CN114844259A - 一种高转矩密度的电机转子结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高转矩密度的电机转子结构，包括转子本体以及呈周向均匀设置在转子本体上的多个磁钢槽组；每个磁钢槽组包括多层圆弧形的磁钢槽，每层磁钢槽内设有磁钢；其中，最外层磁钢槽内设有一块C型圆弧磁钢，中间部分对应的磁钢厚度≥两侧部分对应的磁钢厚度；由外向内的第二层开始，每层磁钢槽的中间由磁桥隔开，每层磁钢槽内均设有左右两块磁钢；两块磁钢远离磁桥的部分为直线段；两块磁钢靠近磁桥的部分构成圆弧段；圆弧段的磁钢不等厚，每层磁钢槽中间部分对应的磁钢厚度＞两侧部分直线段对应的磁钢厚度。本发明可以充分利用永磁辅助同步磁阻电机的转子空间，增加铁氧体的有效用量，提高电机永磁磁链，从而提高电机的输出转矩。

Description

一种高转矩密度的电机转子结构

技术领域

本发明涉及电机设备技术领域，尤其是涉及一种高转矩密度的电机转子结构。

背景技术

目前新能源电驱动行业主要以稀土永磁电机作为驱动电机，其功率密度相较于其他类型电机更高，即可以在更小的体积下达到相同的输出功率。但近些年来，由于稀土永磁体成本价格的波动较大，采用更便宜的铁氧体永磁体代替稀土永磁体的永磁辅助同步磁阻电机成为了热门的研发方向。

由于铁氧体剩磁较低，永磁辅助同步磁阻电机的转矩密度无法达到稀土永磁电机的水平，因此在一定体积下提升电机的转矩输出能力，是永磁辅助同步磁阻电机设计的关键。更合理的设计转子磁钢拓扑结构，以便能更加充分的利用电机磁阻转矩，则是提升永磁辅助同步磁阻电机转矩的关键。

为提高永磁辅助同步磁阻电机的功率密度，一般采用极数2p≥6的多极数电机，以及层数t≥2的多层V型或U型磁钢结构。而对于这类多极数电机，采用多层磁钢布置时，其弧长方向尺寸会明显小于径向的空间尺寸，以8极电机为例，单极单侧弧长C1＝π/2/p×R，当p≥3时，C1≤0.52R，周向弧长的长度较小，不利于磁钢布置。

目前技术大多采用等厚磁钢，即同一层的磁钢厚度相同。如公开号为CN110336396A的中国专利文献公开了一种新能源汽车用非稀土电机转子结构，磁钢槽组中采用等宽的矩形槽。这种布置方式导致转子最内层磁钢底部的空间没有利用上，整体磁路利用不充分，损失了一部分转矩输出。

一部分专利提出了非等厚磁钢的设计，但没有具体量化设计指标。如公开号为CN102761185的中国专利文献公开了永磁辅助同步磁阻电机转子及其电机和电机的安装方法，提到了在永磁体中间厚度T大于其末端厚度A，但没有给出量化指标来对磁钢两侧厚度和中间厚度进行详细设计。同时该专利阐述了永磁辅助同步磁阻电机转子中，最外层永磁体厚度T1需大于内层永磁体的厚度Tn，且(T1-Tn)/T1≥5％，其主要从退磁角度考虑进行的设计，但该方案对转矩利用并不是最优解，同时永磁体的退磁可以用其他方式改善。

