一种内置式永磁同步电机的转子结构

1.本发明涉及电机设计技术，具体涉及一种内置式永磁同步电机的转子结构。


背景技术：

2.永磁同步电机具有结构简单、体积小、效率高、功率因数高等优点。其中，内置式转子结构永磁同步电机克服了表贴式结构中永磁体易退磁的缺点，且由于凸极比可以利用磁阻转矩，使得电机的转矩密度上升，因此在军事国防、航空航天、装备制造、新能源、轨道交通和日常生活的各个领域中被广泛应用。其中，采用v形永磁体的永磁同步电机，相比“一”字型永磁结构电机，由于其更平衡均匀的q轴磁路，更有利于提高磁阻转矩，并通过聚磁提高气隙磁密，可获得更大的永磁转矩。然而，v形转子结构电机的气隙磁密中包含较大成分的5次和7次谐波，电机的齿槽转矩和转矩脉动较大，电机的振动和噪声也相应增大。


技术实现要素：

3.发明目的：本发明的目的是提供一种内置式永磁同步电机的转子结构，该结构可以有效降低电机的齿槽转矩，以此来提升电机的转矩特性。还可以改善气隙磁密波形，减少电机振动噪声。
4.技术方案：本发明的一种内置式永磁同步电机的转子结构，包括转子铁心、永磁体和转轴，转子铁心绕转轴转动，其内部沿圆周方向均匀分布n个h型永磁体安装槽，h型永磁体安装槽均为周向对称结构，且其径向内侧开口小于径向外侧开口；每个h型永磁体安装槽均由周向两侧的两个具有相等大小的条形永磁体槽、和连接于其间的一个圆弧形永磁体槽组成，相邻两个h型永磁体安装槽的两个相邻条形永磁体槽、大小相等且平行布置，相邻两个h型永磁体安装槽的圆弧形永磁体槽、开口方向交替指向径向外侧和内侧；永磁体安装在条形永磁体槽和圆弧形永磁体槽内。
5.优选的，永磁体包括圆弧形永磁体和条形永磁体，在圆弧形永磁体槽内固定嵌入圆弧形永磁体，在条形永磁体槽内固定嵌入条形永磁体。
6.优选的，在每个条形永磁体槽内以其与圆弧形永磁体槽连接点为间隔固定嵌入两块条形永磁体。
7.优选的，在每块永磁体的两端槽内及条形永磁体和圆弧形永磁体相邻处槽内全部布置隔磁磁障。
8.优选的，平行相邻的两个条形永磁体槽、内的平行条形永磁体、为一组切向同向充磁的永磁体，转子铁心圆周上n组平行条形永磁体采用切向交替充磁方式；同一个h型永磁体安装槽内的四块条形永磁体、为切向相对充磁时，则该h型永磁体安装槽内的圆弧形永磁体充磁方向径向朝外；当同一个h型永磁体安装槽内的四块条形永磁体、为切向相背充磁时，则相应地，圆弧形永磁体充磁方向为径向朝内。
9.优选的，通过条形永磁体和圆弧形永磁体构成的串并联复合磁路和永磁体的聚磁效应，提高电机气隙磁密和转矩密度。
10.优选的，h型永磁体安装槽的数量与其定子电枢磁极对数相等，且每个h型永磁体槽的两个条形永磁体槽的夹角为360
°
/n。
11.优选的，磁障采用环氧树脂基复合材料。
12.优选的，永磁体采用稀土汝铁硼材料。
13.基于相同的发明构思，本发明的一种电机，该电机包括上述的转子结构。
14.有益效果：与现有技术相比，本发明的显著技术效果为：
15.本发明提出的转子结构，可有效降低气隙磁密中的5次和7次谐波，改善了电机的气隙磁密波形，减小电机的齿槽转矩和转矩脉动，降低电机振动和噪声；
16.本发明提出的转子结构中，通过条形永磁体和圆弧形永磁体构成的串并联复合磁路和永磁体的聚磁效应，相对于v形永磁转子结构(如图1所示)，可提高电机气隙磁密和转矩密度；
17.相对于v形永磁转子结构，本发明结构中由于永磁体厚度减小，可降低永磁体涡流损耗。
附图说明
18.图1是常规v型永磁同步电机的转子拓扑结构示意图；
19.图2是本发明提出的永磁同步电机转子拓扑结构示意图；
20.图3是h型永磁体槽结构示意图；
21.图4是永磁体充磁方向示意图；
22.图5是本发明电机及v形永磁转子结构电机仿真的齿槽转矩波形；
23.图6是本发明电机同v形永磁转子结构的气隙磁密波形；
24.图中：1转子铁心，2永磁体，3转轴，4磁障，5h型永磁体槽，2-1、2-3、2-2、2-4分别为相邻h型永磁体槽内的条形永磁体；2-5、2-6分别为相邻h型永磁体槽内的圆弧形永磁体；5-1、5-2为同一h型永磁体槽内两条形永磁体槽；5-3、5-5为相邻h型永磁体槽内两个圆弧形永磁体槽；5-4为与5-1平行的相邻条形永磁体槽。
