WO2013020313A1 - 电动机转子及具有其的电动机 - Google Patents

Abstract

一种电动机转子及具有该转子的电动机，其中电动机转子包括铁心（10）和设于铁心（10）内部的永磁体（20），沿铁心的周向设置有多组安装槽（30），每组安装槽包括两个以上在铁心（10）径向方向上间断设置的安装槽（30）。永磁体（20）对应地嵌入各个安装槽（30）中。永磁体（20）在垂直于转子轴线的横截面的中间厚度大于两端厚度。该转子优化了永磁体（20）的形状，提高了电动机的效率。

Description

电动机转子及具有其的电动机 技术领域 本发明涉及电动机领域， 更具体地， 涉及一种电动机转子及具有其的电动机。 背景技术 永磁同步电动机（IPM)是一种在转子内侧放置一层永磁体、 主要利用永磁转矩、 磁阻转矩为辅助的电动机。 磁阻转矩与永磁转矩的合成公式如下： ^T = ^mp ~ ^{d l}q + ^{mp ψ ρΜ} 。 其中， τ为电动机输出转矩， 提高 τ的值， 可以提高电动机性能； τ后等式中的 第一项为磁阻转矩， 第二项为永磁转矩； Ψ_ρμ为电动机永磁体产生的定转子耦合磁通 的最大值， m为定子导体的相数， P 为电机极对数， L_d、 L_q分别为 d轴和 q轴电感， 其中 d轴指与主磁极轴线重合的轴， q轴指与主磁极轴线垂直的轴， 其中的垂直指的 是电角度； i_d、 i_q分别是电枢电流在 d轴、 q轴方向上的分量。 由上述合成公式可知， 通过增加第二项的永磁转矩以及通过提高电动机 d轴和 q轴的电感差值都可以实现电 动机输出转矩 T的提高。 现有技术中主要通过提高永磁体的性能来提高电动机性能， 即通过提高永磁转矩 的做法来提高合成转矩的值， 进而提高电动机效率， 常见的做法就是内置稀土类永磁 体。 但是， 由于稀土是不可再生资源， 且价格昂贵， 因此该种电动机更广泛的应用受 到了限制。 而采用非稀土材料的永磁体作为永磁转矩的来源， 则面临着永磁体发生不 可逆退磁的问题。 另外， 由于受转子体积的限制， 同时考虑到磁阻转矩的利用， 转子每极下的永磁 体的占有率存在极限值， 这同样限制了电动机效率的提高。 发明内容 本发明目的在于提供一种通过优化永磁体形状来提高永磁体占有率， 从而提高电 动机转子性能的电动机转子及具有其的电动机。 根据本发明的一个方面， 提供了一种电动机转子， 包括铁心和设于铁心内部的永 磁体， 铁心上沿铁心的周向方向上设置有多组安装槽， 每组安装槽包括两个或者两个 以上在铁心的径向方向上间断设置的安装槽； 永磁体为多组， 每组永磁体中的各个永 磁体对应地嵌入每组安装槽的各个安装槽中； 永磁体在垂直于转子的轴线上的横截面 的中间厚度大于其两端厚度。 进一步地， 永磁体在沿其对称线的方向上的厚度为 τ， 永磁体的最末端的厚度为 A， 其中： 5 T 。 进一步地， 安装槽的边缘与转子外周之间形成隔磁桥， 隔磁桥的宽度为 0.5mm至 1.0mm。 进一步地， 安装槽的与铁心的轴向方向垂直的截面上包括外圆弧段， 安装槽的外 圆弧段的圆心都分布在转子的对称轴线上。 进一步地， 安装槽的与铁心的轴向方向垂直的截面上还包括内圆弧段， 安装槽的 内圆弧段的圆心分布在转子的对称轴线上。 进一步地， 安装槽的与铁心的轴向方向垂直的截面上还包括与外圆弧段的两端分 别相连接的第一外直线段 a和第二外直线段 c，第一外直线段 a与第二外直线段 c之间 的夹角为 β， 贝 ij: 'Ρ ^{> >} ^Ρ , 其中 ρ为电动机转子的转子极数。 进一步地， 安装槽的垂直于铁心的轴向的截面还包括与外圆弧段的一端相连接的 第一外直线段 a以及与内圆弧段的一端相连接的与第一外直线段 a位于同一侧的第一 内直线段 b， 第一外直线段 a与第一内直线段 b之间的夹角为 α， 其中， α为锐角。 进一步地， 各个安装槽的与铁心的轴向方向垂直的截面上均包括圆弧段， 每组安 装槽的沿从铁心的轴心起到铁心的外周方向上由近及远依次分布的各个圆弧段的圆心 在此方向上由近及远依次分布。 