CN114552911B - 四六八极电机转子冲片设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种四六八极电机转子冲片设计方法，涉及电机技术领域。方法包括：从转子的外圆向内偏移得到圆弧基线L1、L2、L3；绘制出3对通过圆心且关于中心轴ZX对称的射线，与L1的交点为P1、P2和P3；通过P1、P2和P3分别绘制出直线LL1、LL2和LL3，并在三条直线上分别寻找三个点，作垂直于ZX轴线的直线LQ1、LQ2和LQ3；绘制LL1、LL2和LL3向Y轴方向偏移的平行线LM1、LM2、LM3、LN2和LN3；绘制LQ1、LQ2和LQ3向圆心方向偏移的平行线LP1、LP2和LP3，围成鼠笼槽C1、C2和C3和5个永磁体槽。该方法能够降低异步启动永磁同步电动机的永磁材料用量，提高效率。

Description

四六八极电机转子冲片设计方法

技术领域

本发明涉及电机技术领域，具体而言，涉及一种四六八极电机转子冲片设计方法。

背景技术

目前，永磁同步电动机采用变频启动或者异步启动等方法。其中，自启动永磁同步电机(或称为“异步启动永磁同步电机”)可以通过转子上布置的铝或铜制鼠笼，利用异步电动机启动原理直接并网启动，免去了变频器。异步启动永磁同步电机同样是属于永磁同步电机范畴，顾名思义，采用的是异步电机的启动原理。当电机接通电源后，三相电流在定子中产生旋转磁场。由于电机转子与旋转磁场之间存在转速差，所以旋转磁场在鼠笼中感应出电流。而感应出的电流又与旋转磁场相互作用，则产生异步转矩，异步转矩推动电机转子的旋转，使电机开始启动。当电机的转子运行到同步速时，也就是转子与旋转磁场之间的转速差为零时，旋转磁场在转自中感应出的电流为零，电机进入稳定运行状态，此时，电机的转动依靠转子内永磁体产生的磁场与定子中的磁场相互作用。

异步启动永磁同步电动机是在转子上具有鼠笼槽和永磁体的永磁同步电动机，其可以直接并网启动和并网运行；也可以由变频器启动后并网运行。相对于变频器驱动的永磁同步电动机，并网运行的异步启动永磁同步电动机没有变频器损耗以及变频器驱动导致的电动机高频附加损耗，从而异步启动永磁同步电动机效率较高。因其效率高、启动简单等优点被广泛应用于并网定速驱动场景中。为了实现高效率，异步启动永磁同步电机采用较多的钕铁硼稀土材料，稀土材料价格昂贵，导致成本较高。

发明内容

本发明的目的包括提供一种四六八极电机转子冲片设计方法，其能够降低异步启动永磁同步电动机的永磁材料用量，进一步提高其效率。

本发明的实施例可以这样实现：

本发明提供一种四六八极电机转子冲片设计方法，四六八极电机转子冲片设计方法包括：

S1：将四六八极电机转子冲片的一个极设计为三个扇形，三个扇形的展开角度分别为90°、60°和45°，且一个极下的转子结构关于中心轴ZX对称，四六八极电机转子冲片的外圆半径为R2；

S2：从转子的外圆向内分别偏移r1、r2、r3的距离，得到三个圆弧基线L1、L2、L3；

S3：绘制出3对通过圆心且关于中心轴ZX对称的射线，3对射线之间展开的角度分别为a1、a2和a3，中心轴ZX一侧射线与L1的交点分别为P1、P2和P3；

S4：通过P1、P2和P3分别绘制出直线LL1、LL2和LL3，LL1、LL2、LL3与边界Y之间的夹角分别为b1、b2和b3，在LL1、LL2和LL3上分别寻找三个点Q1、Q2和Q3，使得Q1、Q2和Q3位于弧线L3和转子冲片内圆之间的区域，过Q1、Q2和Q3三点垂直于ZX轴线的直线分别为LQ1、LQ2和LQ3；

S5：绘制LL1、LL2和LL3向Y轴方向偏移的平行线LM1、LM2和LM3，偏移的距离分别为h1、h2和h3，LL1、LM1、L1和L2围成鼠笼槽C1，LL2、LM2、L1和L2围成鼠笼槽C2，LL3、LM3、L1和L2围成鼠笼槽C3；

