CN110729868A - 一种磁钢内置式双u型分数槽集中绕组永磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种磁钢内置式双U型分数槽集中绕组永磁电机，包括定子和转6，电机转子包括转子铁芯、内层磁钢、外层磁钢、磁钢槽。内层磁钢、外层磁钢都呈U型分布于转子铁芯部。每组磁钢包括4块磁钢，其中每组包括2块径向磁钢，两块切向磁钢。每组磁钢中相邻的两块磁钢之间设置有用于加强转子机械强度的磁桥，合适的磁桥宽度，既能保证电机转子的机械强度，又能使电机不至于产生较大的漏磁。无论是磁钢之间的磁桥宽度还是磁钢与转子外圆之间的磁桥宽度，外层的磁桥宽度大于内层的磁桥宽度。本发明通过增加内置式磁钢层数的方式，在增加了电机磁阻转矩的同时，又利用分段转子的方式减小了电机的脉动转矩和转子涡流损耗。

Description

一种磁钢内置式双U型分数槽集中绕组永磁电机

技术领域

本发明涉及电机领域，特别涉及双层磁钢结构的内置式永磁电机。

背景技术

与表贴式永磁电机，内置式永磁电机的交直轴电感不相等，电机具有较大的磁阻转矩，弱磁性能更好。但是磁钢内置，电机转子漏磁增大，气隙磁密较低，降低了电机的转矩/功率密度；为了进一步提高内置式永磁电机的转矩密度，可以通过在d轴上设置多层磁钢，以减小d轴电感，增大d、q轴电感差，提升磁阻转矩，增大电机的转矩/功率密度。

与常规单层内置永磁同步电机相比，多层磁钢内置永磁电机d、q轴电感差更大，因此磁阻转矩利用率更高，因此具有更高的转矩密度。但是由于磁钢层数较多的原因，d轴电感较小，会使电机的弱磁能力减小，使电机宽速运行范围减小。同时由于磁障的设置，通常也会使电机转子的机械强度降低。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种磁钢内置式双U型分数槽集中绕组永磁电机，既能保证电机转子的机械强度，又能使电机不至于产生较大的漏磁。

技术方案：一种磁钢内置式双U型分数槽集中绕组永磁电机，包括定子和转子；所述转子包括转子铁芯，所述转子铁芯内部沿圆周均匀分布磁钢槽，所述磁钢槽为双层U型槽，所述双层U型槽的开口方向朝向所述转子一侧；所述双层U型槽内层和外层的平底部磁极中心分布设置两块径向磁化的磁钢，所述双层U型槽内层和外层的两侧部分别设置一块切向磁化的磁钢，两块径向磁化的磁钢之间设有磁桥，径向磁化的磁钢与切向磁化的磁钢之间分别设有磁桥；定义外层磁钢所占极弧角度为第一极弧角θ₁，内层磁钢所占极弧角为第二极弧角θ₂，其中所述第一极弧角θ₁满足：0.6*τ＜θ₁＜0.8*τ，第二极弧角θ₂满足：0.4*τ＜θ₂＜0.6*τ，其中τ＝180°/p，p为电机极数。

进一步的，所述转子的外径d₁与内径d₂满足：0.65*d₁＜d₂＜0.8*d₁，所述内层磁钢中的两块径向磁化的磁钢之间的磁桥宽度为m₁，径向磁化的磁钢与切向磁化的磁钢之间的磁桥宽度为n₁，其中m₁满足：0.003*d₁＜m₁＜0.004*d₁，n₁满足：0.0025*d₁＜n₁＜0.0035*d₁；所述外层磁钢中的两块径向磁化的磁钢之间的磁桥宽度为m₂，径向磁化的磁钢与切向磁化的磁钢之间的磁桥宽度为n₂，其中m₂满足：0.003*d₁＜m₂＜0.004*d₁，n₂满足：0.0025*d₁＜n₂＜0.0035*d₁。

进一步的，满足m₁＜m₂且n₁＜n₂。

进一步的，所述外层磁钢中的切向磁化的磁钢与转子外圆之间的距离为L₁，所述内层磁钢中的切向磁化的磁钢与转子外圆之间的距离为L₂，其中L₁满足：0.75*g＜L₁＜0.95*g，L₂满足：0.7*g＜L₂＜0.9*g，g为定子和转子之间的气隙厚度。

进一步的，满足L₁＞L₂。

进一步的，在磁钢槽内设置用于固定磁钢位置的凸起结构，其中容纳所述径向磁化的磁钢的径向磁钢槽上凸起结构深度为a₁，容纳所述切向磁化的磁钢的切向磁钢槽上凸起结构深度为a₂，分别满足：1.4*n₁＜a₁＜1.6*n₁，0.9*n₁＜a₂＜1.1*n₁。

