CN114301203B - 一种高转矩密度磁路串联型转子结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及永磁电机领域，具体的是一种高转矩密度磁路串联型转子结构，包括中心转轴、转子铁心、2P块径向充磁的永磁体和2P块切向充磁的永磁体，中心转轴采用非导磁材料制造，且通过键槽结构与转子铁心连接固定，两种永磁体的放置方式分别为表面嵌入式和内置式，表面嵌入式永磁体偏移角度为α，且两侧有不等宽空气磁障。本发明利用径向和切向永磁体构成串联磁路，通过表面嵌入式永磁体偏移、不等宽磁障和非导磁中心转轴设计，极大地减少了转子部分漏磁，充分利用了永磁转矩和磁阻转矩，使得电机拥有较大的转矩密度。
Description
技术领域
本发明涉及永磁电机领域，具体的是一种高转矩密度磁路串联型转子结构。
背景技术
径向永磁同步电机的转子结构可分为表贴式、表面嵌入式和内置式。内置式转子结构由于交轴和直轴电感不等，总转矩中含有磁阻转矩分量，同时，SPOKE型转子结构还有显著的聚磁效果，能够提供较高的永磁转矩。内置式转子结构有利于提高电机过载能力和功率密度，易于弱磁调速，扩大恒功率运行范围，但这种结构转矩脉动大，漏磁也较大，尤其是在小功率电机中，为减小内置式永磁电机的漏磁，磁桥的宽度要设计的尽可能小，而由于制造工艺的约束，磁桥的宽度不能加工到设计的极小值，所以内置式小功率电机漏磁问题需要合理的结构设计来解决。
传统内置式永磁同步电机，转子结构为对称式，永磁转矩和磁阻转矩分量达到最大值的电流角相差约为45°，无法获得最大输出转矩。采用非对称转子结构的永磁电机，将永磁直轴和磁阻直轴靠近，使得永磁转矩和磁阻转矩能够取得最大值的电流角接近，提升总输出转矩。
发明内容
为解决上述背景技术中提到的不足，本发明的目的在于提供一种高转矩密度磁路串联型转子结构。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种高转矩密度磁路串联型转子结构，包括中心转轴和设置在中心转轴外的转子铁心，所述转子铁心的外侧设置有阵列分布的2P块径向充磁的永磁体一和阵列分布的2P块切向充磁的永磁体二，永磁体一和永磁体二的安装方式分别采用表面嵌入式和内置式；
所述永磁体一的偏移角度为α，且永磁体一的两侧设置有不等宽的空气磁障，两侧空气磁障的对应角度分别为β1和β2，永磁体二的宽度的对应角度为θ，且满足如下关系：α+β1+β2+θ＜180°/P；
所述转子铁心的内外半径分别为ri和ro，永磁体一的厚度为hm1，永磁体二的高度为hm2，永磁体二靠近气隙侧设置宽度为hb的磁桥，且满足如下关系：hm1＝hb，hm2+hb＝ro-ri。
进一步地，相邻的所述永磁体一充磁方向相反，相邻的永磁体二充磁反向也相反，且每极由三块永磁体组成，相邻磁极共用一块永磁体二；
若所述永磁体一的充磁方向指向圆心，则两块永磁体二的充磁方向相背，所述若永磁体一的充磁方向由圆心指向外侧，则两块永磁体二的充磁方向相向。
进一步地，所述转子铁心由转子冲片叠压而成，转子冲片由硅钢片冲压得到，永磁体一和永磁体二统一采用高性能稀土永磁材料制成或者永磁体一采用高性能稀土永磁材料、永磁体二采用低价铁氧体材料。
进一步地，所述中心转轴由非导磁材料制造，中心转轴的外沿设置有T字型凸起，转子铁心的内沿有T字型凹槽，T字型凸起和T字型凹槽相配合实现固定连接。
本发明的有益效果：
1、本发明通过两种永磁体放置位置的设计，极大地减少了转子部分漏磁；
2、本发明通过表面嵌入式永磁体偏移及不等宽空气磁障的设计，使得永磁转矩和磁阻转矩取得最大值的电流角接近，提升总输出转矩；
3、本发明非导磁中心转轴与转子铁心的键槽结构，在减小漏磁的同时还保证了机械稳定性；
4、本本发明的永磁体可以用铁氧体等少稀土永磁材料制造，降低了电机成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；
图1是本发明转子结构的平面示意图；
图2是本发明转子结构的局部平面示意图；
图3是本发明磁路串联型转子结构电机与传统SPOKE型转子结构电机的输出转矩示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
一种高转矩密度磁路串联型转子结构，如图1所示，包括中心转轴1和设置在中心转轴1外的转子铁心2，转子铁心2的外侧设置有阵列分布的2P块径向充磁的永磁体一3-1和阵列分布的2P块切向充磁的永磁体二3-2，永磁体一3-1和永磁体二3-2的安装方式分别采用表面嵌入式和内置式。