进一步地， 各个永磁体的两端与其嵌入的安装槽的两端之间具有空隙。 进一步地， 永磁体的两端与安装槽的两端之间的空隙中填充非导磁介质。 根据本发明的一个方面， 还提供了一种电动机， 包括前述的电动机转子。 采用本发明的电动机转子及具有其的电动机， 优化了永磁体的形状， 永磁体在垂 直于转子的轴线上的横截面的中间厚度大于其两端厚度， 在面积一定的转子中可以排 布更多的永磁体， 提高了转子每极下的永磁体的占有率， 从而提高了电动机的效率。 附图说明 构成本申请的一部分的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是根据本发明的电动机转子的结构示意图； 图 2是根据本发明的电动机转子的安装槽的形状示意图； 图 3是根据本发明的电动机转子的永磁体的厚度的示意图； 图 4是根据本发明的电动机转子的退磁电流与 A/T值之间的关系示意图， 其中， A为永磁体的末端厚度， T为永磁体的中心厚度； 图 5是根据本发明的电动机转子的单层永磁体体积与 A/T值之间的关系示意图， 其中， A为永磁体的末端厚度， T为永磁体的中心厚度。 具体实施方式 下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。 本发明提供了一种电动机转子， 包括铁心 10和设于铁心 10内部的永磁体 20， 铁 心 10上沿铁心 10的周向方向上设置有多组安装槽 30， 每组安装槽 30包括两个或者 两个以上在铁心 10的径向方向上间断设置的安装槽 30; 永磁体 20为多组， 每组永磁 体 20中的各个永磁体 20对应地嵌入每组安装槽 30的各个安装槽 30中； 永磁体 20 在垂直于转子的轴线上的横截面的中间厚度大于其两端厚度。 以如图 1 所示的四极每极下三层永磁体的电动机转子为例进行说明， 图 1 中 10 为电动机转子的铁心， 由硅钢片叠压而成， 以转子轴心为圆心按照圆周方向均匀分布 了四组通槽， 每组通槽中又含有三层弧形的安装槽 30。在安装槽 30中放入永磁体 20， 放置时要求同一组内的永磁体 20朝转子外周方向呈同一极性，如图 1中沿 d轴方向的 三层永磁体全部显示 N极； 同时要求相邻的两组磁性相反， 四组永磁体对外沿圆周方 向按照 NS极交替分布。 同一组永磁体 20中相邻两层永磁体 20之间具有一定宽度的 由硅钢片构成的磁通路径 12， 相邻两极之间有宽度不恒定的连接筋 11。 由于 d轴方向上放置了多层永磁体 20， 而永磁体 20本身的磁阻很大， 与空气磁 导率相当， 因此在 d轴方向上的电感 L_d较小， 而 q轴方向因为铁心 10本身具有较高 的磁导率， 所以 q轴方向上的电感 L_q较大， 因此提高了电动机转子的磁阻转矩， 从而 提高了电动机输出转矩， 也就提高了电动机效率。 另外， 由于磁阻转矩的充分利用需要保证磁通路径 12和连接筋 11具有一定的宽 度，所以当弧形的永磁体 20的中间厚度大于其两端厚度时，在转子的某一个极下才可 以尽可能多的排布下永磁体 20， 提高了转子每极下的永磁体 20的占有率。 永磁体 20 的增加对永磁转矩的提高具有很大贡献， 从而提高了电动机的效率。 如图 1所示， 各个永磁体 20的两端与其嵌入的安装槽 30的两端之间具有空隙。 永磁体 20的两端与安装槽 30的两端之间的空隙中填充非导磁介质。 每组永磁体 20中包括在垂直于转子的轴线上的横截面为弧形的永磁体 20， 每组 永磁体 20中的各个永磁体 20的沿转子的径向靠近转子中心的表面为弧形表面。 由于 永磁体 20在两端部较薄比较容易退磁， 因此永磁体 20并没有填充满整个安装槽 30 而是在端部留有一定的空间， 目的是防止永磁体 20的端部退磁。在本实施例中， 弧形 的永磁体 20比安装槽 30略短，将永磁体 20插入安装槽 30后在永磁体 20的两端部均 留有的空隙， 其中可以填充空气或者其他非导磁性介质。 优选地， 如图 2所示， 安装槽 30的边缘与转子外周之间形成隔磁桥 13， 隔磁桥

