CN210629215U - 一种转子结构及永磁同步电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供的转子结构及永磁同步电机，通过在转子本体上设有多个第一凹槽，使得部分原本从气隙通过交轴磁桥进入转子的磁通改变路径，且使得交轴磁桥两边的磁路饱和程度增加，磁导减小；这样一方面降低了磁密谐波的含量，另一方面磁密含量降低同时使得基波含量增加，从而磁密正弦度变好，削弱了由于定子开槽带来的齿槽效应，降低了齿槽转矩；同时，增大了交轴磁路的磁阻，减小了交轴的电感，从而消弱了转子的凸极效应，进而降低了负载时的转矩波动；再则，所述第一凹槽开设的位置位置与相对应的极弧角有关，以相对应的极弧角一边为基准，并向直轴方向旋转β角度后所形成的范围内更有效降低了转矩波动和空载反电势谐波，抑制效果更好。

Description

一种转子结构及永磁同步电机

技术领域

本实用新型涉及电机技术领域，特别涉及到一种转子结构及永磁同步电机。

背景技术

永磁同步电机是一种利用永磁体提供磁场的电机，其以高功率、高转矩密度、高效率等优点，逐渐成为混合动力汽车和纯电动汽车中驱动电机的首选。

在现有的永磁同步电机中，转子上的永磁体(如磁钢)一般采用表贴式结构或内置式结构。其中，“内置式”永磁同步电机中的磁钢通常安装在转子冲片上的磁钢槽内。由于“内置式”永磁同步电机可以通过转子的凸极效应产生的磁阻转矩，提高转矩水平，扩大弱磁调速范围，降低低速大扭矩时的铜耗，因此，应用较为广泛。

然而，转子的凸极效应还会引起齿槽转矩，并使永磁同步电机直、交轴(即d、q轴)之间的电感差异增大，导致负载磁场谐波含量增大，甚至于引起负载时的转矩波动。这些因素均会引起振动和噪声，增加乘客的不舒适感，而且还可能带来电机和控制器匹配的不便。

为解决上述技术问题，现有技术通常采取以下两种方法：

第一种方法是选用合理的极、槽配合；

第二种方法是采用定子斜槽或转子分段斜极，降低转矩波动；如图1所示，转子1上的磁极2在轴向上分成几段，并沿圆周方向错开一定的角度。

发明人发现，上述两种方法均存在一定的问题，具体如下：

1)采用分布式绕组的永磁同步电机通常具有较长的绕组端部，此对于某些轴向空间受限的整车结构并不适用；

2)采用定子斜槽既会增加嵌线难度，又会增加漆包铜线的用量；而采用转子分段斜极不但需要增加额外的工装夹具，而且会在相邻叠片组之间产生额外的漏磁，削弱了电机性能，此只适用于分段数较多或轴向有效长度较长的永磁同步电机；由此，定子斜槽和转子分段斜极均会带来驱动电机峰值特性的下降，若要保证驱动电机的性能，则需要增加轴向长度，此会带来额外的材料成本和安装空间成本；不止于此，定子斜槽和转子分段斜极均会在转子上产生周期性的轴向分力，增加轴承的失效概率，同时还会带来一定的噪声和振动。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种转子结构及永磁同步电机，以实现有线降低空载时反电势谐波和转矩波动的发明目的。

可选的，在所述转子结构中，包括转子本体和若干对磁钢槽；所述磁钢槽设置在所述转子本体上；所述转子本体为环状结构；所述转子本体上设置有多个第一凹槽，每个所述第一凹槽设置在以所述磁钢槽距离直轴最远的端点和述转子本体的中心的连线为边界，并向直轴方向旋转β角度后所形成的范围内，所述β角度范围为4゜-6゜。

可选的，在所述转子结构中，每个所述第一凹槽开设在所述磁钢槽靠近所述转子本体外径的一长边和所述转子本体外径所形成的范围内。

可选的，在所述转子结构中，所述第一凹槽沿所述转子本体径向的截面为扇形、V形或框形。

可选的，在所述转子结构中，所述转子结构还包括若干对磁极；所述磁极的对数与所述磁钢槽的对数相同，一对磁钢槽内放置一对磁极。

可选的，在所述转子结构中，所述磁钢槽靠近交轴的一端设有第二凹槽。

可选的，在所述转子结构中，所述第二凹槽的沿所述转子本体径向的截面为扇形、V形或框形。

可选的，在所述转子结构中，所述第二凹槽的高度为所述交轴的磁桥高度的15％～25％。

可选的，在所述转子结构中，所述第一凹槽和所述第二凹槽均贯穿所述转子本体的两端。

其次，本实用新型还提供了一种永磁同步电机，包括如上任意一项所述的转子结构。

可选的，在所述永磁同步电机中，所述永磁同步电机还包括定子；所述转子结构设置于所述定子内；其中，所述定子和转子结构之间设置有一定的气隙。

相比于现有技术，本实用新型提供的转子结构，通过在转子本体上设有多个第一凹槽，通过多个所述第一凹槽，使得部分原本从气隙通过交轴磁桥进入转子的磁通改变路径，且使得交轴磁桥两边的磁路饱和程度增加，磁导减小；这样一方面降低了气隙磁密谐波的含量，另一方面气隙磁密含量的降低同时使得基波含量增加，从而气隙磁密正弦度变好，削弱了由于定子开槽带来的齿槽效应，降低了齿槽转矩；同时，增大了交轴磁路的磁阻，减小了交轴的电感，从而消弱了转子的凸极效应，进而降低了负载时的转矩波动；再则，所述第一凹槽设置在以所述磁钢槽距离直轴最远的端点和述转子本体的中心的连线为边界，并向直轴方向旋转β角度后所形成的范围内，更有效降低了转矩波动和空载反电势谐波，抑制效果更好。

