一种永磁体正弦化分段的高性能高速表贴式永磁同步电机

本发明涉及永磁同步电机，具体是一种永磁体正弦化分段的高性能高速表贴式永磁同步电机。

背景技术：

1、高速表贴式永磁体同步电机是一种重要的特种电机。目前对于高速电机的研究重点为尽可能提高运行转速以提高电机的功率密度。与正常运行速度的电动机相比，随着转子速度的提高，对转矩脉动和振动噪声的要求也越来越高。高速运行使得定子铁芯部分和转子铁芯中含有更高频次的谐波，导致定子铁芯部分损耗急剧增加，且在转子铁芯中产生高频涡流损耗。这不仅会增加电机的定转子温升，降低机械强度，还会大大增加永磁体退磁的风险。过度的局部温升也可能导致转子极限应力的降低。

2、由于永磁体位于转子表面，高速表贴式永磁体同步电机的永磁体被高度利用，具有更大的转矩输出能力和更宽的恒转矩调速范围。然而，高速表贴式永磁体同步电机的低弱磁能力使其恒功率调速范围变窄。定子齿槽和转子永磁场之间的相互作用产生了齿槽转矩和转矩脉动。较大的齿槽转矩和转矩脉动会影响电动汽车的平稳运行，特别是在高速运行时，大转矩脉动会增加转子铁芯和轴承的磨损，降低高速表贴式永磁体同步电机的使用寿命。与此同时齿槽转矩和转矩脉动会造成较大的振动噪声，严重影响电动汽车的舒适性。

3、专利cn115694014a提出电机转子铁芯分段及具有转子铁芯总成的电机转子，通过转子分段斜极的方式削弱齿槽转矩和转矩脉动，转子共分5段，各段之间依次偏移一个角度，且两端转子分段叠片厚度小于中间三个转子段的厚度，利用各永磁体段之间的相位差，齿槽转矩和电磁转矩波形的相互补偿，降低齿槽转矩和转矩脉动。但是制造工艺复杂，各转子段之间的连接机械强度较弱，在高速运行时，易发生转子各段之间的滑脱。专利cn110649722a提出一种集成非晶合金与硅钢为定子铁芯部分的电机，使用非晶合金和硅钢独立制作定子，两个定子同轴连接。非晶合金定子具有极低的高频损耗，可以有效降低高速运行时电机的铁耗，进而提高高速运行效率。但是非晶合金材料的磁导率和饱和磁密均低于硅钢，限制了转矩的提升，同时定子磁密饱和会带来较大转矩脉动和径向电磁力，产生振动噪声，影响电动汽车乘坐舒适性

4、综上，传统高速表贴式永磁同步电机在高速运行时，高频电流在定子铁芯部分中激励出高频磁通，在定子铁芯部分产生较大的高频损耗，使得电机高速运行时温升过高；同时传统高速表贴式永磁同步电机在高速运行时，气隙磁密中高频谐波含量较大畸变严重，由此产生较大的定子铁芯部分径向电磁力密度，转矩脉动和振动噪声较为严重。

技术实现思路

1、为解决现有技术的不足，本发明提供了一种永磁体正弦化分段的高性能高速表贴式永磁同步电机。该电机采用了非晶合金和硅钢材料结合的方法制作高性能高速表贴式永磁同步电机的定子结构，利用非晶合金的极低高频损耗和硅钢高磁导率高饱和磁密的特性，降低了高速电机的定子高频损耗，提升了高速运行下的效率。同时，在转子铁芯的每一个磁极对应的外表面部分上设置阶梯弧形缺口，在阶梯弧形缺口内安装一组分段的永磁体，且中心永磁体厚度最大，两侧厚度逐渐减小的厚度正弦化排布方式，使得每一磁极对应的气隙磁通密度从极对称轴开始向外依次降低，使得气隙磁密更加接近正弦波，降低气隙磁密总谐波含有率和气隙径向电磁力密度，从而降低转矩脉动和振动噪声。

2、本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：设计一种永磁体正弦化分段的高性能高速表贴式永磁同步电机，其特征在于，该电机包括定子铁芯部分、绕组、转子铁芯、转轴、永磁体和护套；所述定子铁芯部分包括非晶合金部分和硅钢部分，非晶合金部分为由非晶合金材料叠压粘合制作而成的环形定子轭和衔接在环形定子轭内侧面上的n个第一定子齿，硅钢部分为由硅钢叠压粘合制作而成的n个第二定子齿，第一定子齿的末端端面与第二定子齿的顶端端面的尺寸相匹配且两者通过粘合的方式固定在一起，形成n个定子齿；n个定子齿上绕有绕组；

3、所述转子铁芯位于定子铁芯部分内部，且两者宽度相同，位置正对；在环形的转子铁芯的每一个磁极所对应的外表面上均开有一个相同的阶梯弧形缺口；阶梯弧形缺口的中间缺口深度最大，其两侧对称，该阶梯弧形缺口从两侧到中间其台阶位置逐步降低；每一个阶梯弧形缺口内均设置有一组与其相匹配的永磁体，所有阶梯弧形缺口内的永磁体的外周端面形成一个环形，相邻的永磁体之间及永磁体与转子铁芯之间均通过粘合的方式固定，护套套装在所有永磁体的外周端面上，使所有的永磁体与转子铁芯固定成一个整体；转子铁芯通过其中心通孔固定在转轴上；