13的宽度为 0.5mm至 1.0mm。 安装槽 30与转子的外周之间具有距离， 即在此处形成隔磁桥 13， 用于进一步减 少永磁体 20在边界出现的磁通泄漏， 以提高永磁磁通的利用率。 隔磁桥 13的宽度应 该满足一定的范围， 隔磁桥 13太宽， 会影响隔磁效果； 隔磁桥 13太窄， 会影响整个 转子的机械强度， 将隔磁桥 13的宽度设置在 0.5mm至 1.0mm范围内， 可以在保证转 子机械强度的前提下达到最优的隔磁效果。 如图 3所示， 永磁体 20在沿其对称线的方向上的厚度为 T， 永磁体 20的最末端 的厚度为 A， 其中： 5 T 。 为解决永磁体 20发生不可逆的退磁问题， 尤其是解决永磁体 20在其中心部产生 退磁的问题， 将 A与 T的比值限定到前述的范围内。 如图 4的电动机退磁电流与 A/T 的关系示意图以及图 5的单片永磁体的体积与 A/T的关系示意图所示，当 A/T 比值小 于 2/5 时， 所用的永磁体体积迅速地增加了， 但是相应的退磁电流确没有得到明显的 增加； 当 A/T 比值大于 1时， 由于永磁体中间薄两边厚将影响永磁体在转子极上的排 布， 会降低永磁体的含有率。 因此， A/T在上式范围内时， 能够提高永磁体 20的抗退 磁性能， 使得电动机能够在更高的电流下工作， 输出更大的转矩。 其中， 为了研究和 计算方便， 图 4和图 5中的 A值为恒定值， 即永磁体 20的两端厚度预先设定。 上述 关于 A/T的公式， 适用于转子上的任一永磁体 20的端部厚度与中心厚度之间的关系。 如图 2所示， 以任一组的安装槽 30为例， 安装槽 30的与铁心 10的轴向方向垂直 的截面上包括外圆弧段 33， 安装槽 30的外圆弧段 33的圆心都分布在转子的对称轴线 上。 安装槽 30的与铁心 10的轴向方向垂直的截面上还包括内圆弧段 34， 安装槽 30 的内圆弧段 34的圆心分布在转子的对称轴线上。 优选地， 各个安装槽 30的与铁心 10 的轴向方向垂直的截面上均包括圆弧段， 每组安装槽 30的沿从铁心 10的轴心起到铁 心 10 的外周方向上由近及远依次分布的各个圆弧段的圆心在此方向上由近及远依次 分布。 图 2中的 90a和 90b所示的为每一层安装槽 30的内外弧形所在的虚拟的圆，可以 看到所有弧线的圆心均朝 d轴的方向分布， 且圆心在安装槽的对称轴线上。 具体地， 从靠近转子轴心方向起由内而外的多条弧线的圆心依次远离转子中心。 特别的， 每一 层安装槽 30的内弧在转子以外虚拟聚集于区域 9b， 相应的， 外弧在转子以外虚拟的 聚集于区域 9a， 两区域的距离与永磁体 20的厚度相关。 优选地， 最外一层永磁体 20及安装槽 30的内弧可以是弧形， 但通常设计成与 d 轴方向相垂直的直线段 31， 以此增加外层永磁体 20的使用量， 从而提高转子表面的 磁场强度。 如图 2所示， 安装槽 30的与铁心 10的轴向方向垂直的截面上还包括与外圆弧段 33的两端分别相连接的第一外直线段 32a和第二外直线段 32c， 第一外直线段 32a与 第二外直线段 32c之间的夹角为 β， 贝 lj : Ϊ^{Γ > >} 3? , 其中 Ρ为电动机转子的转子极 数。 以图 2中最靠近转子圆心的内层槽进行说明， 第一外直线段 32a和第二外直线段 32c分别与外圆弧段 33的两端相接并延伸至距离转子外周处 0.5mm至 1.0mm宽的地 方结束。其中第一外直线段 32a和第二外直线段 32c之间互成一定角度 β。 β满足关系 式能够在每极下安放较多的永磁体 如图 2所示，安装槽 30的垂直于铁心 10的轴向的截面还包括与外圆弧段 33的一 端相连接的第一外直线段 32a以及与内圆弧段 34的一端相连接的与第一外直线段 32a 位于同一侧的第一内直线段 32b， 第一外直线段 32a与第一内直线段 32b之间的夹角 为 α， 其中， α为锐角。 安装槽 30末端的第一外直线段 32a与第一内直线段 32b之间形成锐角 α， 因此安 装槽 30在其末端的延伸处产生了收敛的效果， 使得安装槽 30中央沿 d轴轴线处的宽 度大于其两端的宽度。 因为所设计的永磁体 20的形状紧密贴合安装槽 30， 所以通过 此种收敛可以达到不使用任何额外定位部件或粘接剂的情况下实现转子旋转时固定永 磁体 20并防止永磁体 20滑动的目的。 此种设置也同样适用于其他槽型的内边与外边 的边缘的构成形式。 本发明还提供了一种电动机， 包括前述的电动机转子。 本发明的电动机， 通过限定永磁体厚度与其间隙之间的关系， 提高了磁阻转矩的 利用， 提高了电动机的效率。 本发明的电动机可以应用在空调压缩机、 电动车以及风 扇系统中。 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： 本发明的电动机转子及具有其的电动机， 从电动机转子安装槽中放置的永磁体的 中心厚度与其两端部厚度的关系以及永磁体及安装槽的设计进行了探讨， 提出了在不 影响磁阻转矩利用的情况下增大永磁体含有率以及提高电动机转子永磁体抗退磁性能 的方法， 优化了永磁体形状， 最终提高了电动机效率并实现了电动机在更高的负载条 件下工作而不容易发生退磁现象的效果。 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