附图说明

图1为现有的转子分段斜极的示意图；

图2为本实用新型实施例的四分之一转子的横截面示意图；

图3为现有的永磁同步电机的空载反电势谐波图；

图4为本实用新型实施例的永磁同步电机的空载反电势谐波图；

图5为现有的永磁同步电机和本实用新型实施例的永磁同步电机的齿槽转矩对比图。

其中本实用新型实施例的附图标记说明如下：

11-磁钢槽；12-转子本体；13-第一凹槽；14-第二凹槽；15-定子。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图2-5本实用新型提出的转子结构及永磁同步电机作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。

图2为本实施例的四分之一转子结构的示意图；

参阅图2，一种转子结构，包括转子本体12和若干对磁钢槽11；所述磁钢槽11设置在所述转子本体12上；所述转子本体12为环状结构；所述转子本体12上设置有多个第一凹槽13，每个所述第一凹槽13设置在以所述磁钢槽11距离直轴d最远的端点和述转子本体12的中心的连线为边界，并向直轴d方向旋转β角度后所形成的范围内，所述β角度范围为4゜-6゜,更优选的是，β角度为5゜的角度时，可以更有效降低了转矩波动和空载反电势谐波，使抑制效果更好。

其中，所述转子本体12上设有若干对磁钢槽11；所述磁钢槽为矩形；所述磁钢槽11的对数与所述磁极的对数相同，一对磁钢槽11内放置一对磁极，以提供磁路。

其中，距离直轴d最远的端点和述转子本体12的中心的连线与所述直轴d之间的夹角为极狐角。

通过在转子本体12上设有多个第一凹槽13，通过多个所述第一凹槽13，使得部分原本从气隙通过交轴q磁桥进入转子的磁通的路径从所述第一凹槽13通过交轴q磁桥进入转子，且使得交轴q磁桥两边的磁路饱和程度增加，磁导减小；这样一方面降低了气隙磁密谐波的含量，另一方面气隙磁密含量降低的同时使得基波含量增加，从而气隙磁密正弦度变好，削弱了由于定子15开槽带来的齿槽效应，降低了齿槽转矩；同时，增大了交轴q磁路的磁阻，减小了交轴q的电感，从而消弱了转子的凸极效应，进而降低了负载时的转矩波动；再则，所述第一凹槽13开设的位置位置与相对应的极弧角有关，以相对应的极弧角一边为基准，并向直轴d方向旋转β角度后所形成的范围内更有效降低了转矩波动和空载反电势谐波，抑制效果更好。

每个所述第一凹槽13开设在所述磁钢槽11靠近所述转子本体12外径的一长边和所述转子本体12外径所形成的范围内，实践可知，所述第一凹槽13开设在所述范围内可更有效的降低转矩波动和空载反电势谐波，对反电势谐波的抑制效果更好。

此处，关于直轴d和交轴q，本领域人员熟知的是：在永磁同步电机控制中，为了能够得到类似直流电机的控制特性，在转子上建立了一个坐标系，此坐标系与转子同步转动，并取转子磁场方向为d轴(即直轴)，而垂直于转子磁场方向为q轴(即交轴)，以将电机的数学模型转换到此坐标系下，可实现d轴和q轴的解耦，从而得到良好的控制特性。

所述第一凹槽13的沿所述转子本体12径向的截面为扇形、V形或框形；但这里并不是为了限制所述第一凹槽13的沿所述转子本体12径向的截面形状，只要是易于加工，并能达到防止应力集中，确保结构强度的效果的所述第一凹槽13的沿所述转子本体径12向的截面的结构形状都是本实用新型所要保护的。本实用新型对所述第一凹槽13的尺寸并不作具体限定，只要利于提升转子强度且不影响转子自身的性能即可。

所述磁钢槽11靠近交轴q的一端设有第二凹槽14；所述磁钢槽11靠近交轴q的一端设有第二凹槽14，所述第二凹槽14可使交轴q磁路的磁阻变大，交轴q的电感变小，从而削弱了转子的凸极效应，降低了负载时的转矩波动。

与此同时，由于直轴d和交轴q之间的电感差异变小，也使得负载磁场谐波含量变小，这样降低了反电势谐波。而且，所述第二凹槽14也破坏了所述磁极边角附近的漏磁路径，使得漏磁通减小，主磁通增大，从而补偿了由于直交轴q之间电感差异减小而引起的磁阻转矩减小问题，平衡了磁阻转矩。再则，将所述第二凹槽14设置在磁钢槽11上，这样可与磁钢槽11一体成型，这样可以减少加工步骤，以节约生产成本。

