且径向向外呈V形对称布置，所述第一磁钢槽的宽度L1、第二磁钢槽的宽度L2和第三磁钢槽的宽度L3的取值满足如下关系，
0.3·L1≤L3≤0.4·L1；
其中r1为转子冲片的最外圆半径，p为电机极对数；
第一磁钢槽的厚度W1、第二磁钢槽的厚度W2和第三磁钢槽的厚度W3的取值满足如下关系，
0.16·L1≤W1≤0.2·L1
W1≤W2≤2·W1
W1≤W3≤W2。
2.根据权利要求1所述的转子冲片，其特征在于：所述磁极区内设置有第一减重孔，相邻两磁极区之间设置有第二减重孔，所述第一减重孔最高点至转子冲片圆心的距离为H3,第一减重孔和第二减重孔最低点至转子冲片圆心的距离为H4，第二减重孔最高点至转子冲片圆心的距离为H5，其中H3、H4和H5满足如下关系，
0.55·r1≤H3≤0.65·r1
r2+0.12·(r1-r2)≤H4≤H3
0.65·r1≤H5≤0.7·r1；
其中r2为转子冲片的轴孔半径。
3.根据权利要求2所述的转子冲片，其特征在于：所述第二磁钢槽与第二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H1，两个第三磁钢槽之间的夹角为θ3，其中H1、H2和θ3的取值满足如下关系，
100°≤θ3≤110°。
4.根据权利要求3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三磁钢槽至第一磁钢槽之间排布的第一隔磁孔和第二隔磁孔，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，所述第三磁钢槽远离第一磁钢槽中垂线的一端与q轴的直线距离为d1，其中θ1、θ2和d1的取值满足如下关系，
5≤d1≤8。
5.根据权利要求4所述的转子冲片，其特征在于：所述第二隔磁孔与第一磁钢槽之间形成第一隔磁桥，第二隔磁孔与转子冲片的边缘形成第二隔磁桥，第一隔磁桥和第二隔磁桥的尺寸为0.5-0.8mm；所述第一隔磁孔与转子冲片的边缘形成第三隔磁桥；第三隔磁桥的尺寸为0.5-1mm；所述第三磁钢槽与转子冲片的边缘形成第四隔磁桥，第三磁钢槽与第二磁钢槽之间成型第五隔磁桥，所述第四隔磁桥和第五隔磁桥的尺寸为0.8-1.5mm。
6.根据权利要求5所述的转子冲片，其特征在于：所述第一磁钢槽的两端上下两侧均设置有第一空气槽；所述第三磁钢槽的朝向第一磁钢槽一端的上下两侧设置有第二空气槽，第三磁钢槽远离第一磁钢槽一端的上侧设置有第三空气槽。
7.一种转子，其特征在于：其包括如权利要求1-6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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