CN213693262U - 一字型不对称分段永磁同步电机转子 - Google Patents

Abstract

一种一字型不对称分段永磁同步电机转子，涉及电机技术领域，该转子的转子铁芯上设有多个永磁单元，各个永磁单元围绕转子铁芯的轴心对称布设；所述永磁单元包括一字型磁钢组合，所述一字型磁钢组合由两个宽度相异的磁钢分段组成，并且一字型磁钢组合中的两个磁钢分段布设成垂直于d轴的一字型，并且逆时针侧磁钢分段的宽度大于顺时针侧磁钢分段的宽度，并且两个磁钢分段分置于两个相互隔断的永磁槽内，并且在两个磁钢分段的背向端都设有隔磁槽。本实用新型提供的转子，能降低齿槽引起的转矩波动。

Description

一字型不对称分段永磁同步电机转子

技术领域

本实用新型涉及电机技术，特别是涉及一种一字型不对称分段永磁同步电机转子的技术。

背景技术

电动汽车是解决能源危机和环境污染的重要途径。但电动汽车用驱动电机制约着中国电动汽车的研发及其产业化进程。尤其在适用于电动汽车用永磁同步电机方面，存在着转矩波动大、高速恒功率范围窄和可靠性差等缺陷，难以满足要求。

现有内置式永磁同步电机转子的永磁磁极都为对称结构，图1为现有采用对称永磁磁极结构的一字型永磁同步电机转子的结构示意图，如图1所示，对称永磁磁极结构的转子中，磁钢101都相对d轴（磁极轴线）对称布设，磁钢两端设有隔磁槽102，隔磁槽实际上是非磁性磁通屏障，起到隔磁、抑制漏磁通的作用，磁钢外端的隔磁槽102与转子铁芯100的外周面之间的区域形成导磁桥103，磁钢101与转子磁轭104构成对称永磁磁极。对称永磁磁极结构的转子的特点是，d轴永磁磁通密度高，使得d轴部位与定子齿面产生的径向力大，而q轴（极间轴线）永磁磁通密度低，使得q轴部位与定子齿面产生的径向力小，由于d轴、q轴部位与定子齿面产生的径向力差异、变化，使得电机运行时会产生较大的机械振动、噪音和转矩波动。

实用新型内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本实用新型所要解决的技术问题是提供一种能降低齿槽引起的转矩波动，从而能降低机械振动、噪音和扩大高速恒功率范围的一字型不对称分段永磁同步电机转子。

为了解决上述技术问题，本实用新型所提供的一种一字型不对称分段永磁同步电机转子，包括转子铁芯，所述转子铁芯上设有多个永磁单元，各个永磁单元围绕转子铁芯的轴心对称布设；其特征在于：

所述永磁单元包括一字型磁钢组合，所述一字型磁钢组合由两个宽度相异的磁钢分段组成，并且一字型磁钢组合中的两个磁钢分段布设成垂直于d轴的一字型，并且逆时针侧磁钢分段的宽度大于顺时针侧磁钢分段的宽度，并且两个磁钢分段分置于两个相互隔断的永磁槽内，并且在两个磁钢分段的背向端都设有隔磁槽。

进一步的，所述永磁单元中还包括V字型磁钢组合，所述V字型磁钢组合由一个磁钢单体及两个宽度相异的磁钢分段组成，并且V字型磁钢组合中的磁钢单体及两个磁钢分段布设成V字型，其中的磁钢单体布设在d轴的逆时针侧，两个磁钢分段布设在d轴的顺时针侧，并且该两个磁钢分段中，近d轴侧磁钢分段的宽度大于近q轴侧磁钢分段的宽度，并且该两个磁钢分段分置于两个相互隔断的永磁槽内，并且在两个磁钢分段的背向端都设有隔磁槽，磁钢单体的内外两端都设有隔磁槽。

