专利名称：内置式永磁电机转子和包含该转子的电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及电动机，特别涉及电动机的转子，本发明还涉及包含该转子的电机。
背景技术：
电动汽车作为清洁、节能的新型交通工具，其最大的优势是“零排放”。由于它在行驶过程中没有污染，热辐射低，噪音小，不消耗汽油，可应用多种能源，使用维修方便，成为当今汽车研发热点。电机驱动控制系统是电动汽车行驶过程中的主要执行结构，其传动系统是电动汽车的心脏，电动汽车中的燃料电池汽车(FCV)、混合动力汽车(HEV)和纯电动汽车(EV)三大类都要用电动机来驱动车轮行驶，优化电机结构是提高各类电动汽车性价比的重要因素。目前在适用于电动汽车用高品质永磁驱动电机开发方面，还存在着各种各样的技术瓶颈，存在噪音大、转矩波动大、功率密度低、过载能力低和可靠性差等缺陷，难以满足产业化的要求。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种内置式永磁电机转子和包含该转子的电机，其具有响应快、噪音低和可靠性高的优势，且提高了其过载能力。为达到以上目的，本发明所采用的解决方案是本发明的技术方案包括一种电机转子，包括极靴，该极靴内设有至少一个永磁体， 该极靴外圆设有多个槽。其中，该永磁体为一字形磁钢。该极靴的外圆为非同心弧形曲面。该槽为半圆形槽或梯形槽。在磁钢的磁极间设置隔磁磁桥。或者，其中，该永磁体为V形磁钢。该槽为半圆形槽或梯形槽，且该极靴圆周方向开均勻圆孔。在磁钢的磁极间设置隔磁磁桥。本发明的技术方案又包括一种电机，包括定子和上述转子。由于采用了上述方案，本发明具有以下特点改善电机气隙磁场波形，提高齿槽转矩波动的基波次数，减小齿槽基波和高次谐波转矩幅值，降低齿槽引起的转矩波动，使电机合成转矩波动大幅降低(减少35-45% )，抑制静态和动态电枢反应，使d轴与q轴径向力趋于平衡，降低机械振动，可显著减小转子高速运行时的离心力，有利于电机频繁启动，提高过载能力，使电机具有高出力、高可靠性、低波动、快响应、低噪、小型轻量化和平稳运行等特点。
图1是本发明实施例的示意图。图2是图1的实施例的局部放大示意图。图3是永磁转子优化前后电机的齿槽转矩与旋转角关系波形的图表。图4是图1的实施例的一种变化的示意图。图5是图1的实施例的另一种变化的示意图。
具体实施例方式以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。由电磁原因引起的转矩波动，产生机械和电磁噪音，影响电机平稳运行和可靠性， 它分为两种一种是齿槽转矩，即定子齿槽与转子永磁体相互作用产生的转矩，该转矩随空间位置作周期性变化引起波动，它与定子电流无关；另一种是纹波转矩，即由电流和反电势波形差异引起的谐波转矩。车用永磁同步电机的转矩波动是齿槽转矩和纹波转矩的叠加。 世界各国电机行业和科研单位均在进行力图降低电机转矩波动的研究，如采用分数槽法、 辅助槽法、辅助齿法、斜槽法、斜极法、闭口槽法和磁化槽楔法等，各有利弊，消除齿槽效应措施总不理想。斜槽或斜极也可以减小转矩波动，但斜槽、斜极法对方波电机气隙磁感应强度平顶宽度有影响，同时定子斜槽会影响导体的占槽面积，使铜耗增加，两者均降低出力， 并是使电机的结构复杂。图1是本发明实施例的剖面示意图。该车用驱动电机及其低噪低波动永磁转子， 包括机壳和机壳内的定子和转子，定子包括固定在机壳内壁的定子铁芯和定子绕组，定子铁芯包括定子磁轭5、定子槽6和定子齿7，转子包括转轴9和转子铁芯3。