进一步的，所述转子沿轴向分为N段，每段转子之间错开角度其中2＜N＜6，

进一步的，所述定子为分数槽集中卷形式。

进一步的，所述定子的绕组采用扁铜线。

有益效果：本发明的磁钢内置式双U型分数槽集中绕组永磁电机，电机每极下的磁钢分为内外两组，内外两组磁钢都呈U型分布于转子铁芯内部的磁钢槽内。每一极下的内层磁钢和外层磁钢每组都磁钢包括4块磁钢，依据磁钢充磁方向，其中2块体积较大的磁钢2a径向放置，2块体积较小的磁钢2b切向放置。两组磁钢中相邻的两块磁钢之间都设置有磁桥，磁桥可以增加电机转子的机械强度，同时又能够提升电机的弱磁能力。合适的磁桥宽度，既能保证电机转子的机械强度，又能使电机不至于产生较大的漏磁。

无论是磁钢之间的磁桥宽度还是磁钢与转子外圆之间的磁桥宽度，外层的磁桥宽度大于内层的磁桥宽度。本发明通过增加内置式磁钢层数的方式，在增加了电机磁阻转矩的同时，又利用分段转子的方式减小了电机的脉动转矩和转子涡流损耗，提高了电机运行效率和转矩控制精度，提高了电机运行效率和转矩控制精度。

附图说明

图1为磁钢内置式双U型分数槽集中绕组永磁电机结构示意；

图2为转子的具体结构尺寸约束；

图3为分段式转子结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1至图3所示，一种磁钢内置式双U型分数槽集中绕组永磁电机，包括定子5和转子6。定子包括定子铁心5a和集中式绕组5b，定子铁心5a由定子导磁冲片叠压而成。转子6包括转子铁芯1，转子铁芯1内部沿圆周均匀分布磁钢槽4，磁钢槽4为双层U型槽，双层U型槽的开口方向朝向转子6一侧。双层U型槽内层和外层的平底部磁极中心分布设置两块径向磁化的磁钢2a，3a；双层U型槽内层和外层的两侧部分别设置一块切向磁化的磁钢2b，3b。两块径向磁化的磁钢2a，3a之间设有磁桥，径向磁化的磁钢2a，3a与切向磁化的磁钢2b，3b之间分别设有磁桥。径向磁化的磁钢2a与切向磁化的磁钢2b构成内层磁钢2，径向磁化的磁钢3a与切向磁化的磁钢3b构成外层磁钢3，定义外层磁钢3所占极弧角度为第一极弧角θ₁，内层磁钢2所占极弧角为第二极弧角θ₂，其中第一极弧角θ₁满足：0.6*τ＜θ₁＜0.8*τ，第二极弧角θ₂满足：0.4*τ＜θ₂＜0.6*τ，其中τ＝180°/p，p为电机极数。

磁钢槽4采用双U型设计，能够保证充足的磁钢排布位置，同时能够有效利用电机的磁阻转矩。通过设置合适的第一极弧角θ₁和第二极弧角θ₂，能够使电机有最佳的d、q轴电感，使电机的磁阻转矩增大，提升电机的转矩密度，并且能够有效的降低电机输出转矩的波动。

转子6的外径d₁与内径d₂满足：0.65*d₁＜d₂＜0.8*d₁。设置合适的电机转子内外径的关系，能够保证转子内有足够的磁钢排布的位置，同时又能够尽可能的降低电机转子的重量。内层磁钢2中的两块径向磁化的磁钢2a之间的磁桥宽度为m₁，径向磁化的磁钢2a与切向磁化的磁钢2b之间的磁桥宽度为n₁；其中m₁满足：0.003*d₁＜m₁＜0.004*d₁，n₁满足：0.0025*d₁＜n₁＜0.0035*d₁。外层磁钢3中的两块径向磁化的磁钢3a之间的磁桥宽度为m₂，径向磁化的磁钢3a与切向磁化的磁钢3b之间的磁桥宽度为n₂；其中m₂满足：0.003*d₁＜m₂＜0.004*d₁，n₂满足：0.0025*d₁＜n₂＜0.0035*d₁。在磁钢之间设置磁桥，是为了保证电机转子的机械强度。但是设置磁桥存在又会使磁钢产生的磁场发生漏磁，影响电机的输出转矩，影响电机性能，因此需要磁桥尽可能的小。为了保证可靠的机械强度以及尽可能少的漏磁，合适的磁桥厚度是非常重要的。

由于电机旋转时，外层磁桥承受的应力大于内层磁桥承受的应力，为了尽可能减少漏磁，因此将内层磁桥设置的比外层磁桥薄，优选m₁＜m₂且n₁＜n₂。

外层磁钢3中的切向磁化的磁钢3b与转子外圆之间的距离为L₁，内层磁钢2中的切向磁化的磁钢2b与转子外圆之间的距离为L₂；其中L₁满足：0.75*g＜L₁＜0.95*g，L₂满足：0.7*g＜L₂＜0.9*g，g为定子5和转子6之间的气隙厚度。通过磁钢与转子外圆之间的磁桥也设置合适的值，保证机械强度和少漏磁，优选满足L₁＞L₂。

为了固定磁钢位置，在磁钢槽4内设置凸起结构，固定磁钢位置。其中容纳径向磁化的磁钢2a，3a的径向磁钢槽4a上凸起结构深度为a₁，容纳切向磁化的磁钢2b，3b的切向磁钢槽4b上凸起结构深度为a₂，分别满足：1.4*n₁＜a₁＜1.6*n₁，0.9*n₁＜a₂＜1.1*n₁。设置凸起结构，能够限制磁钢窜动，如果电机运行时磁钢在磁钢槽中窜动，使电机产生异常的噪声或振动，可能会增大电机转矩脉动，甚至由于窜动损坏磁钢致使电机故障。

转子6采用分段结构，沿轴向分为N段，每段转子之间错开角度

其中2＜N＜6，

转子分段错开角度能减小电机齿槽转矩，进而减小电机输出转矩的波动，提升电机性能。

定子5为分数槽集中卷形式，如12槽10极结构，采用分数槽集中卷结构，电机齿槽转矩小，能降低转矩波动，且电机端部小，铜损小，效率高。定子5的绕组采用扁铜线，扁铜线能大幅度降低电机铜损提高电机效率，同时特殊的分布式绕组能够减小电流谐波，降低电机交流损耗。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，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的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种磁钢内置式双U型分数槽集中绕组永磁电机，其特征在于：包括定子(5)和转子(6)；所述转子(6)包括转子铁芯(1)，所述转子铁芯(1)内部沿圆周均匀分布磁钢槽(4)，所述磁钢槽(4)为双层U型槽，所述双层U型槽的开口方向朝向所述转子(6)一侧；所述双层U型槽内层和外层的平底部磁极中心分布设置两块径向磁化的磁钢(2a，3a)，所述双层U型槽内层和外层的两侧部分别设置一块切向磁化的磁钢(2b，3b)，两块径向磁化的磁钢(2a，3a)之间设有磁桥，径向磁化的磁钢(2a，3a)与切向磁化的磁钢(2b，3b)之间分别设有磁桥；定义外层磁钢(3)所占极弧角度为第一极弧角θ₁，内层磁钢(2)所占极弧角为第二极弧角θ₂，其中所述第一极弧角θ₁满足：0.6*τ＜θ₁＜0.8*τ，第二极弧角θ₂满足：0.4*τ＜θ₂＜0.6*τ，其中τ＝180°/p，p为电机极数。

2.根据权利要求1所述的磁钢内置式双U型分数槽集中绕组永磁电机，其特征在于：所述转子(6)的外径d₁与内径d₂满足：0.65*d₁＜d₂＜0.8*d₁，所述内层磁钢(2)中的两块径向磁化的磁钢(2a)之间的磁桥宽度为m₁，径向磁化的磁钢(2a)与切向磁化的磁钢(2b)之间的磁桥宽度为n₁，其中m₁满足：0.003*d₁＜m₁＜0.004*d₁，n₁满足：0.0025*d₁＜n₁＜0.0035*d₁；所述外层磁钢(3)中的两块径向磁化的磁钢(3a)之间的磁桥宽度为m₂，径向磁化的磁钢(3a)与切向磁化的磁钢(3b)之间的磁桥宽度为n₂，其中m₂满足：0.003*d₁＜m₂＜0.004*d₁，n₂满足：0.0025*d₁＜n₂＜0.0035*d₁。

3.根据权利要求2所述的磁钢内置式双U型分数槽集中绕组永磁电机，其特征在于：满足m₁＜m₂且n₁＜n₂。

4.根据权利要求1-3任一所述的磁钢内置式双U型分数槽集中绕组永磁电机，其特征在于：所述外层磁钢(3)中的切向磁化的磁钢(3b)与转子外圆之间的距离为L₁，所述内层磁钢(2)中的切向磁化的磁钢(2b)与转子外圆之间的距离为L₂，其中L₁满足：0.75*g＜L₁＜0.95*g，L₂满足：0.7*g＜L₂＜0.9*g，g为定子(5)和转子(6)之间的气隙厚度。

5.根据权利要求4所述的磁钢内置式双U型分数槽集中绕组永磁电机，其特征在于：满足L₁＞L₂。

6.根据权利要求1-3任一所述的磁钢内置式双U型分数槽集中绕组永磁电机，其特征在于：在磁钢槽(4)内设置用于固定磁钢位置的凸起结构，其中容纳所述径向磁化的磁钢(2a，3a)的径向磁钢槽(4a)上凸起结构深度为a₁，容纳所述切向磁化的磁钢(2b，3b)的切向磁钢槽(4b)上凸起结构深度为a₂，分别满足：1.4*n₁＜a₁＜1.6*n₁，0.9*n₁＜a₂＜1.1*n₁。

7.根据权利要求1-3任一所述的磁钢内置式双U型分数槽集中绕组永磁电机，其特征在于：所述转子(6)沿轴向分为N段，每段转子之间错开角度

其中2＜N＜6，

8.根据权利要求7所述的磁钢内置式双U型分数槽集中绕组永磁电机，其特征在于：所述定子(5)为分数槽集中卷形式。

9.根据权利要求7所述的磁钢内置式双U型分数槽集中绕组永磁电机，其特征在于：所述定子(5)的绕组采用扁铜线。

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