WO2015096525A1 - 永磁电机 - Google Patents

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  • the permanent magnet auxiliary synchronous reluctance motor is composed of a stator 1 and a rotor 4, wherein the stator includes at least a stator core 2 and a stator winding 3 made of a magnetically permeable material, and the rotor 4 includes at least one rotor.
  • a magnetic conductive channel is formed between two adjacent layers of the permanent magnet grooves, one end of the magnetic conductive channel faces the tooth portion of the stator, and the other end of the magnetic conductive channel faces the opposite end The notch of the stator slot.
  • the permanent magnet motor of the invention can suppress the torque ripple of the permanent magnet auxiliary synchronous reluctance motor with the multi-layer permanent magnet structure of the rotor, and reduce the fluctuation of the inductance of the intersection and the direct shaft of the motor with the change of the position of the rotor relative to the stator slot, so that The torque ripple of the motor is significantly reduced compared to the existing structure.

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Abstract

一种永磁电机，包括定子（1）和转子（4），转子包括转子铁芯（5）和永磁体（7a，7b），在转子的径向方向上，转子铁芯的每一磁极上均设置有多层弧形永磁体槽（6a，6b），相邻的两层永磁体槽之间形成一条q轴磁路，永磁体设置在永磁体槽内；转子的相邻的两个磁极分别为第一磁极和第二磁极，第一磁极和第二磁极极性相反，第一磁极中的一个永磁体的外端部在远离q轴的一端为第一外端部，第二磁极中的一个永磁体的外端部在远离q轴的一端为第二外端部，第一外端部与第二外端部相对转子圆心的夹角A小于80度电气角度，其中定子槽数为N，转子极对数为P，绕组相数为m，每极每相槽数N/2P/m为整数。该永磁电机使得电机的转矩脉动相比现有结构大幅度下降。

Description

永磁电机
相关申请
本专利申请要求2013年12月25日申请的，申请号为201310737745.1，名称为“永磁电机”的中国专利申请的优先权，在此将其全文引入作为参考。
技术领域
本发明涉及电机领域，尤其涉及一种永磁电机。
背景技术