4、每一个阶梯弧形缺口内的一组永磁体中的每个永磁体的宽度均相同，每一个永磁体的充磁方向垂直于其外周端面，且每一组永磁体中永磁体沿转子铁芯的圆周方向n极与s极交替排列，不同组中的永磁体的排列方式相同；

5、定子铁芯部分的定子齿的末端端面与护套之间留有气隙；永磁体外周端面上的护套采用不导磁的材料制作而成。

6、与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明设计的电机的定子铁芯部分包括非晶合金部分和硅钢部分，利用非晶合金低高频损耗的特点和硅钢高饱和磁密的优势，在降低定子铁芯部分高频损耗的同时，保证非晶合金材料中的磁密不超过非晶合金的饱和磁密；在转子铁芯的每一个磁极对应的外表面部分上设置阶梯弧形缺口，在阶梯弧形缺口内安装一组分段的永磁体，且中心永磁体厚度最大、两侧厚度逐渐减小的厚度正弦化排布方式，使得每一磁极对应的气隙磁通密度从极对称轴开始向外依次降低，使得气隙磁密更加接近正弦波，有效减小了高频谐波，降低气隙磁密总谐波含有率和气隙径向电磁力密度，进而减小高速永磁同步电机高速运行时的转矩脉动和振动噪声。

技术特征：

1.一种永磁体正弦化分段的高性能高速表贴式永磁同步电机，其特征在于，该电机包括定子铁芯部分、绕组、转子铁芯、转轴、永磁体和护套；所述定子铁芯部分包括非晶合金部分和硅钢部分，非晶合金部分为由非晶合金材料叠压粘合制作而成的环形定子轭和衔接在环形定子轭内侧面上的n个第一定子齿，硅钢部分为由硅钢叠压粘合制作而成的n个第二定子齿，第一定子齿的末端端面与第二定子齿的顶端端面的尺寸相匹配且两者通过粘合的方式固定在一起，形成n个定子齿；n个定子齿上绕有绕组；

2.根据权利要求1所述的一种永磁体正弦化分段的高性能高速表贴式永磁同步电机，其特征在于，n个定子齿上绕有三相对称绕组。

3.根据权利要求1所述的一种永磁体正弦化分段的高性能高速表贴式永磁同步电机，其特征在于，所述气隙在0.5mm-0.8mm之间。

4.根据权利要求1所述的一种永磁体正弦化分段的高性能高速表贴式永磁同步电机，其特征在于，所述护套采用碳钎维材料制作。

5.根据权利要求1所述的一种永磁体正弦化分段的高性能高速表贴式永磁同步电机，其特征在于，转子铁芯上设置有4对磁极。

6.根据权利要求5所述的一种永磁体正弦化分段的高性能高速表贴式永磁同步电机，其特征在于，在环形的转子铁芯的每一个磁极所对应的外表面上均开有一个相同的阶梯弧形缺口；阶梯弧形缺口的中间缺口两侧各设置有三个台阶；设置在一个阶梯弧形缺口内的一组永磁体包括7块永磁体。

7.根据权利要求5所述的一种永磁体正弦化分段的高性能高速表贴式永磁同步电机，其特征在于，在环形的转子铁芯的每一个磁极所对应的外表面上均开有一个相同的阶梯弧形缺口；阶梯弧形缺口的中间缺口两侧各设置有两个台阶；设置在一个阶梯弧形缺口内的一组永磁体包括5块永磁体。

8.根据权利要求5所述的一种永磁体正弦化分段的高性能高速表贴式永磁同步电机，其特征在于，在环形的转子铁芯的每一个磁极所对应的外表面上均开有一个相同的阶梯弧形缺口；阶梯弧形缺口的中间缺口两侧各设置有四个台阶；设置在一个阶梯弧形缺口内的一组永磁体包括9块永磁体。

9.根据权利要求1、6、7、8任一项所述的一种永磁体正弦化分段的高性能高速表贴式永磁同步电机，其特征在于，每一个阶梯弧形缺口内的一组永磁体中的每个永磁体的厚度不小于2mm。

技术总结
本发明公开一种永磁体正弦化分段的高性能高速表贴式永磁同步电机，该电机的定子铁芯部分包括非晶合金部分和硅钢部分，利用非晶合金低高频损耗的特点和硅钢高饱和磁密的优势，在降低定子铁芯部分高频损耗的同时，保证非晶合金材料中的磁密不超过非晶合金的饱和磁密；在转子铁芯的每一个磁极对应的外表面部分上设置阶梯弧形缺口，在阶梯弧形缺口内安装一组分段的永磁体，且中心永磁体厚度最大、两侧厚度逐渐减小的厚度正弦化排布方式，使得每一磁极对应的气隙磁通密度从极对称轴开始向外依次降低，使得气隙磁密更加接近正弦波，有效减小了高频谐波，降低气隙磁密总谐波含有率和气隙径向电磁力密度，进而减小电机的转矩脉动和振动噪声。

技术研发人员：刘成成,张洪铭,汪友华
受保护的技术使用者：河北工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14