CN114204720A - 一种高速内嵌式永磁同步电机转子结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种高速内嵌式永磁同步电机转子结构，为由加强板、支撑杆、磁钢、转子冲片组合而成的外表面带有轴向直角槽的圆柱结构；转子冲片采用软磁材料，中心具有与电机轴配合的冲片内圆，周围有用于嵌入磁钢的冲片内槽；冲片内槽两端为用于支撑的磁桥以及用于隔磁的隔磁槽；在冲片内槽外侧为冲片极靴，在冲片极靴上开有用于嵌入支撑杆的冲片固定孔；磁桥设计为与磁钢和冲片极靴受力平行的方向；加强板采用非导磁材质，具有与电机轴配合的加强板内圆，与支撑杆配合的固定孔；若干片转子冲片同轴组合叠加后，在冲片内槽中嵌入磁钢，并在转子冲片叠加组合体端部布置加强板，通过支撑杆将转子冲片以及加强板固定连接。
Description
技术领域
本发明涉及永磁同步电机技术领域，具体为一种高速内嵌式永磁同步电机转子结构。
背景技术
永磁同步电机转子结构按照永磁体在转子上位置的不同一般分为表面贴式和内嵌式，内嵌式转子结构的磁路采用软磁的硅钢或钴钢材料叠装而成铁芯，其内部中空并嵌入磁钢而成。
具体如图1所示，采用内转子形式的永磁电机，磁钢提供了励磁磁势，磁场主要磁力线通过电机气隙进入定子，形成主磁通，但有一部分磁通在转子内部形成了回路，形成了漏磁通。形成漏磁通的大小由尺寸a和b形成的磁桥宽度决定，其中a尺寸越小，b尺寸越大，漏磁通越小。电动机工作时，转子的磁钢和与其接触的外部极靴会受到离心力和磁拉力作用，这部分转子结构主要依赖磁桥来支撑，这样造成转子设计中减小漏磁(a尺寸减小，b尺寸增大)和增强结构强度(a尺寸增大，b尺寸减小)之间的矛盾，特别是在20000r/min以上的高转速电机中，这种矛盾尤为突出。因此内嵌式永磁转子设计中既保证转子强度，又保证高磁性能是一项难题。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种能适应20000r/min以上的高转速低漏磁的内嵌式永磁同步电机转子结构，同时提出了一种能够保证低漏磁和高强度的设计方法，在保证高速工作强度的条件下有效提高永磁电机工作气隙磁场强度，提高电机功率密度。
本发明的技术方案为：
所述一种高速内嵌式永磁同步电机转子结构，所述转子结构为由加强板、支撑杆、磁钢、转子冲片组合而成的外表面带有轴向直角槽的圆柱结构；
所述转子冲片采用导磁性能满足要求的软磁材料，中心具有与电机轴配合的冲片内圆，在冲片内圆周围有用于嵌入磁钢的冲片内槽；在冲片内槽两端为用于支撑的磁桥以及用于隔磁的隔磁槽；在冲片内槽外侧为冲片极靴，在冲片极靴上开有用于嵌入支撑杆的冲片固定孔；所述磁桥设计为与磁钢和冲片极靴受力平行的方向；
所述加强板采用非导磁的强度满足要求的材质，具有与电机轴配合的加强板内圆，与支撑杆配合的固定孔；
若干片所述转子冲片同轴组合叠加后，在冲片内槽中嵌入所述磁钢，并在转子冲片叠加组合体端部布置加强板，通过支撑杆将转子冲片以及加强板固定连接。
进一步的，所述转子结构外表面共有四个轴向直角槽，槽底采用圆弧过渡，四个轴向直角槽沿周向均匀分布。
进一步的，所述磁钢为中部带尖角的结构布局，所述冲片内槽也为对应的中部带有尖角形式，尖角指向转子冲片中心。
进一步的，所述用于隔磁的隔磁槽为所述转子结构外表面的轴向直角槽；所述转子冲片采用4个冲片内槽呈四边形布置，且相邻两个冲片内槽之间具有一个轴向直角槽，冲片内槽的侧边与轴向直角槽的一个直角边平行，冲片内槽的侧边与轴向直角槽的直角边之间即为磁桥。
进一步的，所述加强板采用非导磁的高强度不锈钢板或钛合金板。
进一步的，所有冲片固定孔中心处于同一圆周上，且所在圆周与冲片内圆同心，所在圆周的直径为d1；所有与支撑杆配合的固定孔中心处于同一圆周上，且所在圆周与加强板内圆同心，所在圆周的直径为d2；d2小于d1。
进一步的，通过设计直径d2以及支撑杆直径d3，使得当支撑杆将冲片与加强板固定后，在转子内部形成了挤压磁钢和冲片极靴的内应力，当转子工作时，挤压内应力平衡部分磁钢和冲片极靴所受离心力和电磁力，加强转子结构强度.