永磁体放置在转子内部的永磁电机(IPM)，其合成电磁转矩包含了永磁转矩和磁阻转矩，永磁转矩是转子永磁体磁场与定子磁场作用所产生，磁阻转矩为定子磁场与交、直方向电感存在差异的转子铁芯作用所产生，相比永磁体放置在转子铁芯表面的电机(SPM)，正是因此增加了磁阻转矩的利用，使得IPM电机更容易实现电机的高效率化。
转子采用多层永磁体结构的永磁辅助同步磁阻电机相比IPM电机进一步加大了电机交、直轴电感差异，大幅度提升磁阻转矩的利用，实现了电机的高效化，并且大大降低了电机的成本。例如ZL201210056204.8公开了一种能够提升电机磁阻转矩利用的转子结构。
但研究发现随着电机磁阻转矩利用的提高，磁阻转矩在合成电磁转矩中比重的加大，会使得电机转矩脉动的增加，这样将引起电机的振动和噪声问题，特别是在电机为了实现高速运转，需要进行弱磁控制时，磁阻转矩占比会更大，这一问题会更加明显。
美国专利US20100079026公开了一种定子每对极槽数为奇数的永磁电机，并通过调节转子永磁体夹角分布来改善转子永磁体磁场分布，降低谐波含量，来减小涡流损耗和转矩脉动，其改善的主要是转子永磁体磁场分布，对于永磁转矩的脉动是有所帮助的，但对于磁阻转矩脉动的抑制是没有作用的，且由于定子每对极槽数为奇数，实际上相当于定子每极每相槽数(定子槽数/极对数/绕组相数/2)为分数，现有研究表明定子每极每相槽数为分数的电机比每极每相槽数为整数的电机，其定子磁场具有更多的谐波含量，因此更不利于磁阻转矩脉动的降低。
转子采用多层永磁体结构的永磁辅助同步磁阻电机由于可以增加电机在交、直轴方向的电感差值，使得电机在磁阻转矩利用相比单层永磁体结构有了很大的提升，使得电机 实现了更大的输出转矩和更高的效率，但随着磁阻转矩在整个电磁转矩比值的提高，也会产生一些问题，这主要是由于磁阻转矩容易受定、转子相对位置变化而产生脉动，这会使得电机电磁转矩的脉动也增大，从而导致电机出现振动、噪声加大的问题。
在现有技术中为了降低永磁辅助同步磁阻电机的转矩脉动常用的方法是增加电机定子槽数和转子永磁体的层数，但这会使得电机的工艺性变得复杂，而且对转矩脉动降低的幅度也是有限的。如图1所示，永磁辅助同步磁阻电机由定子1和转子4构成，其中定子至少包含由导磁材料制成的定子铁芯2和定子绕组3，转子4至少包含一个转子极有多个永磁体槽6a、6b的转子铁芯5和放置在永磁体槽内的永磁体7a、7b。
发明内容
鉴于现有技术的现状，研究发现在电机带负载旋转过程中定子磁场总是在转子磁场的位于旋转方向的前侧，如图2所示，且定子磁场大多是集中在一定的角度范围内，转子磁力线需要通过位于永磁体槽外段相邻的导磁通道末端进入定子，与定子磁力线连接。电机旋转时候转子导磁通道相对定子齿位置的变化，会使得磁力线行走路线的磁阻发生变化，将产生转矩的脉动，当转子永磁体槽末端挡住磁力线行走路线时，电机的瞬时转矩小于平均电磁转矩，且挡住的时间越长，产生的最小峰值转矩越小，电机的转矩脉动越大。
本发明的目的在于提供一种永磁电机，电机的转矩脉动相比现有结构大幅度下降。为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种永磁电机，包括定子和转子，所述定子包括定子铁芯和绕组，所述转子包括转子铁芯和永磁体，在所述转子的径向方向上，所述转子铁芯的每一磁极上均设置有多层弧形永磁体槽，相邻的两层所述永磁体槽之间形成一条q轴磁路，所述永磁体设置在永磁体槽内；
所述转子的相邻的两个磁极分别为第一磁极和第二磁极，所述第一磁极和第二磁极极性相反，所述第一磁极中的一个所述永磁体的外端部在远离q轴的一端为第一外端部，所述第二磁极中的一个所述永磁体的外端部在远离q轴的一端为第二外端部，所述第一外端部与第二外端部相对所述转子圆心的夹角A小于80度电气角度，其中定子槽数为N,转子极对数为P,绕组相数为m，每极每相槽数N/2P/m为整数。
在一些实施例中，在所述转子的径向方向上，所述转子铁芯的每一磁极上均设两层弧形永磁体槽，所述第一磁极中的外层的所述永磁体的外端部在远离q轴的一端为第一外端 部，所述第二磁极中的外层的所述永磁体的外端部在远离q轴的一端为第二外端部。