进一步的，所述永磁单元中的一字型磁钢组合有多个，各个一字型磁钢组合沿转子铁芯的径向由内至外依次布设。

进一步的，所述一字型磁钢组合中，两个磁钢分段背向端的隔磁槽的近转子铁芯外圆一侧槽边从d轴一侧朝向q轴一侧由内向外倾斜。

本实用新型提供的一字型不对称分段永磁同步电机转子，采用内置式不等宽磁钢分段结构，并与极靴构成不对称永磁磁极，获得了与定子铁心斜槽、转子永磁磁极斜极、定转子间采用不均匀气隙等工艺和结构复杂的措施同样的效果，能降低齿槽引起的转矩波动，使磁极径向中心线的d轴与极间中心线的q轴径向力趋于平衡，减小转子离心力，降低机械振动、噪音和反电势谐波，减少铁心损耗，同时克服了斜槽和斜极的弊病；并且一字型磁钢组合中的两个磁钢分段分置于两个相互隔断的永磁槽内，从而在两个磁钢分段之间形成导磁桥，磁钢分段之间的导磁桥的存在，一方面提供了附加磁通路径，提高了电机高速区恒功率扩速能力，另一方面相当于转子的加强筋，抗高速离心力，提高过载能力，有利于电机频繁启动；此外在隔磁槽近转子铁芯外圆一侧设置有斜度的不等厚导磁桥，能调节导磁桥区域的磁路饱和程度，优化磁通密度波形，有效降低转矩波动。

附图说明

图1是现有采用对称永磁磁极结构的一字型永磁同步电机转子的径向截面图；

图2是本实用新型第一实施例的一字型不对称分段永磁同步电机转子的径向截面图；

图3是本实用新型第二实施例的一字型不对称分段永磁同步电机转子的径向截面图；

图4是本实用新型第三实施例的一字型不对称分段永磁同步电机转子的径向截面图；

图5是本实用新型第四实施例的一字型不对称分段永磁同步电机转子的径向截面图；

图6是现有采用对称永磁磁极结构的一字型永磁同步电机转子的电机转矩波动曲线图；

图7是本实用新型第一实施例的一字型不对称分段永磁同步电机转子的电机转矩波动曲线图；

图8是本实用新型第四实施例的一字型不对称分段永磁同步电机转子的电机转矩波动曲线图。

具体实施方式

以下结合附图说明对本实用新型的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本实用新型，凡是采用本实用新型的相似结构及其相似变化，均应列入本实用新型的保护范围，本实用新型中的顿号均表示和的关系。

如图2所示，本实用新型第一实施例所提供的一种一字型不对称分段永磁同步电机转子，包括转子铁芯10，所述转子铁芯上设有多个永磁单元，各个永磁单元围绕转子铁芯的轴心对称布设；其特征在于：

所述永磁单元包括一个一字型磁钢组合，所述一字型磁钢组合由两个宽度相异的磁钢分段11、12组成（磁钢分段的长度方向与转子铁芯的轴向平行），并且一字型磁钢组合中的两个磁钢分段11、12布设成垂直于d轴（磁极轴线）的一字型，并且逆时针侧磁钢分段11的宽度大于顺时针侧磁钢分段12的宽度，并且两个磁钢分段11、12分置于两个相互隔断的永磁槽内，并且在两个磁钢分段的背向端都设有隔磁槽13。

齿槽转矩也称磁阻转矩是自动化场合、机电一体化场合的调速系统中致命缺陷，内置式永磁电机有效气隙小，齿槽转矩影响更大，齿槽转矩对输出造成干扰，产生振动和噪音，斜槽或斜极是最常用减小转矩波动的方法，但定子斜槽使生产工艺和结构复杂，使定子槽面积减小，降低出力，使铜耗增加，斜槽和斜极两者均降低出力，并是使电机的工艺和结构复杂，电机制造成本提高。高精度调速系统对齿槽转矩波动要求很严格，因为在调速系统中，当电机转矩的频率与定子或转子的机械共振频率一致时，齿槽转矩产生的振动和噪音被显著放大，同时也影响低速性能和定位精度。

本实用新型第一实施例中，相对d轴形成不对称布设的磁钢与极靴（转子铁芯）构成不对称永磁磁极，获得了与定子铁心斜槽、转子永磁磁极斜极、定转子间采用不均匀气隙等工艺和结构复杂的措施同样的效果，能降低齿槽引起的转矩波动类似的平均效果，减小了气隙磁导的变化，从而减小了当转子旋转时气隙磁场储能的变化，使d轴与q轴（极间轴线）径向力趋于平衡，削弱了齿槽转矩（齿槽转矩也称磁阻转矩，是电动汽车驱动系统中致命缺陷）；而且还抑制了齿槽引起的转矩波动，显著减小转子高速运行时的噪音、机械振动和定子铁心变形，特别是可显著减小反电势谐波分量，使有效降低反电势总谐波失真THD，有利于电机频繁启动，提高效率、过载能力和功率密度；克服了斜槽和斜极的弊病（两者均降低出力，并是使电机的工艺和结构复杂，电机制造成本提高）；本实用新型第一实施例镶入不等宽磁钢的永磁槽相互不贯通、有间隔，形成导磁桥，此外磁钢两端设有隔磁槽（非磁性磁通屏障）两者均起到隔磁、抑制漏磁通的作用；磁钢分段之间的导磁桥的存在，一方面提供了附加磁通路径，提高了电机高速区恒功率扩速能力，另一方面相当于转子的加强筋，抗高速离心力，提高过载能力，有利于电机频繁启动。