所述第二凹槽14的横截面为扇形、V形或框形。但这里并不是为了限制所述第二凹槽14沿所述转子本体12径向的截面形状，只要能够达到使交轴q磁路的磁阻变大，交轴q的电感变小，从而削弱了转子的凸极效应，降低了负载时的转矩波动的效果的所述第二凹槽14沿所述转子本体12径向的截面的结构形状都是本实用新型所要保护的。

其中，当所述第二凹槽14沿所述转子本12体径向的截面的为扇形时；所述所述第二凹槽14的高度为所述交轴q的磁桥高度的15％～25％。更优选的，所述第二凹槽14沿所述转子本体12径向的截面的直径为所述交轴q的磁桥高度的20％。并且，所述第二凹槽14的尺寸，也就是第二凹槽14沿所述转子本体12径向的截面的直径，将随着转子本体12尺寸的增大而增大。

所述第一凹槽13和所述第二凹槽14均贯穿所述转子本体12的两端，也就是所述凹槽的长度沿转子本体12的轴线方向设置。

特别的，本实施例还提供了一种永磁同步电机，其包括如上实施例的转子结构。采用上述实施例的转子的永磁同步电机，不仅噪音低，而且防振动性能好。

参阅图2，所述永磁同步电机还包括定子15，所述转子设置于定子15内，通常的，所述转子本体12上设置有多个磁钢槽11，每个磁钢槽11用于安置一个磁极。多个磁钢槽11分布形成若干对，每一对磁钢槽11关于交轴q对称，以保证磁路的对称性。其中，本领域人员了解的是：所述转子本体12上设置的磁钢槽11的数量与永磁同步电机上使用的线圈的数量一致。

接着，参阅图3-4，其中，图3为现有的永磁同步电机的空载反电势谐波图，图4为本实施例的永磁同步电机的空载反电势谐波图。

如图3-4所示，通过所述第一凹槽13，可以将图3中示出的空载反电势谐波的肩部A(由图中若干实心圆圈出)削平至图4所示的空载反电势谐波，降低了转子结构和定子15之间气隙磁密谐波中3次和7次谐波的含量。具体地，如下表格又提供了现有的永磁同步电机和本实用新型的永磁同步电机工作时的空载反电势谐波含量的分布情况：

如上表格所示，在磁钢槽11上开设第二凹槽14以及在转子本体12上以极弧角一边为边界，并向直轴d方向旋转β角度后所形成的范围内开设第一凹槽13后，空载反电势谐波的3次、5次、7次和11次谐波含量均有了显著降低。

参阅图5，图5为齿槽转矩随转子位置变化的曲线图，横坐标为转子的转动位置，其以角度deg为单位，纵坐标为转矩，并以N/m为单位，其中，曲线1为现有的永磁同步电机的齿槽转矩值，曲线2为本实用新型的永磁同步电机的齿槽转矩值。如图5所示，本实用新型的齿槽转矩约可降低至现有的齿槽转矩的50％。

上述描述仅是对本实用新型较佳实施例的描述，并非对本实用新型范围的任何限定，本实用新型领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范。

Claims (10)

1.一种转子结构，其特征在于，包括转子本体和若干对磁钢槽；所述磁钢槽设置在所述转子本体上；所述转子本体为环状结构；所述转子本体上设置有多个第一凹槽，每个所述第一凹槽设置在以所述磁钢槽距离直轴最远的端点和述转子本体的中心的连线为边界，并向直轴方向旋转β角度后所形成的范围内，所述β角度范围为4゜-6゜。

2.如权利要求1所述的转子结构，其特征在于，每个所述第一凹槽开设在所述磁钢槽靠近所述转子本体外径的一长边和所述转子本体外径所形成的范围内。

3.如权利要求1所述的转子结构，其特征在于，所述第一凹槽沿所述转子本体径向的截面为扇形、V形或框形。

4.如权利要求1所述的转子结构，其特征在于，所述转子结构还包括若干对磁极；所述磁极的对数与所述磁钢槽的对数相同，一对磁钢槽内放置一对磁极。

5.如权利要求1所述的转子结构，其特征在于，所述磁钢槽靠近交轴的一端设有第二凹槽。

6.如权利要求5所述的转子结构，其特征在于，所述第二凹槽的沿所述转子本体径向的截面为扇形、V形或框形。

7.如权利要求5所述的转子结构，其特征在于，所述第二凹槽的高度为所述交轴的磁桥高度的15％～25％。

8.如权利要求5所述的转子结构，其特征在于，所述第一凹槽和所述第二凹槽均贯穿所述转子本体的两端。

9.一种永磁同步电机，其特征在于，包括如权利要求1至8中任一项所述的转子结构。

10.如权利要求9所述的永磁同步电机，其特征在于，所述永磁同步电机还包括定子；所述转子结构设置于所述定子内；其中，所述定子和转子结构之间设置有气隙。

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