进一步地，所述第一磁极中的内层的所述永磁体的外端部在远离q轴的一端为第三外端部，所述第二磁极中的内层的所述永磁体的外端部在远离q轴的一端为第四外端部，所述第三外端部与第四外端部相对所述转子圆心的夹角B小于间隔一个定子齿的两定子齿部相对所述转子圆心的内夹角C。
在一些实施例中，在所述转子的径向方向上，所述转子铁芯的每一磁极上均设置有三层弧形永磁体槽，所述第一磁极中的中间层的所述永磁体的外端部在远离q轴的一端为第一外端部，所述第二磁极中的中间层的所述永磁体的外端部在远离q轴的一端为第二外端部。
进一步地，所述第一磁极中的最内层的所述永磁体的外端部在远离q轴的一端为第五外端部，所述第二磁极中的最内层的所述永磁体的外端部在远离q轴的一端为第六外端部，所述第五外端部与第六外端部相对所述转子圆心的夹角B小于间隔一个定子齿的两定子齿部相对所述转子圆心的内夹角C。
在一些实施例中，电机定子槽数为N,转子极对数为P，电机每极每相槽数N/2P/m等于2，所述夹角A小于间隔一个所述定子的定子齿的两所述定子齿部相对所述转子圆心的内夹角D。
在一些实施例中，所述永磁体在所述永磁体槽中的填充比例大于85％。
在一些实施例中，相邻的两层所述永磁体槽之间形成导磁通道，所述导磁通道的一端正对所述定子的齿部，所述导磁通道的另一端正对所述定子槽的槽口。
在一些实施例中，所述转子的极间宽度S小于定子槽的槽口宽度G。
在一些实施例中，所述转子的隔磁桥厚度不相等，从磁极中心线向q轴方向逐渐减小。
在一些实施例中，所述永磁体槽末端朝q轴偏移。
在一些实施例中，所述永磁体槽的内弧末端设置倒角。
本发明的有益效果是：
本发明的永磁电机，能够抑制转子采用多层永磁体结构的永磁辅助同步磁阻电机的转矩脉动，降低电机交、直轴电感差值随转子相对定子齿槽位置变化的波动，使得电机的转矩脉动相比现有结构大幅度下降。
附图说明
图1为现有技术的永磁电机示意图；
图2为图1所示永磁电机带负载运转时磁力线分布图；
图3为本发明的永磁电机的一个实施例的结构示意图，其中所述永磁电机的转子包括两层永磁体；
图4为图3所示永磁电机与现有技术的永磁电机的电感差值波动对比图；
图5为图3所示永磁电机与现有技术的永磁电机的转矩脉动对比图；
图6为本发明的永磁电机的另一个实施例的结构示意图，其中所述永磁电机的转子包括三层永磁体；
图7为图3所示永磁电机的另一实施方式的结构示意图，其中为所述永磁电机为六极电机；
图8为图3所示永磁电机的另一实施方式的示意图；
图9为本发明的永磁电机的一个实施例的永磁体填充率示意图；
图10为本发明的永磁电机的一个实施例的转子永磁体槽外表面切削示意图；
图11为本发明的永磁电机的一个实施例的导磁通道相对定子齿槽位置示意图；
图12为本发明的永磁电机的一个实施例的永磁体槽末端偏移示意图；
图13为本发明的永磁电机的一个实施例的永磁体隔磁桥不等厚状态示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明的永磁电机进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图3至图13，本发明的永磁电机一实施例包括定子1和转子4，定子1包括定子铁芯2和绕组3，转子4包括转子铁芯5和永磁体7a、7b，在转子4的径向方向上，转子铁芯5的每一磁极上均设置有多层弧形永磁体槽6a、6b，相邻的两层永磁体槽6a、6b之间形成一条q轴磁路，永磁体7a、7b设置在永磁体槽6a、6b内。