具体实施方式
25.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
26.本发明的一种内置式永磁同步电机的转子结构，包括转子铁心、永磁体和转轴，转子铁心绕转轴转动，其内部沿圆周方向均匀分布n个h型永磁体安装槽(保证转子磁极对数与对应的定子电枢磁极对数相等就可以)，h型永磁体安装槽均为周向对称结构，且其径向内侧开口小于径向外侧开口；每个h型永磁体安装槽均由周向两侧的两个具有相等大小的条形永磁体槽和连接于其间的一个圆弧形永磁体槽组成，相邻两个h型永磁体安装槽的两个相邻条形永磁体槽大小相等且平行布置，相邻两个h型永磁体安装槽的圆弧形永磁体槽开口方向交替指向径向外侧和内侧；永磁体安装在条形永磁体槽和圆弧形永磁体槽内。
27.实施例：如图2和图3所示，本发明的内置式永磁同步电机的转子结构，包括转子铁心1、永磁体2、转轴3和磁障4。转子铁心1内部沿圆周方向均匀分布8个h型永磁体槽5，h型永磁体槽5均为周向对称结构，且其径向内侧开口小于径向外侧开口。每个h型永磁体槽5均由周向两侧的两个具有相等大小的条形永磁体槽5-1、5-2和连接于其间的一个圆弧形永磁体
槽5-3组成，相邻两个h型永磁体槽5的两个相邻条形永磁体槽5-1、5-4大小相等且平行布置，相邻两个h型永磁体槽的圆弧形永磁体槽5-3、5-5开口方向相反，分别为径向向外和径向向内。
28.参见图3和图4，在圆弧形永磁体槽5-3、5-4内固定嵌入圆弧形永磁体2-5、2-6，在条形永磁体槽5-1内以其与圆弧形永磁体槽5-3连接点为间隔固定嵌入两块条形永磁体2-1(每个条形永磁体槽内也可以只设置一块条形永磁体，设置两块使得永磁体利用率高和漏磁少)，在每块永磁体的两端槽内及圆弧形永磁体和条形永磁体相邻处槽内全部布置隔磁磁障4，以减少漏磁。
29.参见图3和图4，平行相邻的两个条形永磁体槽5-1、5-4内的四块平行条形永磁体2-1、2-2为一组切向同向充磁的永磁体，转子铁心圆周上8组平行条形永磁体采用切向交替充磁方式。同一个h型永磁体槽5内的四块条形永磁体2-1、2-3为切向相对充磁时，则该h型永磁体槽5内的圆弧形永磁体2-5充磁方向径向朝外，当其2-2、2-4为切向相背充磁时，则相应地，圆弧形永磁体2-6充磁方向为径向朝内。
30.本实施方案中，隔磁磁障均采用环氧树脂基复合材料，永磁体采用稀土汝铁硼材料，剩磁和矫顽力分别为1.19t和920ka/m。
31.图5和图6中，显示了本发明转子结构电机与常规v形永磁转子结构电机(图1)仿真得到的齿槽转矩和气隙磁密波形，在仿真模型中，两种结构具有相同的定子结构、转子内外径、转子铁心体积(13062.5cm3)、永磁体材料和永磁体体积(272.3cm3)，通过对仿真波形的比较下，本发明的电机齿槽转矩峰值相较于常规内置v型永磁转子结构从16.49n.m下降到5.38n.m，下降了67.37％。本发明的电机气隙磁密峰值相较于常规内置v型永磁转子结构，在一定程度上改善了q轴气隙磁密波形，气隙磁密幅值从0.6903t增加到0.8269t，增加了19.78％，因而可提高电机的转矩密度。此外，基于相同的永磁体用量，本发明相比图1常规v形永磁结构中的永磁体厚度小，从而可以减小永磁体涡流损耗，尤其是在高速工况可在一定程度上提高电机效率。
32.基于相同的发明构思，本发明的一种电机，该电机包括上述的转子结构。
33.综上，本发明的转子结构，平行相邻的两个条形永磁体槽内的平行条形永磁体切向同向充磁，转子铁心圆周上n组平行条形永磁体采用切向交替充磁方式；同一个h型永磁体安装槽内的条形永磁体、为切向相对充磁时，则该h型永磁体安装槽内的圆弧形永磁体充磁方向径向朝外；当同一个h型永磁体安装槽内的条形永磁体、为切向相背充磁时，则相应地，圆弧形永磁体充磁方向为径向朝内。通过条形永磁体和圆弧形永磁体构成的串并联复合磁路和永磁体的聚磁效应，提高电机气隙磁密和转矩密度。
34.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本发明保护范围也包括本领域技术人员在权利要求范围内做出的各种变形或修改。

