一种高转矩永磁电机的制作方法

文档序号:11692792阅读:271来源:国知局
一种高转矩永磁电机的制造方法与工艺

本发明涉及电机技术领域,尤其涉及一种高转矩永磁电机,具体地,是一种采用多层叠加磁钢转子结构的永磁电机。



背景技术:

永磁电机由于其体积小,重量轻,效率高,功率密度大,转矩高,控制方便等优点,可以应用在电动汽车驱动电机上。

目前,永磁电机大多使用的是单层叠磁钢转子,且磁钢卡槽为v形结构。v形磁路结构会导致转子的每极磁通量较小,由此导致电机的气隙磁密和功率密度均较低,另一方面导致转子冲片的结构强度较低,由此导致电机的结构强度较低。为了提高单层v形叠磁钢的永磁电机的转矩,常规的方法是增大电机尺寸,进而增大v形磁钢卡槽的空间。从而可在增大v形磁钢卡槽里安装更多的磁钢以达到增大转矩的目的。但是,这种方法不仅大大增加了电机的体积和重量,更有甚者,当单层v形叠磁钢的永磁电机运行时,磁钢卡槽的侧面会产生内凹,从而影响磁钢的磁路流通,降低电机的效率。并且随着磁钢卡槽内凹程度的加深,转子损害加重,将加速电机的报废速度。可见,单层v形叠磁钢永磁电机转矩低,而现有解决方案不仅会导致体积及重量增大,还降低了电机效率及可靠性。

基于此,有必要发明一种全新的永磁电机,以解决现有永磁电机运行可靠性较低、容量扩大受到限制、气隙磁密较低、功率密度较低、结构强度较低的问题。



技术实现要素:

本发明的目的是提供一种高转矩永磁电机,通过对电机内部部件转子的改进以及多层叠磁钢的设置,旨在显著提高电机的转矩。

为了实现上述目的,本发明的技术方案是:

一种高转矩永磁电机,该电机包括定子和转子,其特征在于:沿着所述转子的圆周分布有n个双层磁钢卡槽,所述的双层磁钢卡槽由内层磁钢卡槽和与内层磁钢卡槽相对应的外层磁钢卡槽配合而成;

内、外层磁钢卡槽均设有开口端和闭合端,内层磁钢卡槽半包于外层磁钢卡槽内,内、外层磁钢卡槽之间设有磁路通道,内、外层磁钢卡槽的开口端均朝向定子;

内、外层磁钢卡槽内分别设有一磁钢组,相邻的磁钢之间设有放置间隙;所述的n为正偶数;

外层磁钢卡槽由外层中心卡槽和外层侧边卡槽构成,其中,外层侧边卡槽设置于外侧中心卡槽的端部,外层侧边卡槽与外层中心卡槽之间设有夹角;

内层磁钢卡槽由内层中心卡槽和内层侧边卡槽构成,其中,内层侧边卡槽设置于内侧中心卡槽的端部,内层侧边卡槽与内层中心卡槽之间设有夹角。

进一步,外层磁钢卡槽内设有外磁钢组,内层磁钢卡槽内设有内磁钢组,外磁钢组的磁钢数量与内磁钢组的磁钢数量相同。

优选的,所述的外层中心卡槽的两端分别设有对称设置的外层侧边卡槽,外层侧边卡槽与外侧中心卡槽之间通过弧形连接部连接,外层侧边卡槽与外层中心卡槽之间的夹角范围为95-145度;所述的内侧中心卡槽的两端分别设有内层侧边卡槽,内层侧边卡槽与内侧中心卡槽之间通过弧形连接部连接,内层侧边卡槽与内侧中心卡槽之间的夹角范围为95-145度。

更进一步,外层中心卡槽为直线卡槽,该外层直线卡槽的中心处设有贯穿该直线卡槽的外层磁路通道;对应的,内层中心卡槽为内层直线卡槽,该内层直线卡槽的中心处设有贯穿该直线卡槽的内层磁路通道,其中,外层中心卡槽与内层中心卡槽之间互相平行,外层磁路通道大于等于内层磁路通道。

