CN102761187A - 电动机转子及内置式永磁电动机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电动机转子及内置式永磁电动机。本发明的电动机转子，包括铁芯（2），铁芯（2）上设置沿周向设置的多组永磁体磁极，每组永磁体磁极包括多层永磁体槽，在每一组永磁体磁极中，部分永磁体槽中嵌入永磁体（4），其他永磁体槽中设置能导通磁通的磁桥。应用本发明的技术方案，通过在不设置永磁体（4）的永磁体槽中设置磁通的磁桥，得以在使用较少量稀土永磁体情况下，使永磁辅助式同步磁阻电动机的永磁转矩与磁阻转矩的合成转矩到达较大水平，进而提高了电机的效率。

Description

电动机转子及内置式永磁电动机

技术领域

本发明涉及电动机领域，具体而言，涉及一种电动机转子及内置式永磁电动机。

背景技术

内置永磁同步电动机(IPM)因为永久磁铁埋在转子铁芯内，转子的牢固性增强并且减小永磁体内部的涡流损耗。永磁体内置式永磁同步电动机d轴、q轴方向之间电感存在差异，除了可以利用电机的永磁转矩之外还可以利用电机的磁阻转矩，得以提高电机的效率。因此其应用越来越广泛，内置永磁同步电动机电磁转矩由永磁转矩与磁阻转矩构成，其电磁转矩公式如下：

T=p(L_d-L_q)i_di_q+pψ_PMi_q

式子中第一项为磁阻转矩，第二项为永磁转矩。其中p为电机极对数，Ψ_PM为转子永磁体在定子绕组上产生磁链，L_d、L_q分别为d轴和q轴电感，i_d、i_q是定子电流空间矢量在d、q轴方向上的分量。通过增加第二项中间的Ψ_PM以及通过提高电机d、q轴电感差值（提高q轴电感或减小d轴电感）都可以实现电机输出转矩的提高。

永磁辅助式同步磁阻电机作为永磁同步电机和同步磁阻电机的结合体，最大限度的利用了电机的磁阻转矩，并采用永磁转矩进行辅助，综合了两种电机的优点，其电机效率和功率因数都较高，因此越来越得到重视。

图1展示了现有技术中转子包含一层永磁体的内置式永磁同步电机（IPM），转子1’包含由电磁钢板叠压而成的转子铁芯2’，转子铁芯2’上均匀分布了四个永磁体槽3’，永磁体槽3’中放置永磁体4’，电机主要利用永磁体4’与定子绕组磁场作用产生的永磁转矩进行工作。

图2展示了现有技术中转子包含两层永磁体的永磁辅助式同步磁阻电机，转子1’包含由电磁钢板叠压而成的转子铁芯2’，转子铁芯2’上均匀分布了四组对应的第1层永磁体槽3a’和第2层永磁体槽3b’，两层永磁体槽中分别放置了外永磁体4a’和内永磁体4b’，电机主要利用永磁体与定子绕组磁场作用产生的永磁转矩和转子由于d、q轴方向电感差所产生的磁阻转矩进行工作。

现有技术中的电机仍然存在着稀土永磁体使用量大造成成本较高以及效率仍较低的技术问题。

发明内容

本发明旨在提供一种电动机转子及内置式永磁电动机，以解决现有技术中的电机永磁体使用量大，效率较低的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种电动机转子，包括铁芯，铁芯上设置沿周向设置的多组永磁体磁极，每组永磁体磁极包括多层永磁体槽，在每一组永磁体磁极中，部分永磁体槽中嵌入永磁体，其他永磁体槽中设置能导通磁通的磁桥。

进一步地，每组永磁体磁极包括两层永磁体槽，在每一组永磁体磁极中，外层的永磁体槽中嵌入永磁体，内层的永磁体槽中设置磁桥。

进一步地，每组永磁体磁极包括三层永磁体槽，在每一组永磁体磁极中，最外层的永磁体槽中嵌入永磁体，内层的两个永磁体槽中设置磁桥。

进一步地，在一个永磁体槽中，磁桥设置为多个。

进一步地，磁桥设置为三个。

进一步地，在一组永磁体磁极中，一个永磁体槽中的磁桥的总宽度L与一个永磁体槽中的永磁体的宽度T的数值关系为：

进一步地，磁桥在永磁体槽中以永磁体槽的中线对称分布。

进一步地，具有磁桥的永磁体槽中，在电动机转子旋转方向上游侧的磁桥的宽度大于旋转方向下游侧的磁桥的宽度。

进一步地，永磁体槽的宽度由中间向电动机转子旋转方向下游侧的磁桥位置逐渐变窄。

进一步地，在一组永磁体磁极中，具有磁桥的永磁体槽的对称中心线相对于具有永磁体的永磁体槽向转子旋转下游侧偏移。

进一步地，永磁体槽的横截面形状为直线形、U形、弧形或V形。

根据本发明的另一方面，提供了一种内置式永磁电动机，包括转子和定子，转子是上述的电动机转子。

进一步地，转子的相邻内层永磁体槽末端外表面之间的距离W大于定子的齿宽S。

应用本发明的技术方案，通过在不设置永磁体的永磁体槽中设置磁通的磁桥，得以在使用较少量稀土永磁体情况下，使永磁辅助式同步磁阻电动机的永磁转矩与磁阻转矩的合成转矩到达较大水平，进而提高了电机的效率。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了现有技术中的单层电动机转子示意图；