进一步的，d2以及d3的设计方法为：先根据电机额定转速、转矩、极对数、转子外径，计算出转子极靴和磁钢应力和变形量，并设定应力校正系数，而后设计d2和d3，计算校正应力和校正系数，与设定的应力校正系数比较，当其误差大于5％时，调整直径d2，循环校核，当其误差不大于5％时，保存数据，设计结束。
有益效果
本发明提出的高速内嵌式永磁同步电机转子结构通过将冲片的磁桥7设计为与磁钢3和冲片极靴10受力平行的方向，充分利用冲片材料的抗拉强度高的特性，并将磁桥7设计的很窄，磁桥的磁阻效应提高，漏磁磁通减小；并且设计了加强板1，提高转子结构的强度，并在转子内部形成了挤压磁钢3和冲片极靴10的内应力，当转子工作时，挤压内应力会平衡部分磁钢3和冲片极靴10所受离心力和电磁力，从而进一步的加强了转子结构强度
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为内嵌式转子的立体结构图；
图2为本发明实施例的永磁转子结构的立体结构图；
图3为本发明实施例的永磁转子结构转子冲片图；
图4为本发明实施例的永磁转子结构加强板图；
图5为本发明实施例的永磁转子结构设计流程图。
附图标记表示为：
1、加强板；2、支撑杆；3、磁钢；4、转子冲片；5、冲片内圆；6、冲片内槽；7、磁桥；8、隔磁槽；9、冲片固定孔；10、冲片极靴；11、加强板内圆；12、加强板固定孔。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“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”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描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、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本发明提供的内嵌式永磁同步电机转子结构为外表面带有轴向直角槽的圆柱结构，本实施例中共四个轴向直角槽，槽底采用圆弧过渡，四个轴向直角槽沿周向均匀分布。
本发明的内嵌式永磁同步电机转子结构由加强板1、支撑杆2、磁钢3、转子冲片4组合而成。
所述转子冲片4采用导磁性能良好的软磁材料，如图3所示，中心具有与电机轴配合的冲片内圆5，在冲片内圆5周围有用于嵌入磁钢3的冲片内槽6，本实施例中，磁钢3为中部带尖角的结构布局，所以冲片内槽6也为对应的中部带有尖角形式，尖角指向转子冲片4中心；在冲片内槽6两端为用于支撑的磁桥7以及用于隔磁的隔磁槽8，即所述轴向直角槽；本实施例中采用4个冲片内槽6，呈四边形布置，且相邻两个冲片内槽6之间具有一个轴向直角槽，冲片内槽6的侧边与轴向直角槽的一个直角边平行，而冲片内槽6的侧边与轴向直角槽的直角边之间即为磁桥7；在冲片内槽6外侧为冲片极靴10，在冲片极靴10上开有用于嵌入支撑杆2的冲片固定孔9，本实施例中四个冲片固定孔9中心处于同一圆周上，且与冲片内圆5同心，四个冲片固定孔9中心所处的中心圆直径为d1。
如图4所示，所述加强板1采用非导磁的高强度不锈钢板或钛合金板，具有与电机轴配合的加强板内圆11，与支撑杆2配合的固定孔12，本实施例中，四个固定孔12中心处于同一圆周上，且与加强板内圆11同心，四个固定孔12中心所处的中心圆直径为d2。
所述支撑杆2为高强度的不锈钢棒。
本发明的原理为：冲片的磁桥7设计为与磁钢3和冲片极靴10受力平行的方向，转子工作时磁钢3和极靴10主要受离心力和电磁力，充分利用冲片材料的抗拉强度高的特性，并将磁桥7设计的很窄，磁桥的磁阻效应提高，漏磁磁通减小；为了进一步提高转子结构的强度，在转子两侧设计了加强板1，具有用于安装支撑杆2的加强板固定孔12，而且其中心圆直径d2略小于冲片固定孔9的中心圆直径d1，并通过设计直径d2以及支撑杆直径d3，使得当支撑杆2通过铆接方式将冲片与加强板固定后，在转子内部形成了挤压磁钢3和冲片极靴10的内应力，当转子工作时，挤压内应力会平衡部分磁钢3和冲片极靴10所受离心力和电磁力，从而加强了转子结构强度。