转子4的相邻的两个磁极分别为第一磁极和第二磁极，第一磁极和第二磁极极性相反，第一磁极中的一个永磁体7a的外端部在远离q轴的一端为第一外端部，第二磁极中的一个永磁体7b的外端部在远离q轴的一端为第二外端部，第一外端部与第二外端部相对转子4圆心的夹角A(外夹角)小于80度电气角度，其中定子槽9的数量(槽数)为N,转子极对数为P,绕组相数为m，每极每相槽数N/2P/m为整数。优选地，永磁体在永磁 体槽中的填充比例大于85％，为了减少磁阻转矩在整体电磁转矩中的占比，将永磁体在永磁体槽中的填充比例大于85％，实现整体电磁转矩脉动的下降。将转子一对极中的外层永磁体端部外夹角A设置成小于80度电气角度，可以减少转子永磁体槽末端挡住磁力线行走路线的时间，使得交、直轴电感差值在波动过程中的最小值得到提高，如图4所示。从而有效增大电磁转矩中的的最小转矩，从图5可以看出，通过改进后的电机转矩脉动最小值比现有技术有了很大提高。较优地，如图3所示，电机定子槽数为N,转子极对数为P，电机每极每相槽数N/2P/m等于2，夹角A小于间隔一个定子1的定子齿11的两定子齿部相对转子4圆心的内夹角D。可以达到更佳的提升最小转矩的效果。
作为一种可实施方式，在转子4的径向方向上，转子铁芯5的每一磁极上均设两层弧形永磁体槽，第一磁极中的外层永磁体7a的外端部在远离q轴的一端为第一外端部，第二磁极中的外层永磁体7a的外端部在远离q轴的一端为第二外端部。第一外端部与第二外端部相对转子4圆心的夹角A(外夹角)小于80度电气角度。
进一步地，第一磁极中的内层永磁体7b的外端部在远离q轴的一端为第三外端部，第二磁极中的内层永磁体7b的外端部在远离q轴的一端为第四外端部，第三外端部与第四外端部相对转子圆心的夹角B小于间隔一个定子齿的两定子齿部相对转子圆心的内夹角C。将转子内层永磁体端部外夹角B设置成为小于间隔一个定子齿的两定子齿部内夹角C，可以避免电机定子磁场与转子内层永磁体磁场之间的夹角出现波动引起的转矩脉动。
作为一种可实施方式，如图6所示，在转子4的径向方向上，转子铁芯5的每一磁极上均设置有三层弧形永磁体槽6a、6b、6c，第一磁极中的中间层永磁体(永磁体槽6b中)的外端部在远离q轴的一端为第一外端部，第二磁极中的中间层的所述永磁体的外端部在远离q轴的一端为第二外端部。第一外端部与第二外端部相对转子4圆心的夹角A(外夹角)小于80度电气角度。
进一步地，第一磁极中的最内层永磁体(永磁体槽6c中)的外端部在远离q轴的一端为第五外端部，第二磁极中的最内层永磁体(永磁体槽6c中)的外端部在远离q轴的一端为第六外端部，第五外端部与第六外端部相对转子4圆心的夹角B小于间隔一个定子齿11的两定子齿部相对转子4圆心的内夹角C。在转子永磁体层数为3层的结构中，由于q轴磁力线的行走路径主要集中在最外层永磁体靠近内侧的各层永磁体之间的导磁通道，将中间层永磁体端部外夹角A小于80度电气角度，也可以提升转矩脉动中的最小转矩。
作为一种可实施方式，如图8所示，所述转子的极间宽度S小于定子槽的槽口宽度G。 将转子极间宽度S小于定子槽口宽度G，可以减少磁力线直接从定子进入转子极间的导磁部分，使得磁力线先进入位于转子极间位置旋转方向后侧的永磁体之间的导磁通道，进入永磁体后再进入转子极间的导磁部分，这样一来整个磁力线行走的磁阻变大，转子相对于定子齿槽位置变化所以引起的磁阻变化在整个磁链行走路线中的磁阻的比例变小，电感的波动变小，减小了磁阻转矩的脉动。
作为一种可实施方式，如图11所示，相邻的两层所述永磁体槽之间形成导磁通道10，所述导磁通道10的一端正对所述定子的齿部11，所述导磁通道10的另一端正对所述定子槽的槽口9。永磁体槽中间的导磁通道10一端正对定子齿，另一端正对定子槽，可以使得电机交轴电感在转子相对定子齿槽位置变化时的脉动，使得电机的磁阻转矩更加平滑。
为了实现转子永磁体槽内侧夹角A或B的减小，可以将转子永磁体槽内弧末端切削，如图10所示，永磁体槽的内弧末端设置倒角8。
为了实现转子永磁体槽内侧夹角A或B的减小，转子永磁体槽末端朝q轴磁极分界线偏移。如图12所示，永磁体槽末端朝q轴偏移，偏移方向如图中箭头方向所示。
同样的，将转子隔磁桥厚度不相等，从磁极中心线向磁极分界线方向逐渐减小，可以实现和转子永磁体槽内侧夹角A或B减小相等的效果。如图13所示，所述转子的隔磁桥12厚度不相等，从磁极中心线(d轴)向q轴方向逐渐减小。