如图2所示，永磁体一3-1的偏移角度为α，且永磁体一3-1的两侧设置有不等宽的空气磁障4，两侧空气磁障4的对应角度分别为β1和β2，永磁体二3-2的宽度的对应角度为θ，且满足如下关系：α+β1+β2+θ＜180°/P。
转子铁心2的内外半径分别为ri和ro，永磁体一3-1的厚度为hm1，永磁体二3-2的高度为hm2，永磁体二3-2靠近气隙侧设置宽度为hb的磁桥，且满足如下关系：hm1＝hb，hm2+hb＝ro-ri。
本发明的磁路串联型转子结构中相邻的永磁体一3-1充磁方向相反，相邻的永磁体二3-2充磁反向也相反，且每极由三块永磁体组成，相邻磁极共用一块永磁体二3-2；若永磁体一3-1的充磁方向指向圆心，则两块永磁体二3-2的充磁方向相背，若永磁体一3-1的充磁方向由圆心指向外侧，则两块永磁体二3-2的充磁方向相向。
转子铁心2由转子冲片叠压而成，转子冲片由硅钢片冲压得到，两个永磁体统一采用高性能稀土永磁材料制成或者永磁体一3-1采用高性能稀土永磁材料、永磁体二3-2采用低价铁氧体等材料。
中心转轴1由非导磁材料制造，中心转轴1的外沿设置有T字型凸起，转子铁心2的内沿有T字型凹槽，T字型凸起和T字型凹槽相配合实现固定连接。
本发明利用径向和切向永磁体构成串联磁路，通过表面嵌入式永磁体偏移、不等宽磁障和非导磁中心转轴设计，极大地减少了转子部分漏磁，充分利用了永磁转矩和磁阻转矩，使得电机拥有较大的转矩密度。
实施例：
如图1和2所示，将本发明的转子结构应用在三相同步电机中，转子极对数为五，相应定子采用槽数为十二的双层分数槽集中绕组结构，转子磁极由十块径向充磁的永磁体一3-1和十块切向充磁的永磁体二3-2组成，两种永磁体的放置方式分别为表面嵌入式和内置式，永磁体所用材料均为钕铁硼，且永磁体一3-1的偏移角度为1.5°，两侧空气磁障4的宽度对应角度β1＝0.8°、β2＝2.8°，永磁体二3-2的宽度对应角度θ＝2.78°，转子铁心2的内径ri＝5mm、外径ro＝10.1mm，永磁体一3-1的厚度hm1＝0.5mm，永磁体二3-2的高度hm2＝4.6mm，且永磁体二3-2靠近气隙侧的磁桥宽度hb＝0.5mm。
选取传统SPOKE型转子结构电机作为对比，二者永磁材料用量相同，定子侧施加有效值为1.1A的额定电流，在额定转速下，输出转矩如图3所示，磁路串联型转子结构和传统SPOKE型转子结构的输出转矩平均值分别为308mNM和250mNM，本发明使得平均转矩增加了23.2％。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (4)
1.一种高转矩密度磁路串联型转子结构，包括中心转轴(1)和设置在中心转轴(1)外的转子铁心(2)，其特征在于，所述转子铁心(2)的外侧设置有阵列分布的2P块径向充磁的永磁体一(3-1)和阵列分布的2P块切向充磁的永磁体二(3-2)，永磁体一(3-1)和永磁体二(3-2)的安装方式分别采用表面嵌入式和内置式；
所述永磁体一(3-1)的偏移角度为α，且永磁体一(3-1)的两侧设置有不等宽的空气磁障(4)，两侧空气磁障(4)的对应角度分别为β1和β2，永磁体二(3-2)的宽度的对应角度为θ，且满足如下关系：α+β1+β2+θ＜180°/P；
所述转子铁心(2)的内外半径分别为ri和ro，永磁体一(3-1)的厚度为hm1，永磁体二(3-2)的高度为hm2，永磁体二(3-2)靠近气隙侧设置宽度为hb的磁桥，且满足如下关系：hm1＝hb，hm2+hb＝ro-ri。
2.根据权利要求1所述的一种高转矩密度磁路串联型转子结构，其特征在于，相邻的所述永磁体一(3-1)充磁方向相反，相邻的永磁体二(3-2)充磁反向也相反，且每极由三块永磁体组成，相邻磁极共用一块永磁体二(3-2)；
若所述永磁体一(3-1)的充磁方向指向圆心，则两块永磁体二(3-2)的充磁方向相背，若永磁体一(3-1)的充磁方向由圆心指向外侧，则两块永磁体二(3-2)的充磁方向相向。
3.根据权利要求1所述的一种高转矩密度磁路串联型转子结构，其特征在于，所述转子铁心(2)由转子冲片叠压而成，转子冲片由硅钢片冲压得到，永磁体一(3-1)和永磁体二(3-2)统一采用高性能稀土永磁材料制成或者永磁体一(3-1)采用高性能稀土永磁材料、永磁体二(3-2)采用低价铁氧体材料。
4.根据权利要求1所述的一种高转矩密度磁路串联型转子结构，其特征在于，所述中心转轴(1)由非导磁材料制造，中心转轴(1)的外沿设置有T字型凸起，转子铁心(2)的内沿有T字型凹槽，T字型凸起和T字型凹槽相配合实现固定连接。
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