具体的加强板固定孔中心圆直径d2以及支撑杆直径d3的设计方法如图4所示，先根据额定转速、转矩、极对数、转子外径，通过建模仿真或现有方法计算出转子极靴和磁钢应力和变形量，并设定应力校正系数，而后通过设计加强板的通孔中心圆直径d2和支撑杆直径d3，通过仿真等方法计算校正应力和校正系数，与设定的应力校正系数比较，当其误差大于5％时，调整直径d2，循环校核，当其误差不大于5％时，保存数据，设计结束。
通过该设计得到的某10kW永磁同步电动机转子，经过21000r/min的高速运行考核，转子稳定可靠，证明本发明设计可行。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (8)
1.一种高速内嵌式永磁同步电机转子结构，其特征在于：所述转子结构为由加强板、支撑杆、磁钢、转子冲片组合而成的外表面带有轴向直角槽的圆柱结构；
所述转子冲片采用导磁性能满足要求的软磁材料，中心具有与电机轴配合的冲片内圆，在冲片内圆周围有用于嵌入磁钢的冲片内槽；在冲片内槽两端为用于支撑的磁桥以及用于隔磁的隔磁槽；在冲片内槽外侧为冲片极靴，在冲片极靴上开有用于嵌入支撑杆的冲片固定孔；所述磁桥设计为与磁钢和冲片极靴受力平行的方向；
所述加强板采用非导磁的强度满足要求的材质，具有与电机轴配合的加强板内圆，与支撑杆配合的固定孔；
若干片所述转子冲片同轴组合叠加后，在冲片内槽中嵌入所述磁钢，并在转子冲片叠加组合体端部布置加强板，通过支撑杆将转子冲片以及加强板固定连接。
2.根据权利要求1所述一种高速内嵌式永磁同步电机转子结构，其特征在于：所述转子结构外表面共有四个轴向直角槽，槽底采用圆弧过渡，四个轴向直角槽沿周向均匀分布。
3.根据权利要求1所述一种高速内嵌式永磁同步电机转子结构，其特征在于：所述磁钢为中部带尖角的结构布局，所述冲片内槽也为对应的中部带有尖角形式，尖角指向转子冲片中心。
4.根据权利要求2所述一种高速内嵌式永磁同步电机转子结构，其特征在于：所述用于隔磁的隔磁槽为所述转子结构外表面的轴向直角槽；所述转子冲片采用4个冲片内槽呈四边形布置，且相邻两个冲片内槽之间具有一个轴向直角槽，冲片内槽的侧边与轴向直角槽的一个直角边平行，冲片内槽的侧边与轴向直角槽的直角边之间即为磁桥。
5.根据权利要求1所述一种高速内嵌式永磁同步电机转子结构，其特征在于：所述加强板采用非导磁的高强度不锈钢板或钛合金板。
6.根据权利要求1所述一种高速内嵌式永磁同步电机转子结构，其特征在于：所有冲片固定孔中心处于同一圆周上，且所在圆周与冲片内圆同心，所在圆周的直径为d1；所有与支撑杆配合的固定孔中心处于同一圆周上，且所在圆周与加强板内圆同心，所在圆周的直径为d2；d2小于d1。
7.根据权利要求6所述一种高速内嵌式永磁同步电机转子结构，其特征在于：通过设计直径d2以及支撑杆直径d3，使得当支撑杆将冲片与加强板固定后，在转子内部形成了挤压磁钢和冲片极靴的内应力，当转子工作时，挤压内应力平衡部分磁钢和冲片极靴所受离心力和电磁力，加强转子结构强度.
8.根据权利要求7所述一种高速内嵌式永磁同步电机转子结构，其特征在于：d2以及d3的设计方法为：先根据电机额定转速、转矩、极对数、转子外径，计算出转子极靴和磁钢应力和变形量，并设定应力校正系数，而后设计d2和d3，计算校正应力和校正系数，与设定的应力校正系数比较，当其误差大于5％时，调整直径d2，循环校核，当其误差不大于5％时，保存数据，设计结束。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant |