一种贴片式双层磁通槽永磁同步电机的制作方法

本发明主要涉及永磁同步电机结构的优化设计。

背景技术：

永磁电机具有体积小、重量轻、转动惯量小，动态响应速度快，动态平衡性能好等优点，已经得到广泛的研究和应用。目前常规的永磁电机由于定子和转子的齿和槽结构对磁路的影响，气隙磁密度分布会呈现较强的周期波浪特性，气隙磁密波含有大量高次谐波，对电机性能产生不利影响。同时，由于永磁电机通常采用id＝0控制，磁阻转矩没有得到充分利用，造成能量损耗。因此需要对永磁电机结构进行优化设计，提高电机的有效转矩密度，达到节能效果。

技术实现要素：

发明目的：为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种贴片式双层磁通槽永磁同步电机，相对传统永磁电机的转矩密度得到明显增加，且能充分有效利用永磁转矩分量和磁阻转矩分量，提高了电机性能。

技术方案：为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：一种贴片式双层磁通槽永磁同步电机，包括壳体，设在壳体内壁的定子和设在定子中心轴处的电机转子，所述电机转子包括中心转轴、转子铁芯、和永磁体，所述转子铁芯的外表面均匀的设有多个扇形凹槽，所述永磁体为扇形且永磁体的宽度小于扇形凹槽的宽度，所述永磁体分别设在扇形凹槽内并与转子铁芯的外径平齐，且所述永磁体分别处于各自扇形凹槽同一侧；所述转子铁芯还内设有与扇形凹槽对应数量和对应位置的均为U形结构的内层通槽和外层通槽，且所述内层通槽和外层通槽均包括直底边，以及与直底边两端分别连接的两个对称的直侧翼，且内层通槽和外层通槽的两个直底边相互平行，所述内层通槽和外层通槽设置有用于导通磁通的磁桥。

对上述技术方案进行改进，还包括前端盖和后端盖，所述前端盖和后端盖设在外壳的两端，且所述中心转轴的两端通过轴承设在前端盖和后端盖上。

进一步的，还包括两个永磁体固定筒，所述永磁体固定筒包括固定环和筒体，所述固定环设在筒体的一端，且两者为一体设计，所述筒体的内壁直径与电极转子的外包络直径一致，所述固定环的环宽大于筒体的壁厚，且固定环上设有用于与转子铁芯固接的安装孔，所述两个永磁体固定筒套接固定在再电机转子的两端。

对上述技术方案进行改进，在转子铁芯的截面并以转子铁芯的中心点为原点建立x-y二维坐标系，使y轴与内层通槽和外层通槽垂直并穿过内层通槽和外层通槽的中心点，

所述内层通槽的直侧翼中心线端部与坐标系原点的连线与y轴的夹角为a_in，且外层通槽的直侧翼中心线端部与坐标系原点的连线与y轴的夹角为a_out，且内层通槽的直侧翼中心线与y轴的夹角为a′_in，外层通槽的直侧翼中心线与y轴的夹角为a'_out，扇形凹槽两端线与y轴的夹角为a_air，且扇形凹槽底部弧线所占圆心角为θ_air，且扇形永磁体所占圆心角为θ_pm，且扇形永磁体远离扇形凹槽一侧的端线与y轴的夹角为a_pm，且

所述内层通槽的直底边和直侧翼的宽度分别为h1和q1,外层通槽的直底边和直侧翼的宽度分别为h2和q2，且他们满足h₂＜h₁，0.5h₁＜q₁＜h₁，0.5h₂＜q₂＜h₂；

所述外层通槽上磁桥的宽度为w₂，所述内层通槽上磁桥的宽度为w₁，w₂和w₁的取值范围通过公式(1)和(2)获取：

w₁＝K₁w₂ (2)

式中，B_r为永磁体剩磁，B_air为转子铁芯材料饱和磁通密度值，K₂为外层磁桥宽度系数；K_pm为永磁体工作点系数，K₁为内层通槽上磁桥的宽度系数，l_PM为扇形凹槽的径向厚度，l_rib为内层通槽直侧翼上的磁桥与直侧翼中心线端部的距离，b为内层通槽的直侧翼与扇形凹槽最近端的距离，且内层通槽直侧翼与转子铁芯的外壁的距离也为b。

作为优选，所述内层通槽上磁桥的宽度系数的取值范围为1＜K₁≤1.5，，，l_rib＞l_pm。

作为优选，所述外层磁桥宽度系数的取值范围为0.7≤K₂≤1。

作为优选，所述永磁体工作点系数的取值范围为0.8≤K_pm≤1。

作为优选，所述内层通槽直侧翼上的磁桥与直侧翼中心线端部的距离l_rib大于扇形凹槽的径向厚度l_PM。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：采用双层U型通槽结构和表面扇形凹槽，增大了电机磁阻转矩，与此同时对永磁体和双层U型通槽和凹槽之间的相对位置和尺寸大小进行优化，使永磁转矩和磁阻转矩最大叠加获得最高的有效转矩密度；