S6：绘制LL2和LL3向Y轴方向偏移的平行线LN2和LN3，绘制LQ1、LQ2和LQ3向圆心方向偏移的平行线LP1、LP2和LP3，偏移的距离分别为p1、p2和p3，并布置加强筋d1、d2、d3、d4和d5，d1、d3和d5位于中心轴线处，d2位于Q2点靠近Y轴一侧，d4位于Q3点靠近Y轴一侧；

S7：由L3、LL1、LL2、LL3、LM1、LM2、LM3、LN2、LN3、LQ1、LQ2、LQ3、LP1、LP2和LP3，以及加强筋分别围成5个永磁体槽M1、M21、M22、M31、M32，并通过定位台阶形成放置矩形永磁体的空腔。

在可选的实施方式中，在S1中，外圆半径R2的取值范围为：28mm～250mm。

在可选的实施方式中，在S2中，r1、r3为隔磁桥的宽度，取值范围为：0.5mm～3mm，r2的取值范围为外圆半径R2的10％～15％。

在可选的实施方式中，在S3中，a1的取值范围为：(0.27～0.35)×180/p°，a2的取值范围为：(0.52～0.60)×180/p°，a3的取值范围为：(0.77～0.84)×180/p°，其中，p为电机极对数。

在可选的实施方式中，在S4中，b1、b2和b3的取值范围为：0～15°，X11＝(0.95～1.05)X12，X21＝(0.95～1.05)X22，X31＝(0.95～1.05)X32。

在可选的实施方式中，在S5中，h1≤h2≤h3，h3的取值范围为外圆半径R2的3％～6.5％。

在可选的实施方式中，在S6中，p1≤p2≤p3，p3的取值范围为外圆半径R2的2％～4％，d1、d2、d3、d4和d5的取值范围为：0～3mm；d1、d2、d3、d4、d5取值为0时，表示没有加强筋，其两侧的槽型相通。

在可选的实施方式中，在S7中，M21内永磁体空腔边界到Q2点的距离为f2，空腔宽度为y21；M31内永磁体空腔边界到Q3点的距离为f3，空腔宽度为y31；y21和y31取0时表示该空腔内无永磁体。

在可选的实施方式中，在S7中，M1、M22和M32内永磁体空腔的宽度分别为y1、y22和y32；定位台阶的宽度为c1，高度为c2；所有永磁体槽不相互干涉，并均位于弧线L3和转子冲片内圆之间的区域；永磁体与空腔之间的平均间隙为e1。

在可选的实施方式中，在S7中，c1的取值范围为：1mm～3mm，c2的取值范围为：0.5mm～2mm，e1的取值范围为：0.1mm～0.2mm。

本发明实施例提供的四六八极电机转子冲片设计方法的有益效果包括：

1.本发明融合了笼型异步电动机、同步磁阻电动机和永磁同步电动机的特征，所绘制的冲片可增加螺栓孔或铆钉孔等固定结构后叠制成转子铁芯，并通过铸铝工艺在鼠笼槽内注入铸铝形成启动和阻尼用的鼠笼，再在永磁体槽内***永磁体，形成自启动永磁电动机的转子；

2.利用本发明所绘制冲片所制成的转子具有和同步磁阻电动机一样的多层磁障，转子具有较大的凸极比，组成的永磁同步电动机具有较大比例的磁阻转矩，降低了永磁转矩占总转矩的比例，从而降低了永磁材料用量，进而降低了电动机总成本；

3.利用本发明所绘制冲片所制成的永磁同步电动机，由于永磁体用量减小导致磁密降低，铁耗下降，额定负载和低载时的效率得到提高；

4.利用本发明所绘制冲片所制成的永磁同步电动机，由于鼠笼槽不再采用类似笼型异步电动机转子槽型，而采用类四边形，形成的鼠笼槽为磁障槽的延伸，使得空载齿槽转矩和负载时转矩波动较小。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1～图4为转子冲片设计过程的结构示意图；

图5为280-4永磁同步电动机定子和转子冲片的结构示意图；

图6为180-6永磁同步电动机定子和转子冲片的结构示意图；

图7为355-8永磁同步电动机定子和转子冲片的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。

请参考图1～图4，图1～图4中的阴影部分为铸铝或永磁体的截面。

本实施例提供了一种四六八极电机转子冲片设计方法，四六八极电机转子冲片设计方法，包括以下步骤：

S1：将四六八极电机转子冲片的一个极设计为三个扇形，三个扇形的展开角度分别为90°、60°和45°，且一个极下的转子结构关于中心轴ZX对称，四六八极电机转子冲片的外圆半径为R2。