提高齿槽转矩波动的基波次数(频率)，就能有效减小齿槽基波和高次谐波转矩幅值，降低齿槽引起的力矩波动，长期以来，提高降低力矩波动的措施之一就是增加定子槽数，提高齿槽转矩波动的基波次数(频率)，但这样生产工艺复杂，定子槽下线困难增加， 效率也降低；长期以来，提高降低力矩波动的措施之二就是定子铁芯斜槽(定子铁心轴向扭转一定的角度)，但这样同样使生产工艺复杂，而且使定子槽面积减小，降低出力，得不偿失。图1是极靴外圆开长半圆孔的内置式一字型永磁体同步电机(IPMSM)剖面图。图 2是极靴外圆开凹槽的内置式一字型永磁电机剖面图。图4是带不均勻气隙和极靴外圆开长半圆孔的内置式一字型永磁转子。图5是极靴外圆开长半圆孔的内置式V型永磁电机剖面图。如图1、2、4、5所示的内置式永磁同步电机(IPMSM)，将磁钢内置在转子结构内部。 磁钢1的极靴10外圆开长半圆孔8或极靴10外圆开至少一个凹槽11。内置式与表面安装式相比的优点是1)生产工艺简单。采用矩形条状磁钢，易加工、充磁、省材并容易固定；2)转子表面平滑，动平衡好，结构稳定，有利于高速运行和频繁起动；3)转子为典型的凸极结构，凸极效应(凸极率)显著，交轴电感大于直轴电感(Lq > Ld)，使电机在永磁转矩的基础上迭加了磁阻转矩，磁阻转矩的存在有助于提高电机的起动特性、过载能力和功率密度，易于弱磁调速，扩大恒功率范围运行。开设的该长半圆孔8或凹槽11的作用如下所述。根据上面的讨论，提高齿槽转矩波动的基波次数(频率)，就能有效减小齿槽基波和高次谐波转矩幅值，降低齿槽引起的力矩波动，长期以来，提高降低力矩波动的措施之一就是增加定子槽数，提高齿槽转矩波动的基波次数(频率)，但这样生产工艺复杂，定子槽下线困难增加，效率也降低；长期以来，提高降低力矩波动的措施之二就是定子铁芯斜槽(定子铁心轴向扭转一定的角度)，但这样同样使生产工艺复杂，而且使定子槽面积减小，降低出力，得不偿失；内置式永磁同步电机极靴10外圆开长半圆孔8和极靴10外圆开至少一个凹槽11，相当于增加电机的槽数，优点在于在不增加电机槽数的条件下，可提高齿槽转矩波动的基波次数(频率)，减小齿槽基波和高次谐波转矩幅值，降低齿槽引起的转矩波动，实现调速平稳运行。上述结构不但可以有效地提高了齿槽转矩波动的基波次数，减小齿槽基波和高次谐波转矩幅值，降低齿槽引起的转矩波动，使电机合成转矩波动大幅降低，而且可以使d轴与q轴径向力趋于平衡，降低机械振动，可显著减小转子高速运行时的离心力，有利于电机频繁启动，提高过载能力。参见图1、4、5，径向离心力分布的变化，引起机械振动，当磁极中央(d轴)定位面向定子齿7时，定子齿7的径向离心力Fd为最大。但当磁极之间(q轴) 面向定子齿7，则定子齿7的径向离心力Fq为最小。电机旋转时，Fd与Fq的大小差异和不断交替变化，引起较大的机械振动。因此，减少Fd与Fq的差异，使两者大小趋于接近，能有效降低齿槽引起的转矩波动。在图1、4、5中，在内置式一字型或V型永磁同步电机极靴10 外圆中央开长半圆孔8，减少Fd与Fq的差异，减小了气隙磁导的变化，从而减小了当转子旋转时气隙磁场储能的变化，削弱了磁阻力矩，抑制了齿槽引起的力矩波动。齿槽力矩也称磁阻力矩，是电动汽车驱动系统中致命缺陷。此外，在图4中，带不均勻气隙内置式永磁转子，转子极靴10外圆为非同心弧形曲面，形成不均勻对称径向气隙。在图5中，内置式V型磁钢的极靴10内，圆周方向开均勻圆孔12，这些技术措施均有利于抑制转矩波动。在图4中，转子极靴10外圆为非同心弧形曲面，从而形成带不均勻气隙，显著改善电机气隙磁密波形，获得正弦波磁场，既不减少出力，又能大幅度降低力矩波动，降低电机机械和电气噪音，提高精度。在图5中，内置式V型磁钢的极靴10内，圆周方向开均勻圆孔12，减轻转子质量， 减少铁心损耗，同时，极靴内圆孔12的存在，减少了负载下电枢反应磁通引起的气隙磁场波形的变形，改善电机气隙磁密波形，有利于抑制力矩波动，并能有效减小电机启动、过载、 突然反转等暂态情况下的电枢反应去磁磁通的剧增。