发明内容

本发明提供了一种高转矩密度的电机转子结构，可以充分利用永磁辅助同步磁阻电机的转子空间，增加铁氧体的有效用量，提高电机永磁磁链，从而提高电机的输出转矩。

一种高转矩密度的电机转子结构，包括转子本体以及呈周向均匀设置在转子本体上的多个磁钢槽组，磁钢槽组的数量与转子极数相对应；

每个磁钢槽组包括开口朝外的多层圆弧形的磁钢槽，每层磁钢槽内设有尺寸相匹配的磁钢；

其中，最外层磁钢槽内设有一块C型圆弧磁钢，最外层磁钢槽中间部分对应的磁钢厚度Hm₁≥两侧部分对应的磁钢厚度Hs₁；

由外向内的第二层开始，每层磁钢槽的中间由磁桥隔开，每层磁钢槽内均设有左右两块磁钢；两块磁钢远离磁桥的部分为直线段，与极间分割线平行；两块磁钢靠近磁桥的部分构成圆弧段，圆弧段的中间被磁桥隔开；圆弧段的磁钢不等厚，每层磁钢槽中间部分对应的磁钢厚度Hm_n＞两侧部分直线段对应的磁钢厚度Hs_n，n＝2,3…t，t为磁钢槽的层数。

本发明可以保证充分利用转子的径向空间，增加磁钢用量从而增大电机转矩。并且该方案可以使每层的磁钢块数比U型或V型磁钢少一块，从结构上减少了磁钢间磁桥的数量，减少转子漏磁。同时弧形磁钢结构可以使磁钢厚度的过渡更加平滑，增大磁链，减小转矩波动，使交直轴磁路分布更合理，提升磁阻转矩。

优选地，每个磁钢槽组中，两侧部分的磁钢总厚度为Hs_sum＝∑Hs_n，中间部分的磁钢总厚度为Hm_sum＝∑Hm_n，n＝1,2…t；Hm_sum＞Hs_sum，并且Hs_sum/Hm_sum＝k₁×π/p,其中0.6≤k₁≤1.2，转子极数2p≥6，磁钢槽的层数t≥2。该取值范围内电机转矩可以达到最大值。

优选地，磁钢厚度占所在方向上的转子厚度比例有合适的取值范围，以保证电机的永磁磁链，具体的：所述电机转子结构的单极单侧弧长为C₁，转子本体的径向长度为L₂，则Hs_sum/C₁＝k₂，其中0.35≤k₂≤0.5；Hm_sum/L₂＝k₃，其中0.35≤k₃≤0.5。

优选地，每个磁钢槽组中，相邻两层磁钢之间的磁栅厚度为G；两侧部分的磁栅总厚度Gs_sum＝∑Gs_x，中间部分的磁栅总厚度Gm_sum＝∑Gm_x，x＝0,1,2…t，满足Gm_sum＞Gs_sum，并且Gs_sum/Gm_sum＝k₄×π/p，其中0.6≤k₄≤1.2。该取值范围内转子上磁密合适，永磁磁链较高并且不易出现过饱和的情况。

每个磁钢槽组中，不同层的磁钢厚度由外向内变大。具体为：相邻两层磁钢槽的两侧部分，内层磁钢与外层磁钢的厚度比值Hs_n/Hs_n-1≥1.1；相邻两层磁钢槽的中间部分，内层磁钢与外层磁钢的厚度比值Hm_n/Hm_n-1≥1.1，n＝2,3…t。

对于每层磁钢之间磁栅的厚度，应满足：每个磁钢槽组中，对于从外向内的第n层磁钢，n＝1,2…t，磁钢厚度为H_n，其外侧和内侧的磁栅厚度分别为G_n-1和G_n，满足(G_n-1+G_n)/H_n＝k₅，其中1.5≤k₅≤3。该取值对弧形非等厚磁钢的两侧厚度Hs和中间厚度Hm均适用。

进一步地，所述的磁钢采用铁氧体磁钢，剩磁在0.2-0.8T。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明通过弧形非等厚磁钢结构设计，充分利用转子空间，增加永磁体用量，从而提高了永磁磁链，增大电机输出转矩。

2、本发明通过合理设计弧形非等厚磁钢两侧和中间的磁钢厚度、磁栅厚度等参数，优化磁路，使交直轴磁路分布更合理，提升磁阻转矩。具体优化参数中间磁钢厚度Hm、两侧磁钢厚度Hs、磁栅厚度G等。