具体的，请查阅图1，根据对称性，按4、6和8极电机转子冲片的一个极进行设计，分别为展开角度为90°、60°和45°的扇形，且一个极下的转子结构关于中心轴ZX两侧对称，转子冲片的外圆半径为R2，外圆半径R2的取值范围为：28mm～250mm，内圆半径为Ri2，扇形的起始径向边界为X和Y，其中p为电机极对数，按4、6、8极分别为2、3、4。

S2：从转子的外圆向内分别偏移r1、r2、r3的距离，得到三个圆弧基线L1、L2、L3。

具体的，请查阅图1，从转子的外圆向内分别偏移r1、r2、r3距离，得到三个圆弧基线L1、L2、L3。r1、r3为隔磁桥的宽度，取值范围为：0.5mm～3mm，r2的取值范围为外圆半径R2的10％～15％。

S3：绘制出3对通过圆心且关于中心轴ZX对称的射线，3对射线之间展开的角度分别为a1、a2和a3，中心轴ZX一侧射线与L1的交点分别为P1、P2和P3。

具体的，请查阅图1，绘制出3对通过圆心且关于中心线ZX对称的射线，3对射线之间展开的角度分别为a1、a2和a3，a1的取值范围为：(0.27～0.35)×180/p°，a2的取值范围为：(0.52～0.60)×180/p°，a3的取值范围为：(0.77～0.84)×180/p°，其中p为电机极对数。中心线一侧射线与L1的交点分别为P1、P2和P3。

S4：通过P1、P2和P3分别绘制出直线LL1、LL2和LL3，LL1、LL2、LL3与边界Y之间的夹角分别为b1、b2和b3，在LL1、LL2和LL3上分别寻找三个点Q1、Q2和Q3，使得Q1、Q2和Q3位于弧线L3和转子冲片内圆之间的区域，过Q1、Q2和Q3三点垂直于ZX轴线的直线分别为LQ1、LQ2和LQ3。

具体的，请查阅图1和图2，通过P1、P2和P3分别绘制出直线LL1、LL2和LL3。LL1、LL2、LL3和边界Y之间的夹角分别为b1、b2和b3。b1、b2和b3的取值范围为：0～15°。

在LL1、LL2和LL3上分别寻找三个点Q1、Q2和Q3，使得X11＝(0.95～1.05)X12，X21＝(0.95～1.05)X22，X31＝(0.95～1.05)X32，且使得Q1、Q2和Q3三个点位于弧线L3和转子冲片内圆之间的区域；过Q1、Q2和Q3三点垂直于ZX轴线的直线分别为LQ1、LQ2和LQ3。

S5：绘制LL1、LL2和LL3向Y轴方向偏移的平行线LM1、LM2和LM3，LL1、LM1、L1和L2围成鼠笼槽C1，LL2、LM2、L1和L2围成鼠笼槽C2，LL3、LM3、L1和L2围成鼠笼槽C3。

具体的，请查阅图1～图3，绘制LL1、LL2和LL3向Y轴方向偏移的平行线LM1、LM2和LM3，偏移的距离分别为h1、h2和h3，h1≤h2≤h3，h3的取值范围为外圆半径R2的3％～6.5％。

LL1、LL2和LL3围成鼠笼槽C1，LM1、LM2围成鼠笼槽C2，L1、L2和LM3围成鼠笼槽C3。

S6：绘制LL2和LL3向Y轴方向偏移的平行线LN2和LN3，绘制LQ1、LQ2和LQ3向圆心方向偏移的平行线LP1、LP2和LP3，并布置加强筋d1、d2、d3、d4和d5，d1、d3和d5位于中心轴线处，d2位于Q2点靠近Y轴一侧，d4位于Q3点靠近Y轴一侧。

具体的，请查阅图1～图3，绘制LL2和LL3向Y轴方向偏移的平行线LN2和LN3，偏移的距离分别为p2和p3；绘制LQ1、LQ2和LQ3向圆心方向偏移的平行线LP1、LP2和LP3，偏移的距离分别为p1、p2和p3；p1≤p2≤p3，p3的取值范围为外圆半径R2的2％～4％；并布置加强筋d1、d2、d3、d4和d5，d1、d3和d5位于中心轴线处，d2位于Q2点靠近Y轴一侧，d4位于Q3点靠近Y轴一侧。d1、d2、d3、d4和d5的取值范围为：0～3mm；d1、d2、d3、d4、d5取为0时表示没有加强筋，其两侧的槽型相通。