技术特征：
1.一种内置式永磁同步电机的转子结构，其特征在于，包括转子铁心(1)、永磁体(2)和转轴(3)，转子铁心(1)绕转轴(3)转动，其内部沿圆周方向均匀分布n个h型永磁体安装槽(5)，h型永磁体安装槽(5)均为周向对称结构，且其径向内侧开口小于径向外侧开口；每个h型永磁体安装槽(5)均由周向两侧的两个具有相等大小的条形永磁体槽(5-1)、(5-2)和连接于其间的一个圆弧形永磁体槽(5-3)组成，相邻两个h型永磁体安装槽(5)的两个相邻条形永磁体槽(5-1)、(5-4)大小相等且平行布置，相邻两个h型永磁体安装槽的圆弧形永磁体槽(5-3)、(5-5)开口方向交替指向径向外侧和内侧；永磁体(2)安装在条形永磁体槽和圆弧形永磁体槽内。2.根据权利要求1所述的一种内置式永磁同步电机的转子结构，其特征在于，永磁体(2)包括圆弧形永磁体和条形永磁体，在圆弧形永磁体槽(5-3)、(5-5)内固定嵌入圆弧形永磁体(2-5)、(2-6)，在条形永磁体槽(5-1)内固定嵌入条形永磁体。3.根据权利要求2所述的一种内置式永磁同步电机的转子结构，其特征在于，在每个条形永磁体槽内以其与圆弧形永磁体槽(5-3)连接点为间隔固定嵌入两块条形永磁体(2-1)。4.根据权利要求3所述的一种内置式永磁同步电机的转子结构，其特征在于，在每块永磁体的两端槽内及条形永磁体和圆弧形永磁体相邻处槽内全部布置隔磁磁障(4)。5.根据权利要求1所述的一种内置式永磁同步电机的转子结构，其特征在于，平行相邻的两个条形永磁体槽(5-1)、(5-4)内的平行条形永磁体(2-1)、(2-2)为一组切向同向充磁的永磁体，转子铁心圆周上n组平行条形永磁体采用切向交替充磁方式；同一个h型永磁体安装槽(5)内的四块条形永磁体(2-1)、(2-3)为切向相对充磁时，则该h型永磁体安装槽(5)内的圆弧形永磁体(2-5)充磁方向径向朝外；当同一个h型永磁体安装槽(5)内的四块条形永磁体(2-2)、(2-4)为切向相背充磁时，则相应地，圆弧形永磁体(2-6)充磁方向为径向朝内。6.根据权利要求5所述的一种降低内置式永磁同步电机振动和噪声的方法，其特征在于，通过条形永磁体和圆弧形永磁体构成的串并联复合磁路和永磁体的聚磁效应，提高电机气隙磁密和转矩密度。7.根据权利要求1所述的一种内置式永磁同步电机的转子结构，其特征在于，h型永磁体安装槽的数量与其定子电枢磁极对数相等，且每个h型永磁体槽的两个条形永磁体槽的夹角为360
°
/n。8.根据权利要求1所述的一种内置式永磁同步电机的转子结构，其特征在于，磁障(4)采用环氧树脂基复合材料。9.根据权利要求1所述的一种内置式永磁同步电机的转子结构，其特征在于，永磁体(2)采用稀土汝铁硼材料。10.一种电机，其特征在于，该电机包括权利要求19任一项所述的转子结构。

技术总结
本发明公开了一种内置式永磁同步电机的转子结构，转子铁心内部沿圆周方向均匀分布N个H型永磁体槽，H型永磁体槽径向内侧开口小于径向外侧开口；每个H型永磁体槽均由周向两侧的两个周向对称的条形永磁体槽和连接于其间的一个圆弧形永磁体槽组成，相邻两个H型永磁体槽的两个相邻条形永磁体槽大小相等且平行布置，相邻两个H型永磁体槽的圆弧形永磁体槽开口方向交替指向径向外侧和内侧；永磁体安装在条形永磁体槽和圆弧形永磁体槽内，且在每块永磁体的两侧槽内及条形永磁体和圆弧形永磁体相邻处槽内全部布置隔磁磁障；转子铁心绕转轴转动。本发明可减小电机的齿槽转矩，改善气隙磁密波形，提高电机的转矩密度，满足电机提高转矩特性的应用需求。高转矩特性的应用需求。高转矩特性的应用需求。


技术研发人员：莫丽红 王四维 赵泽卿 秦通 赖巧巧 张科地 王浩 朱希同
受保护的技术使用者：淮阴工学院
技术研发日：2023.05.30
技术公布日：2023/8/13