以上实施例的永磁电机，能够抑制转子采用多层永磁体结构的永磁辅助同步磁阻电机的转矩脉动，降低电机交、直轴电感差值随转子相对定子齿槽位置变化的波动，使得电机的转矩脉动相比现有结构大幅度下降。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (12)

  1. 一种永磁电机，包括定子和转子，所述定子包括定子铁芯和绕组，其特征在于：
    所述转子包括转子铁芯和永磁体，在所述转子的径向方向上，所述转子铁芯的每一磁极上均设置有多层弧形永磁体槽，相邻的两层所述永磁体槽之间形成一条q轴磁路，所述永磁体设置在永磁体槽内；
    所述转子的相邻的两个磁极分别为第一磁极和第二磁极，所述第一磁极和第二磁极极性相反，所述第一磁极中的一个所述永磁体的外端部在远离q轴的一端为第一外端部，所述第二磁极中的一个所述永磁体的外端部在远离q轴的一端为第二外端部，所述第一外端部与第二外端部相对所述转子圆心的夹角A小于80度电气角度，其中定子槽数为N,转子极对数为P,绕组相数为m，每极每相槽数N/2P/m为整数。
  2. 根据权利要求1所述的永磁电机，其特征在于：
    在所述转子的径向方向上，所述转子铁芯的每一磁极上均设两层弧形永磁体槽，所述第一磁极中的外层的所述永磁体的外端部在远离q轴的一端为第一外端部，所述第二磁极中的外层的所述永磁体的外端部在远离q轴的一端为第二外端部。
  3. 根据权利要求2所述的永磁电机，其特征在于：
    所述第一磁极中的内层的所述永磁体的外端部在远离q轴的一端为第三外端部，所述第二磁极中的内层的所述永磁体的外端部在远离q轴的一端为第四外端部，所述第三外端部与第四外端部相对所述转子圆心的夹角B小于间隔一个定子齿的两定子齿部相对所述转子圆心的内夹角C。
  4. 根据权利要求1所述的永磁电机，其特征在于：
    在所述转子的径向方向上，所述转子铁芯的每一磁极上均设置有三层弧形永磁体槽，所述第一磁极中的中间层的所述永磁体的外端部在远离q轴的一端为第一外端部，所述第二磁极中的中间层的所述永磁体的外端部在远离q轴的一端为第二外端部。
  5. 根据权利要求4所述的永磁电机，其特征在于：
    所述第一磁极中的最内层的所述永磁体的外端部在远离q轴的一端为第五外端部，所述第二磁极中的最内层的所述永磁体的外端部在远离q轴的一端为第六外端部，所述第五外端部与第六外端部相对所述转子圆心的夹角B小于间隔一个定子齿的两定子齿部相对所述转子圆心的内夹角C。
  6. 根据权利要求1-5任一项所述的永磁电机，其特征在于：
    电机定子槽数为N,转子极对数为P，电机每极每相槽数N/2P/m等于2，所述夹角A小于间隔一个所述定子的定子齿的两所述定子齿部相对所述转子圆心的内夹角D。
  7. 根据权利要求1-5任一项所述的永磁电机，其特征在于：
    所述永磁体在所述永磁体槽中的填充比例大于85％。
  8. 根据权利要求1-5任一项所述的永磁电机，其特征在于：
    相邻的两层所述永磁体槽之间形成导磁通道，所述导磁通道的一端正对所述定子的齿部，所述导磁通道的另一端正对所述定子槽的槽口。
  9. 根据权利要求1-5任一项所述的永磁电机，其特征在于：
    所述转子的极间宽度S小于定子槽的槽口宽度G。
  10. 根据权利要求1-5任一项所述的永磁电机，其特征在于：
    所述转子的隔磁桥厚度不相等，从磁极中心线向q轴方向逐渐减小。
  11. 根据权利要求1-5任一项所述的永磁电机，其特征在于：
    所述永磁体槽末端朝q轴偏移。
  12. 根据权利要求1-5任一项所述的永磁电机，其特征在于：
    所述永磁体槽的内弧末端设置倒角。
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