S7：由L3、LL1、LL2、LL3、LM1、LM2、LM3、LN2、LN3、LQ1、LQ2、LQ3、LP1、LP2和LP3，以及加强筋分别围成5个永磁体槽M1、M21、M22、M31、M32，并通过定位台阶形成放置矩形永磁体的空腔。

具体的，请查阅图1～图4，由L3、LL1、LL2、LL3、LM1、LM2、LM3、LN2、LN3、LQ1、LQ2、LQ3、LP1、LP2和LP3，以及加强筋分别围成M1、M21、M22、M31、M325个永磁体槽M1、M21、M22、M31、M32，并通过定位台阶形成放置矩形永磁体的空腔；M21内永磁体空腔边界到Q2点的距离为f2，空腔宽度为y21；M31内永磁体空腔边界到Q3点的距离为f3，空腔宽度为y31；y21和y31取0时表示该空腔内无永磁体；

M1、M22和M32内永磁体空腔的宽度分别为y1、y22和y32；定位台阶的宽度为c1，高度为c2，c1的取值范围为：1mm～3mm，c2的取值范围为：0.5mm～2mm；所有永磁体槽不相互干涉，并均位于弧线L3和转子冲片内圆之间的区域；永磁体与空腔之间的平均间隙为e1，e1的取值范围为：0.1mm～0.2mm。

上述说明中永磁体槽和鼠笼槽的编号也指其关于ZX对称的槽。

以一台280-4(机座号280，极数4)的永磁同步电动机为例，其设计参数如表1所示，其转子冲片的结构如图5所示。

表1 280-4的设计参数

该转子冲片因为M1和其对称槽之间没有加强筋(宽度为0)，所以M1和其对称槽结合为一个槽。对称槽为关于中心轴ZX的对称槽。

另一台180-6(机座号为180，极数为6)的永磁同步电动机为例，其设计参数如表2所示，转子冲片的结构如图6所示。

表2 180-6转子冲片设计参数

该转子冲片因为M1和其对称槽、M22和其对称槽、M32和其对称槽之间没有加强筋(宽度为0)，所以M1和其对称槽结合为一个槽，M22和其对称槽结合为一个槽、M32和其对称槽结合为一个槽。对称槽为关于中心轴ZX的对称槽。

另一台355-8(机座号为355，极数为8)的永磁同步电动机为例，其设计参数如表3所示，转子冲片的结构如图7所示。

表3 355-8的设计参数

上述转子冲片均由硅钢片冲压而成，其叠压制成转子内的永磁体为钕铁硼或铁氧体永磁材料。采用上述冲片的永磁同步电动机达到IE5的效率，降低了永磁体用量。

本发明实施例提供的四六八极电机转子冲片设计方法的有益效果包括：

1.本发明融合了笼型异步电动机、同步磁阻电动机和永磁同步电动机的特征，所绘制的冲片可增加螺栓孔或铆钉孔等固定结构后叠制成转子铁芯，并通过铸铝工艺在鼠笼槽内注入铸铝形成启动和阻尼用的鼠笼，再在永磁体槽内***永磁体，形成自启动永磁电动机的转子；

2.利用本发明所绘制冲片所制成的转子具有和同步磁阻电动机一样的多层磁障，转子具有较大的凸极比，组成的永磁同步电动机具有较大比例的磁阻转矩，降低了永磁转矩占总转矩的比例，从而降低了永磁材料用量，进而降低了电动机总成本；

3.利用本发明所绘制冲片所制成的永磁同步电动机，由于永磁体用量减小导致磁密降低，铁耗下降，额定负载和低载时的效率得到提高；

4.利用本发明所绘制冲片所制成的永磁同步电动机，由于鼠笼槽不再采用类似笼型异步电动机转子槽型，而采用类四边形，形成的鼠笼槽为磁障槽的延伸，使得空载齿槽转矩和负载时转矩波动较小。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种四六八极电机转子冲片设计方法，其特征在于，所述四六八极电机转子冲片设计方法包括：

S1：将所述四六八极电机转子冲片的一个极设计为三个扇形，所述三个扇形的展开角度分别为90°、60°和45°，且一个极下的转子结构关于中心轴ZX对称，所述四六八极电机转子冲片的外圆半径为R2；