图3是永磁转子优化前后电机的齿槽转矩与旋转角关系波形。N是常规同类永磁电机(极靴10不开长半圆孔或凹槽)的齿槽转矩波形，M是极靴开长半圆孔或凹槽后齿槽转矩波形，后者，显著降低齿槽引起的转矩波动，使电机合成转矩波动降低减少35-45%。同时，在图4、5中，在磁极间设置隔磁磁桥13。内置式转子冲片上的隔磁磁桥设计是关键。由于隔磁磁桥是通过达到一定程度的饱和来限制电机中永磁体的漏磁通的，磁桥设计得越窄，就越饱和，导磁系数就越小，分流的磁通也就越少。但是，隔磁磁桥太窄也会影响到电机的机械强度，应该综合考虑，必须优化磁桥宽度，保证机械强度并形成饱和磁路， 减少漏磁，提高气隙磁密，从而提高电机的功率密度和转矩密度。隔磁磁桥13宽度保证路经该处截面的磁通密度达到饱和，T为磁通密度单位特斯拉，使永磁磁通难以通过形成漏磁，导致电机的功率密度和转矩密度降低；图5中两块相互独立分离的磁钢，组成内置式V型磁钢，替代图1、2、4中一块内置式一字型磁钢，使转子磁钢引起的离心力大大降低，隔磁磁桥13处的机械强度增加，隔磁磁桥可以设计的更窄，漏磁通更少。两块相互独立分离的磁钢组成V型磁极，V型磁钢夹角α所面对的转子外表面的极弧宽度确定时，调节α角，即可调节V型两块相互独立分离的磁钢的宽度，使电机气隙磁密显著提高。图4中隔磁磁桥13在永磁槽2的外面，两者共同抵抗漏磁，永磁槽2的存在，同时加强了抗高速离心力的能力；图5中，还设置了极靴圆孔12，极靴内部开圆孔12，减轻转子质量，减少铁心损耗和抑制电枢反应，能有效减小电机启动、过载、突然反转等暂态情况下的电枢反应去磁磁通的剧增。总之，上述综合措施，改善电机气隙磁场波形，提高齿槽转矩波动的基波次数，减小齿槽基波和高次谐波转矩幅值，降低齿槽引起的转矩波动，使电机合成转矩波动大幅降低(减少35-45% )，抑制静态和动态电枢反应，使d轴与q轴径向力趋于平衡，降低机械振动，抗高速离心力，减小转子高速运行时的离心力，可显著减小转子高速运行时的离心力和有利于电机频繁启动，提高过载能力，使电机具有低噪、低波动、高功率密度、转矩密度、高可靠性、快响应、小型轻量化和平稳运行等特点。上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明的范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种电机转子，包括极靴，其特征在于该极靴内设有至少一个永磁体，该极靴外圆设有多个槽。
2.根据权利要求1所述的电机转子，其特征在于该永磁体为一字形磁钢。
3.根据权利要求2所述的电机转子，其特征在于该极靴的外圆为非同心弧形曲面。
4.根据权利要求2或3所述的电机转子，其特征在于该槽为半圆形槽或梯形槽。
5.根据权利要求4所述的电机转子，其特征在于在磁钢的磁极间设置隔磁磁桥。
6.根据权利要求1所述的电机转子，其特征在于该永磁体为V形磁钢。
7.根据权利要求6所述的电机转子，其特征在于该槽为半圆形槽或梯形槽，且该极靴圆周方向开均勻圆孔。
8.根据权利要求7所述的电机转子，其特征在于，在磁钢的磁极间设置隔磁磁桥。
9.一种电机，包括定子和转子，其特征在于，该转子是权利要求1-8任一项所述的转
全文摘要
本发明公开了一种内置式永磁电机转子，包括转轴和转子铁芯，转子铁芯包括极靴，该极靴内设有至少一个永磁体，该极靴外圆设有多个槽。本发明还公开一种电机，包括定子和上述的转子。本发明改善电机气隙磁场波形，提高齿槽转矩波动的基波次数，减小齿槽基波和高次谐波转矩幅值，降低齿槽引起的转矩波动。
文档编号H02K21/00GK102355071SQ20111029542
公开日2012年2月15日 申请日期2011年9月28日 优先权日2011年9月28日
发明者何平, 林德芳, 胡岗 申请人:苏州和鑫电气股份有限公司