附图说明

图1为本发明所述永磁同步电机的横截面结构示意图；

图2为本发明所述永磁同步电机的结构示意图；

图3为本发明所述永磁体固定筒的结构示意图；

图4为本发明所述永磁同步电机的转子双层通槽的结构设计图；

图5为本发明所述永磁同步电机的转子的端面结构示意图；

图6为普通永磁电机的间隙距离与磁场强度的曲线图；

图7为本发明所述永磁同步电机的间隙距离与磁场强度的曲线图；

图8为本发明所述永磁同步电机与普通永磁电机在不同功率角下电磁转矩特性曲线图；

图9为本发明具体实施方式中所述普通永磁同步电机的结构示意图。

其中，定子1、电机转子2、中心转轴3、转子铁芯4、永磁体5、扇形凹槽6、内层通槽7、外层通槽8、磁桥9、前端盖10、后端盖11、永磁体固定筒12、固定环13、筒体14、安装孔15。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1～8所示，本发明的贴片式双层磁通槽永磁同步电机，主要包括壳体、前端盖、后端盖、设在壳体内壁的定子和设在定子中心轴处的电机转子，其中：定子固定在壳体的内壁上，所述电机转子的中心转轴的两端架设在前端盖和后端盖上，并通过轴承进行承托。

本发明的电机转子包括中心转轴、转子铁芯、和永磁体，所述转子铁芯的外表面均匀的设有多个扇形凹槽，所述永磁体为扇形且永磁体的宽度小于扇形凹槽的宽度，所述永磁体分别设在扇形凹槽内并与转子铁芯的外径平齐，且所述永磁体分别处于各自扇形凹槽同一侧；所述转子铁芯还内设有与扇形凹槽对应数量和对应位置的均为U形结构的内层通槽和外层通槽，且所述内层通槽和外层通槽均包括直底边，以及与直底边两端分别连接的两个对称的直侧翼，且内层通槽和外层通槽的两个直底边相互平行，所述内层通槽和外层通槽设置有用于导通磁通的磁桥。由于转子在高速运转过程中会发热，设在扇形凹槽表面的扇形永磁体与铁芯之间通常采用粘胶剂粘结，在受热膨胀时可能出现永磁体偏移甚至松动脱落，因此本发明进一步在电机转子的两端分别套接永磁体固定筒，该永磁固定筒包括固定环和筒体，所述固定环设在筒体的一端，且两者为一体设计，所述筒体的内壁直径与电极转子的外包络直径一致，所述固定环的环宽大于筒体的壁厚，且固定环上设有用于与转子铁芯固接的安装孔，通过螺栓将永磁体固定筒安装套接在电机转子的两端，随电机转子转动。

如图4和5所示，本发明转子铁芯冲片在轴向叠合形成转子铁芯，对铁芯冲片上扇形凹槽、U型内层通槽和外层通槽的尺寸和相对方位进行优化：在转子铁芯的截面并以转子铁芯的中心点为原点建立x-y二维坐标系，使y轴与内层通槽和外层通槽垂直并穿过内层通槽和外层通槽的中心点，以磁极对数为2对为例，扇形凹槽、永磁体、双层通槽的相对位置和尺寸关系如下：

所述内层通槽的直侧翼中心线端部与坐标系原点的连线与y轴的夹角为a_in，且外层通槽的直侧翼中心线端部与坐标系原点的连线与y轴的夹角为a_out，且a_out＝22.5°，n为磁极对数；内层通槽的直侧翼中心线与y轴的夹角为a′_in，外层通槽的直侧翼中心线与y轴的夹角为a′_out，扇形凹槽两端线与y轴的夹角为a_air，且a′_in＝a'_out＝a＝a_air＝45°；扇形凹槽底部弧线所占圆心角为θ_air，且θ_air＝67.5°；扇形永磁体所占圆心角为θ_pm，且θ_pm＝22.5°；扇形永磁体远离扇形凹槽一侧的端线与y轴的夹角为a_pm，且a_pm＝11.25°；

内层通槽的直底边和直侧翼的宽度分别为h₁＝4.25mm,q₁＝2.9mm；外层通槽的直底边和直侧翼的宽度分别为h₂＝2.83mm,q₂＝2mm；内层通槽的直侧翼与扇形凹槽最近端的距离以及内层通槽直侧翼与转子铁芯的外壁的距离相同均为b＝0.5mm。

所述外层通槽上磁桥的宽度为w₂，所述内层通槽上磁桥的宽度为w₁，w₂和w₁的取值范围通过公式(1)和(2)获取：

w₁＝K₁w₂ (2)

式中，B_r为永磁体剩磁，取值为1.25T，B_air为转子铁芯材料饱和磁通密度值，取值为2T，K₂为外层磁桥宽度系数；K_pm为永磁体工作点系数，K₁为内层通槽上磁桥的宽度系数，l_PM为扇形凹槽的径向厚度，取值为3.5mm，l_rib为内层通槽直侧翼上的磁桥与直侧翼中心线端部的距离，取值为5mm，b为内层通槽的直侧翼与扇形凹槽最近端的距离，且内层通槽直侧翼与转子铁芯的外壁的距离也为b。其中：所述内层通槽上磁桥的宽度系数的取值范围为K₁＝1.2；所述外层磁桥宽度系数的取值范围为K₂＝0.72；所述永磁体工作点系数的取值范围为K_pm＝0.85，计算得到外层通槽上磁桥的宽度为w₂＝1.5mm，内层通槽上磁桥的宽度为w₁＝1.8mm。得到电机转子的永磁转矩和磁阻转矩具有最大程度叠合，提高了电机转矩密度。

如图6～8所示，通过ANSYS软件对本发明的永磁同步电机进行电机模型建立，然后经过有限元分析得到电机间隙距离与磁场强度的曲线图，从中可知本发明转子气隙磁密波形的正弦度明显提升意味着磁极中心的磁密度有了显著提高如图6和7。从图8可知，本发明永磁体利用率相对传统永磁电机更高，即有效提高了电磁转矩密度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不限定本发明的保护范围，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。