S2：从转子的外圆向内分别偏移r1、r2、r3的距离，得到三个圆弧基线L1、L2、L3；

S3：绘制出3对通过圆心且关于中心轴ZX对称的射线，3对射线之间展开的角度分别为a1、a2和a3，中心轴ZX一侧射线与L1的交点分别为P1、P2和P3；

S4：通过P1、P2和P3分别绘制出直线LL1、LL2和LL3，LL1、LL2、LL3与边界Y之间的夹角分别为b1、b2和b3，在LL1、LL2和LL3上分别寻找三个点Q1、Q2和Q3，使得Q1、Q2和Q3位于弧线L3和转子冲片内圆之间的区域，过Q1、Q2和Q3三点垂直于ZX轴线的直线分别为LQ1、LQ2和LQ3；

S5：绘制LL1、LL2和LL3向Y轴方向偏移的平行线LM1、LM2和LM3，偏移的距离分别为h1、h2和h3，LL1、LM1、L1和L2围成鼠笼槽C1，LL2、LM2、L1和L2围成鼠笼槽C2，LL3、LM3、L1和L2围成鼠笼槽C3；

S6：绘制LL2和LL3向Y轴方向偏移的平行线LN2和LN3，绘制LQ1、LQ2和LQ3向圆心方向偏移的平行线LP1、LP2和LP3，偏移的距离分别为p1、p2和p3，并布置加强筋d1、d2、d3、d4和d5，d1、d3和d5位于中心轴线处，d2位于Q2点靠近Y轴一侧，d4位于Q3点靠近Y轴一侧；

S7：由L3、LL1、LL2、LL3、LM1、LM2、LM3、LN2、LN3、LQ1、LQ2、LQ3、LP1、LP2和LP3，以及加强筋分别围成5个永磁体槽M1、M21、M22、M31、M32。

2.根据权利要求1所述的四六八极电机转子冲片设计方法，其特征在于，在S1中，外圆半径R2的取值范围为：28mm～250mm。

3.根据权利要求1所述的四六八极电机转子冲片设计方法，其特征在于，在S2中，r1、r3为隔磁桥的宽度，取值范围为：0.5mm～3mm，r2的取值范围为外圆半径R2的10％～15％。

4.根据权利要求1所述的四六八极电机转子冲片设计方法，其特征在于，在S3中，a1的取值范围为：(0.27～0.35)×180/p°，a2的取值范围为：(0.52～0.60)×180/p°，a3的取值范围为：(0.77～0.84)×180/p°，其中，p为电机极对数。

5.根据权利要求1所述的四六八极电机转子冲片设计方法，其特征在于，在S4中，b1、b2和b3的取值范围为：0～15°，X11＝(0.95～1.05)X12，X21＝(0.95～1.05)X22，X31＝(0.95～1.05)X32。

6.根据权利要求1所述的四六八极电机转子冲片设计方法，其特征在于，在S5中，h1≤h2≤h3，h3的取值范围为外圆半径R2的3％～6.5％。

7.根据权利要求1所述的四六八极电机转子冲片设计方法，其特征在于，在S6中，p1≤p2≤p3，p3的取值范围为外圆半径R2的2％～4％，d1、d2、d3、d4和d5的取值范围为：0～3mm；d1、d2、d3、d4、d5取值为0时，表示没有加强筋，其两侧的槽型相通。

8.根据权利要求1所述的四六八极电机转子冲片设计方法，其特征在于，在S7中，M21内永磁体空腔边界到Q2点的距离为f2，空腔宽度为y21；M31内永磁体空腔边界到Q3点的距离为f3，空腔宽度为y31；y21和y31取0时表示该空腔内无永磁体。

9.根据权利要求8所述的四六八极电机转子冲片设计方法，其特征在于，在S7中，M1、M22和M32内永磁体空腔的宽度分别为y1、y22和y32；定位台阶的宽度为c1，高度为c2；所有永磁体槽不相互干涉，并均位于弧线L3和转子冲片内圆之间的区域；永磁体与空腔之间的平均间隙为e1。

10.根据权利要求9所述的四六八极电机转子冲片设计方法，其特征在于，在S7中，c1的取值范围为：1mm～3mm，c2的取值范围为：0.5mm～2mm，e1的取值范围为：0.1mm～0.2mm。