如图3所示，本实用新型第二实施例与第一实施例相似，第二实施例的转子铁芯20上也设有多个永磁单元，并且各个永磁单元围绕转子铁芯的轴心对称布设，并且永磁单元中也包括由两个宽度相异的磁钢分段21、22组成的一字型磁钢组合，并且一字型磁钢组合中的两个磁钢分段21、22也布设成垂直于d轴的一字型，并且逆时针侧磁钢分段21的宽度大于顺时针侧磁钢分段22的宽度，并且两个磁钢分段21、22分置于两个相互隔断的永磁槽内，并且在两个磁钢分段的背向端都设有隔磁槽23。

本实用新型第二实施例与第一实施例的区别在于，第二实施例的永磁单元中还包括V字型磁钢组合，所述V字型磁钢组合由一个磁钢单体24及两个宽度相异的磁钢分段25、26组成，并且V字型磁钢组合中的磁钢单体24及两个磁钢分段25、26布设成V字型，其中的磁钢单体24布设在d轴的逆时针侧，两个磁钢分段25、26布设在d轴的顺时针侧，并且该两个磁钢分段中，近d轴侧磁钢分段25的宽度大于近q轴侧磁钢分段26的宽度，并且该两个磁钢分段25、26分置于两个相互隔断的永磁槽内，并且在两个磁钢分段的背向端都设有隔磁槽27，磁钢单体24的内外两端都设有隔磁槽27（朝向转子铁芯外圆一端为外端）。

本实用新型第二实施例在第一实施例的基础增加了V字型磁钢组合，相对第一实施例能提高气隙磁密，提高电机转矩密度和功率密度，提高弱磁扩速能力。

如图4所示，本实用新型第三实施例与第一实施例相似，第三实施例的转子铁芯30上也设有多个永磁单元，并且各个永磁单元围绕转子铁芯的轴心对称布设，并且永磁单元中也包含一字型磁钢组合；

本实用新型第三实施例与第一实施例的区别在于，第三实施例的永磁单元中的一字型磁钢组合有三个，该三个一字型磁钢组合沿转子铁芯30的径向由内至外依次布设，其中的第一个一字型磁钢组合由两个宽度相异的磁钢分段311、321组成，第二个一字型磁钢组合由两个宽度相异的磁钢分段312、322组成，第三个一字型磁钢组合由两个宽度相异的磁钢分段313、323组成，每个一字型磁钢组合中的两个磁钢分段也布设成垂直于d轴的一字型，并且逆时针侧磁钢分段的宽度大于顺时针侧磁钢分段的宽度，并且每个一字型磁钢组合中的两个磁钢分段分置于两个相互隔断的永磁槽内，并且每个一字型磁钢组合中的两个磁钢分段的背向端也都设有隔磁槽33。

本实用新型第三实施例在第一实施例的基础增加了两个一字型磁钢组合，相对第一实施例能提高气隙磁密，提高电机转矩密度和功率密度，提高弱磁扩速能力。

本实用新型其它实施例的永磁单元中的一字型磁钢组合也可以有两个或三个以上。

如图5所示，本实用新型第四实施例与第一实施例相似，第三实施例的转子铁芯40上也设有多个永磁单元，并且各个永磁单元围绕转子铁芯的轴心对称布设，并且永磁单元中也包括由两个宽度相异的磁钢分段41、42组成的一字型磁钢组合，并且一字型磁钢组合中的两个磁钢分段41、42也布设成垂直于d轴的一字型，并且逆时针侧磁钢分段41的宽度大于顺时针侧磁钢分段42的宽度，并且两个磁钢分段41、42分置于两个相互隔断的永磁槽内，并且在两个磁钢分段的背向端都设有隔磁槽43。