图2示出了现有技术中的双层电动机转子示意图；

图3示出了本发明的第一实施例的四组两层方形电动机转子示意图；

图4示出了磁桥宽度对电机电磁转矩的影响；

图5示出了本发明的第二实施例的四组两层方形电动机转子磁桥不相等结构的示意图；

图6示出了本发明的第三实施例的四组两层方形电动机转子永磁体槽末端不对称结构的示意图；

图7示出了本发明的第四实施例的四组三层方形电动机转子示意图；

图8示出了本发明的第五实施例的四组两层弧形电动机转子示意图；

图9示出了本发明的第六实施例的四组两层U形电动机转子示意图；以及

图10示出了本发明的第七实施例的四组两层弧形电动机转子与定子配合示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

以图3中示出的本发明第一实施例的四极转子，每极下包含两层永磁体槽、内层永磁体槽包含三个磁桥的电动机转子为例对本发明进行说明：

本发明的电机转子1包括由硅钢片叠成的铁芯2、铁芯2上有多组永磁体槽，每组永磁体槽构成电机的一个极。每组永磁体槽包含两层永磁体槽：远离转子中心的外层永磁体槽3a和靠近转子中心的内层永磁体槽3b。方块形永磁体4嵌入铁芯2的外层永磁体槽3a中，两个永磁体槽中间的区域称为导磁通道。本发明的技术特点在于，外层永磁体槽3a中放置钕铁硼永磁体4，内层永磁体槽3b中不放置永磁体4，内层永磁体槽3b中间设置有三个可以导通磁通的磁桥5a、5b、5c，三个磁桥5a、5b、5c的宽度分别为L1、L2、L3。本发明在转子1的外层永磁体槽3a中放置钕铁硼永磁体4，内层永磁体槽3b不放置永磁体4，而增加磁桥，使各永磁体4之间的磁通可以顺利通过内层永磁体槽3b。

如图4所示，研究试验发现电机的电磁转矩随多个磁桥总的宽度L与永磁体宽度T的比值变化，通过将三个磁桥总的宽度L=L1+L2+L3与永磁体宽度T之比满足以下关系：可以使得电机的合成电磁转矩处于较大的水平，提高电机的效率。

通过将磁桥的总宽度L设置为不小于永磁体宽度的1/6，可使得本发明的电机相比图1中的单层永磁体结构和图2中的双层永磁体槽同时放置永磁体结构的电机，磁链不发生明显的下降，保证了永磁转矩的利用。同时将L设置为不大于永磁体4宽度的2/5，可以使磁桥处于接近磁饱和的状态，使得电机的d轴方向磁链相比图2中的双层永磁体槽结构不发生明显的增加，减小了d轴电感，并且对于两个永磁体槽中间的导磁通道的饱和起到了一定的缓解，加大了q轴电感，增大了磁阻转矩的利用。本发明相比图1中的单层电机的好处是永磁体用量相当，永磁转矩的利用基本不明显下降，但增大了磁阻转矩的利用，提高了电机效率。本发明相比图2中的电机的好处是电机的永磁转矩和磁阻转矩利用基本相当，但永磁体的用量减少了接近一半，显著降低了电机的成本，并且增加的磁桥有助于提高转子1的机械强度。

如图3中示出的第一实施例，本发明的电动机转子内层永磁体槽3b上的磁桥5a、5b、5c在转子1的d轴方向对称分布。

如图5中示出的第二实施例，本发明的电动机转子内层永磁体槽3b在转子1旋转方向上游侧的磁桥5c的宽度L1大于旋转方向下游侧的磁桥5a的宽度L3。电机同一极下的内层永磁体槽3b两端磁桥通过的磁力线根数不相同，旋转上游侧的磁桥5c通过的磁力线根数大于旋转下游侧的磁桥5a，上游侧的磁桥更加饱和，通过将上游侧的磁桥宽度L1设置成大于旋转方向下游侧的磁桥宽度L3，可以有效缓解磁桥饱和造成的电磁转矩下降和转矩脉动。

优选地，本发明的电动机转子内层永磁体槽3b在靠近转子1旋转方向下游侧磁桥处被削尖，使永磁体槽宽度在中间向磁桥位置逐渐变窄。通过将永磁体槽宽度在中间向磁桥位置逐渐变窄，使得在下游侧磁桥附近的导磁通道宽度增加，缓解了磁路的饱和。

优选地，如图6中示出的第三实施例，本发明的电动机转子内层永磁体槽3b末端部分的对称中心线往转子1旋转下游侧偏移，使得两永磁体槽末端之间的间隔在转子1旋转上游侧比旋转下游侧窄。转子1的两永磁体槽末端的间隔位置磁力线集中程度不相同，在旋转下游侧的导磁通道末端磁力线集中，磁路较为饱和，通过将转子内层永磁体槽3b末端部分的对称中心线往转子1的旋转下游侧偏移一定距离G，使得两永磁体槽末端之间的间隔在转子旋转上游侧比旋转下游侧窄，可以有效缓解导磁通道末端磁路饱和。