权 利 要 求 书

1. 一种电动机转子， 包括铁心 （10) 和设于所述铁心 （10) 内部的永磁体 （20)， 其特征在于，

所述铁心（10)上沿所述铁心（10)的周向方向上设置有多组安装槽（30)， 每组所述安装槽 （30) 包括两个或者两个以上在所述铁心 （10) 的径向方向上 间断设置的安装槽 （30);

所述永磁体 （20) 为多组， 每组所述永磁体 （20) 中的各个永磁体 （20) 对应地嵌入每组安装槽 （30) 的各个所述安装槽 （30) 中；

所述永磁体 （20) 在垂直于所述转子的轴线上的横截面的中间厚度大于其 两端厚度。

2. 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 （20) 在沿其对 称线的方向上的厚度为 T， 所述永磁体 （20 ) 的最末端的厚度为 Α， 其中：

5 T 。

3. 根据权利要求 1所述的电动机转子， 其特征在于， 所述安装槽 （30) 的边缘与 所述转子外周之间形成隔磁桥（ 13 )，所述隔磁桥（ 13 )的宽度为 0.5mm至 1.0mm。

4. 根据权利要求 1所述的电动机转子， 其特征在于， 所述安装槽 （30) 的与所述 铁心（10) 的轴向方向垂直的截面上包括外圆弧段（33 )， 所述安装槽（30) 的 所述外圆弧段 （33 ) 的圆心都分布在所述转子的对称轴线上。

5. 根据权利要求 4所述的电动机转子， 其特征在于， 所述安装槽 （30) 的与所述 铁心 （10) 的轴向方向垂直的截面上还包括内圆弧段 （34)， 所述安装槽 （30) 的所述内圆弧段 （34) 的圆心分布在所述转子的对称轴线上。

6. 根据权利要求 5所述的电动机转子， 其特征在于， 所述安装槽 （30) 的与所述 铁心 （10) 的轴向方向垂直的截面上还包括与所述外圆弧段 （33 ) 的两端分别 相连接的第一外直线段（32a)和第二外直线段（32c)，所述第一外直线段（32a) 与所述第二外直线段 （32c) 之间的夹角为 β， 贝 ij :

'ρ ^{> >} ^ρ , 其中 Ρ为所述电动机转子的转子极数。

7. 根据权利要求 5所述的电动机转子， 其特征在于， 所述安装槽 （30) 的垂直于 所述铁心 （10) 的轴向的截面还包括与所述外圆弧段 （33 ) 的一端相连接的第 一外直线段（32a) 以及与所述内圆弧段（34) 的一端相连接的与所述第一外直 线段 （32a) 位于同一侧的第一内直线段 （32b )， 所述第一外直线段 （32a) 与 所述第一内直线段 （32b) 之间的夹角为 α， 其中， α为锐角。

8. 根据权利要求 1所述的电动机转子， 其特征在于， 各个所述安装槽 （30) 的与 所述铁心（10)的轴向方向垂直的截面上均包括圆弧段， 每组所述安装槽（30) 的沿从所述铁心 （10) 的轴心起到所述铁心 （10) 的外周方向上由近及远依次 分布的各个所述圆弧段的圆心在此方向上由近及远依次分布。

9. 根据权利要求 1至 8中任一项所述的电动机转子， 其特征在于， 各个所述永磁 体 （20) 的两端与其嵌入的所述安装槽 （30) 的两端之间具有空隙。

10. 根据权利要求 9所述的电动机转子， 其特征在于， 所述永磁体 （20) 的两端与 所述安装槽 （30) 的两端之间的空隙中填充非导磁介质。

11. 一种电动机， 其特征在于， 包括权利要求 1至 10中任一项所述的电动机转子。