附图说明

图1为本发明一种高转矩密度的电机转子结构示意图；

图2为本发明中单极转子的示意图。

图中：1-转子本体；11-磁钢；111-最外层磁钢；112-第二层磁钢；113-最内层磁钢；12-转子磁栅；121-最外层转子磁栅；122-第二层转子磁栅；123-最内层转子磁栅；13-磁桥；131-第一磁桥；132-第二磁桥；15-极间分割线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

本实例为一台2p＝8极的高转矩密度的电机转子，包含8个磁钢槽组。在转子本体1上，每个磁钢槽组设有3层弧形非等厚的磁钢槽，磁钢槽中设有尺寸相匹配的磁钢11，包括最外层磁钢111、第二层磁钢112和最内层磁钢113，每层磁钢皆为两侧薄中间厚，从外向内磁钢变厚。相邻两层磁钢间为转子磁栅12，从外到内为最外层转子磁栅121、第二层转子磁栅122和最内层转子磁栅123，从外向内磁栅变厚。

最外层磁钢111为一块C型圆弧磁钢，内部两层每层的弧形磁钢中间由磁桥13分割为两块，以保证转子强度。其中，第二层磁钢中间利用第一磁桥131隔开，第三层磁钢112中间利用第二磁桥132隔开。

本发明中，转子磁钢采用弧形非等厚结构布置，最外层磁钢111上，中间磁钢厚度Hm₁≥两侧磁钢厚度Hs₁；第二层磁钢112和最内层磁钢113中，每层均为左右两块磁钢，磁钢两侧为直线段，与极间分割线15平行；磁钢中间为圆弧段，圆弧中间被磁桥隔开，圆弧段磁钢不等厚，中间磁钢厚度Hm_n＞两侧磁钢厚度Hs_n(n＝2…，t)。该方案可以保证充分利用转子的径向空间，增加磁钢用量从而增大电机转矩。并且该方案可以使每层的磁钢块数比U型或V型磁钢少一块，从结构上减少了磁钢间磁桥13的数量，减少转子漏磁。同时弧形磁钢结构可以使磁钢厚度的过渡更加平滑，增加磁链，减小转矩波动，使交直轴磁路分布更合理，提升磁阻转矩。

针对本实施例中8极3层磁钢转子模型，如图1和图2所示，其永磁体结构尺寸有以下关系：

每层磁钢两侧的磁钢厚度Hs小于中间磁钢厚度Hm；不同层磁钢厚度由外向内变大Hm₁＜Hm₂＜Hm₃，Hs₁＜Hs₂＜Hs₃。

对于每一极转子结构，中间磁钢厚度大于两侧磁钢。具体为：两侧磁钢总厚度为Hs_sum＝∑Hs_n(n＝1，2…，t)，中间磁钢总厚度为Hm_sum＝∑Hm_n(n＝1，2…，t)，转子极数为2p。应满足Hm_sum＞Hs_sum，并且Hs_sum/Hm_sum＝k₁×π/p,其中0.6≤k₁≤1.2。该取值范围内电机转矩可以达到最大值。

磁钢厚度占所在方向上的转子厚度比例有合适的取值范围，以保证电机的永磁磁链。具体为：转子单极单侧弧长为C₁，转子径向长度为L₂。应满足Hs_sum/C₁＝k₂，其中0.35≤k₂≤0.5；Hm_sum/L₂＝k₃，其中0.35≤k₃≤0.5。

对于两层磁钢之间的磁栅厚度G，同样应满足中间磁栅总厚度Gm_sum大于两侧磁栅总厚Gs_sum，具体为：中间磁栅总厚度为Gm_sum＝∑Gm_x(x＝0，1，2…，t)，两侧磁栅总厚为Gs_sum＝∑Gs_x(x＝0，1，2…，t)。应满足Gm_sum＞Gs_sum，并且Gs_sum/Gm_sum＝k₄×π/p,其中0.6≤k₄≤1.2。该取值范围内转子上磁密合适，永磁磁链较高并且不易出现过饱和的情况。

对于不同层的磁钢，内层磁钢厚度应大于外层磁钢厚度。具体为：对从外向内的第n层磁钢，磁钢厚度Hs_n和Hm_n(n＝2，3…，t)，有Hs_n/Hs_n-1≥1.1，Hm_n/Hm_n-1≥1.1。