如图7中示出的第四实施例，本发明的电动机转子每组永磁体槽包括三层，内层和中层的永磁体槽3b上的磁桥数量可以为3个。

优选地，如图8中示出的第五实施例，本发明的电动机转子1中的永磁体及永磁体槽的形状可以是弧形。

优选地，如图9中示出的第六实施例，本发明的电动机转子永磁体槽的截面形状可以是U形。除了上述实施例中示出的直线形和U形外，永磁体槽截面形状也可以是弧形或是V型。

本发明的第七实施例如图10中所示，电机由转子1和定子6组成，定子6包含由电磁钢板叠压而成的定子铁芯7以及放置在定子槽内的绕组8，转子1包括由硅钢片叠成的转子铁芯2、转子铁芯2上有多组永磁体槽，每组永磁体槽构成电机一个极，每组永磁体槽包含2层永磁体槽：远离转子中心的外层永磁体槽3a和靠近转子中心的内层永磁体槽3b，永磁体4嵌入在转子铁芯2的内层永磁体槽3b中,两个永磁体槽中间的区域称为导磁通道，本发明的技术特点在于，内层永磁体槽3b中放置钕铁硼永磁体，外层永磁体槽3b中不放置永磁体4，外层永磁体槽3a中间设置有3个磁桥5a、5b、5c，磁桥5a、5b、5c的宽度分别为L1、L2、L3。在该实施例中，两个最内层永磁体槽末端外表面的距离W大于定子齿宽S。通过将两个最内层永磁体槽末端外表面的距离W设置大于定子齿宽S，可以有效减少永磁体端部磁场在定子齿部形成漏磁。增加了电机的磁链，加大了永磁转矩的利用，减小了永磁体端部漏磁造成的转矩脉动。

以上说明的实施例都是四极电机，但本发明的效果对于其他极数电机同样适用，无论永磁体槽型是弧型、U型、V型，采用以上技术手段，都可以达到相同的目的。

本领域技术人员容易理解，本发明的电动机转子，可以转用到发电机领域。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：可以在使用较少量稀土永磁体情况下，使永磁辅助式同步磁阻电动机的的永磁转矩与磁阻转矩的合成转矩到达较大水平，进而提高电机的效率。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种电动机转子，包括铁芯（2），所述铁芯（2）上设置沿周向设置的多组永磁体磁极，每组永磁体磁极包括多层永磁体槽，其特征在于，在每一组所述永磁体磁极中，部分所述永磁体槽中嵌入永磁体（4），其他永磁体槽中设置能导通磁通的磁桥。

2.根据权利要求1所述的电动机转子，其特征在于，每组所述永磁体磁极包括两层所述永磁体槽，在每一组所述永磁体磁极中，外层的所述永磁体槽中嵌入永磁体，内层的所述永磁体槽中设置所述磁桥。

3.根据权利要求1所述的电动机转子，其特征在于，每组所述永磁体磁极包括三层所述永磁体槽，在每一组所述永磁体磁极中，最外层的所述永磁体槽中嵌入永磁体，内层的两个所述永磁体槽中设置所述磁桥。

4.根据权利要求1或2或3所述的电动机转子，其特征在于，在一个所述永磁体槽中，所述磁桥设置为多个。

5.根据权利要求4所述的电动机转子，其特征在于，所述磁桥设置为三个。

6.根据权利要求1所述的电动机转子，其特征在于，在一组所述永磁体磁极中，一个所述永磁体槽中的所述磁桥的总宽度L与一个所述永磁体槽中的所述永磁体的宽度T的数值关系为： $\frac{1}{6}T\≤L\≤\frac{2}{5}T.$

7.根据权利要求1所述的电动机转子，其特征在于，所述磁桥在所述永磁体槽中以所述永磁体槽的中线对称分布。

8.根据权利要求1所述的电动机转子，其特征在于，具有磁桥的所述永磁体槽中，在所述电动机转子（1）旋转方向上游侧的所述磁桥的宽度大于旋转方向下游侧的所述磁桥的宽度。

9.根据权利要求1所述的电动机转子，其特征在于，所述永磁体槽的宽度由中间向所述电动机转子旋转方向下游侧的磁桥位置逐渐变窄。

10.根据权利要求1所述的电动机转子，其特征在于，在一组所述永磁体磁极中，具有磁桥的所述永磁体槽的对称中心线相对于具有永磁体的所述永磁体槽向所述转子旋转下游侧偏移。

11.根据权利要求1所述的电动机转子，其特征在于，所述永磁体槽的横截面形状为直线形、U形、弧形或V形。

12.一种内置式永磁电动机，包括转子（1）和定子（6），其特征在于，所述转子（1）是如权利要求1-11中任意一项所述的电动机转子（1）。

13.根据权利要求12所述的内置式永磁电动机，其特征在于，所述转子（1）的相邻内层永磁体槽末端外表面之间的距离W大于所述定子（6）的齿宽S。

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