本实用新型第四实施例与第一实施例的区别在于，第四实施例中，一字型磁钢组合中的两个磁钢分段背向端的隔磁槽43的近转子铁芯外圆一侧槽边从d轴一侧朝向q轴一侧由内向外倾斜（朝向转子铁芯外圆一侧为外侧），使得隔磁槽43与转子铁芯40的外周面之间的区域形成的导磁桥401的厚度也从d轴一侧朝向q轴一侧逐渐变薄，导磁桥401近d轴一端的厚度h2要大于导磁桥401近q轴一端的厚度h1,使得导磁桥401近q轴一端磁路相对饱和，导磁桥401的磁路饱和程度从近q轴一端朝向近d轴一端逐渐减弱，调节厚度h1和h2，即可调节该导磁桥区域的磁路饱和程度，优化磁通密度波形，使气隙磁密波形更接近正弦分布、减小谐波分量，改善电机气隙磁场波形，提高齿槽转矩波动的基波次数，减小齿槽基波和高次谐波转矩幅值，降低齿槽引起的转矩波动，有效降低转矩波动。

图6、图7、图8分别是现有采用对称永磁磁极结构的一字型永磁同步电机转子、本实用新型第一实施例及本实用新型第四实施例的电机转矩波动曲线图，图6、图7及图8中的横轴θ为转矩角，竖轴Tcog（Nm）为齿槽转矩，电机额定功率为15KW。

根据图6、图7、图8的比较可见：内置式永磁同步电机采用不对称磁钢分段，构成不对称永磁磁极的结构，能使齿槽转矩从现有结构的2.57Nm减小到1.23Nm（第一实施例）和1.16Nm（第四实施例），齿槽转矩波动能从现有结构的4.5%减小到2.15%（第一实施例）和2.0%（第四实施例），效率能从现有结构的94.2%提高到95.6%（第一实施例）和96.2%（第四实施例），采用本实用新型实施例的优化技术，能使电机综合性能显著提高。

本实用新型各实施例电机采用内置式不等宽磁钢分段结构，并与极靴（转子铁芯的局部区域）构成不对称永磁磁极的措施，能降低齿槽引起的转矩波动，使磁极径向中心线的d轴与极间中心线的q轴径向力趋于平衡，减小转子离心力，降低机械振动、噪音和反电势谐波，减少铁心损耗。

永磁同步电机的转矩波动来自磁钢与定子齿之间的相互作用产生的齿槽转矩和感应电动势波形、电流波形中含有的谐波产生的纹波转矩，合理设置的导磁桥和磁钢两端设置有倾斜、不等厚导磁桥，使气隙磁密波形的谐波含量减小，有效削弱齿槽转矩和齿谐波电动势，可以获得比现有内置式整体永磁同步电机更宽广的恒功率速度范围，实现电机高效、高可靠性、宽调速、低噪、低波动平稳运行等特点，有效提高电机的综合性能，满足电动、混合动力汽车驱动要求。

Claims (4)

1.一种一字型不对称分段永磁同步电机转子，包括转子铁芯，所述转子铁芯上设有多个永磁单元，各个永磁单元围绕转子铁芯的轴心对称布设；其特征在于：

所述永磁单元包括一字型磁钢组合，所述一字型磁钢组合由两个宽度相异的磁钢分段组成，并且一字型磁钢组合中的两个磁钢分段布设成垂直于d轴的一字型，并且逆时针侧磁钢分段的宽度大于顺时针侧磁钢分段的宽度，并且两个磁钢分段分置于两个相互隔断的永磁槽内，并且在两个磁钢分段的背向端都设有隔磁槽。

2.根据权利要求1所述的一字型不对称分段永磁同步电机转子，其特征在于：所述永磁单元中还包括V字型磁钢组合，所述V字型磁钢组合由一个磁钢单体及两个宽度相异的磁钢分段组成，并且V字型磁钢组合中的磁钢单体及两个磁钢分段布设成V字型，其中的磁钢单体布设在d轴的逆时针侧，两个磁钢分段布设在d轴的顺时针侧，并且该两个磁钢分段中，近d轴侧磁钢分段的宽度大于近q轴侧磁钢分段的宽度，并且该两个磁钢分段分置于两个相互隔断的永磁槽内，并且在两个磁钢分段的背向端都设有隔磁槽，磁钢单体的内外两端都设有隔磁槽。

3.根据权利要求1所述的一字型不对称分段永磁同步电机转子，其特征在于：所述永磁单元中的一字型磁钢组合有多个，各个一字型磁钢组合沿转子铁芯的径向由内至外依次布设。

4.根据权利要求1所述的一字型不对称分段永磁同步电机转子，其特征在于：所述一字型磁钢组合中，两个磁钢分段背向端的隔磁槽的近转子铁芯外圆一侧槽边从d轴一侧朝向q轴一侧由内向外倾斜。

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