对于每层磁钢之间磁栅的厚度，应满足：对于从外向内的第n层磁钢(n＝1，2…，t)，磁钢厚度为H_n，其外侧和内侧的磁栅厚度分别为G_n-1和G_n，有(G_n-1+G_n)/H_n＝k₅，其中1.5≤k₅≤3。该取值对弧形非等厚磁钢的两侧厚度Hs和中间厚度Hm均适用。

本实施例中，所用磁钢采用铁氧体磁钢，剩磁在0.2-0.8T。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高转矩密度的电机转子结构，其特征在于，包括转子本体以及呈周向均匀设置在转子本体上的多个磁钢槽组，磁钢槽组的数量与转子极数相对应；

每个磁钢槽组包括开口朝外的多层圆弧形的磁钢槽，每层磁钢槽内设有尺寸相匹配的磁钢；

其中，最外层磁钢槽内设有一块C型圆弧磁钢，最外层磁钢槽中间部分对应的磁钢厚度Hm₁≥两侧部分对应的磁钢厚度Hs₁；

由外向内的第二层开始，每层磁钢槽的中间由磁桥隔开，每层磁钢槽内均设有左右两块磁钢；两块磁钢远离磁桥的部分为直线段，与极间分割线平行；两块磁钢靠近磁桥的部分构成圆弧段，圆弧段的中间被磁桥隔开；圆弧段的磁钢不等厚，每层磁钢槽中间部分对应的磁钢厚度Hm_n＞两侧部分直线段对应的磁钢厚度Hs_n，n＝2,3…t，t为磁钢槽的层数。

2.根据权利要求1所述的高转矩密度的电机转子结构，其特征在于，每个磁钢槽组中，两侧部分的磁钢总厚度为Hs_sum＝∑Hs_n，中间部分的磁钢总厚度为Hm_sum＝∑Hm_n，n＝1,2…t；Hm_sum＞Hs_sum，并且Hs_sum/Hm_sum＝k₁×π/p,其中0.6≤k₁≤1.2，转子极数2p≥6，磁钢槽的层数t≥2。

3.根据权利要求2所述的高转矩密度的电机转子结构，其特征在于，所述电机转子结构的单极单侧弧长为C₁，转子本体的径向长度为L₂，则Hs_sum/C₁＝k₂，其中0.35≤k₂≤0.5；Hm_sum/L₂＝k₃，其中0.35≤k₃≤0.5。

4.根据权利要求2所述的高转矩密度的电机转子结构，其特征在于，每个磁钢槽组中，相邻两层磁钢之间的磁栅厚度为G；两侧部分的磁栅总厚度Gs_sum＝∑Gs_x，中间部分的磁栅总厚度Gm_sum＝∑Gm_x，x＝0,1,2…t，满足Gm_sum＞Gs_sum，并且Gs_sum/Gm_sum＝k₄×π/p，其中0.6≤k₄≤1.2。

5.根据权利要求1所述的高转矩密度的电机转子结构，其特征在于，每个磁钢槽组中，不同层的磁钢厚度由外向内变大。

6.根据权利要求5所述的高转矩密度的电机转子结构，其特征在于，相邻两层磁钢槽的两侧部分，内层磁钢与外层磁钢的厚度比值Hs_n/Hs_n-1≥1.1；相邻两层磁钢槽的中间部分，内层磁钢与外层磁钢的厚度比值Hm_n/Hm_n-1≥1.1，n＝2,3…t。

7.根据权利要求1所述的高转矩密度的电机转子结构，其特征在于，每个磁钢槽组中，对于从外向内的第n层磁钢，n＝1,2…t，磁钢厚度为H_n，其外侧和内侧的磁栅厚度分别为Gn-1和Gn，满足(G_n-1+G_n)/H_n＝k₅，其中1.5≤k₅≤3。

8.根据权利要求1所述的高转矩密度的电机转子结构，其特征在于，所述的磁钢采用铁氧体磁钢，剩磁在0.2-0.8T。

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