更进一步,外层中心卡槽的中心处设有一组对称设置的第一挡磁槽,所述的这组第一挡磁槽之间设有外层磁路通道,第一挡磁槽的一端与外层中心卡槽连通,第一挡磁槽上、下两侧端之间的距离大于外层中心卡槽的两侧壁距离,第一挡磁槽的上、下侧端呈圆弧状凸起,该圆弧状凸起与外层中心卡槽的侧壁之间通过第一台阶相连;外层侧边卡槽的一端通过第二台阶与一弧形连接部相连,该弧形连接部的另一端通过一凸台与外侧中心卡槽相连;外层侧边卡槽的另一端设有第二挡磁槽,所述第二挡磁槽的两侧壁之间的距离大于外层侧边卡槽两侧壁之间距离,第二挡磁槽的两侧端呈圆弧状凸起,该圆弧状凸起与外层侧边卡槽的侧壁之间通过第三台阶相连。

更进一步,内层中心卡槽的中心处设有一组对称设置的第三挡磁槽,所述的这组第三挡磁槽之间设有内层磁路通道,第三挡磁槽的一端与内层中心卡槽连通,第三挡磁槽上、下两侧端之间的距离大于内层中心卡槽的两侧壁距离,第三挡磁槽的上、下侧端呈圆弧状凸起,该圆弧状凸起与内层中心卡槽的侧壁之间通过第四台阶相连。

更为优选的方案中,双层磁钢卡槽结构中,外磁钢组共有四块,分别是两块外层矩形磁钢和两块第二楔形磁钢,其中,外层矩形磁钢并列设置在外层中心卡槽内,两块第二楔形磁钢分别对称设置在外层侧边卡槽内;内磁钢组共有四块,分别是两块内层矩形磁钢和两块第一楔形磁钢,其中,内层矩形磁钢并列设置在内层中心卡槽内,两块第一楔形磁钢分别对称设置在内层侧边卡槽内。

更进一步,其中第一楔形磁钢与第二楔形磁钢设置的方向是相反的,即第一楔形磁钢正向设置,第二楔形磁钢反向设置,使得磁通的分布更合理高效,当电机运行时,转子双层磁钢卡槽的两侧可能会内凹,而放置在两侧的磁钢由于其楔形形状对卡槽有反作用力,可以降低卡槽内凹的程度,这样大大减小了电机转子破坏的可能性,提高了电机的寿命。

相对于现有技术,本发明的技术方案除了整体技术方案的改进,还包括很多细节方面的改进,具体而言,具有以下有益效果:

1、本发明所述的改进方案,在转子处增设了多层叠磁钢的结构,充分利用了磁钢卡槽,在磁钢卡槽内安装了更多的磁钢,在不改变电机体积的情况下提高了电机的转矩;

2、本发明的技术方案的多层磁钢分为设置在磁钢中心卡槽内的矩形磁钢和设在侧边卡槽内的楔形形状的磁钢,当电机运行时,转子双层磁钢卡槽的两侧可能会内凹,而放置在两侧的磁钢由于其楔形形状对卡槽有反作用力,可以降低卡槽内凹的程度,这样大大减小了电机转子破坏的可能性,提高了电机的寿命;

3、相邻磁钢之间设有间隙,这里的间隙形式为挡磁槽结构或者弧形连接部,所述的间隙具有分割磁场极性以及减少漏磁的作用,间隙的设置改善了内嵌磁钢引起的漏磁加大、磁通减少的缺陷,不仅磁钢的每极磁通量不减少,还具有加大每极磁通量的作用,而且使得磁通的分布形状更合理,减小了空载电流,提高了磁钢利用率;

4、双层乃至多层的磁钢互相作用和配合,有效增大了转子的每极磁通量,由此有效提高了电机的气隙磁密和功率密度;

5、由于这样特殊结构的转子和定子组成的永磁电机,结构十分简单,便于控制,功率密度进一步增大。用在电动汽车驱动电机上,可以进一步提高电机的转矩,减轻电机的重量和体积,增加电机工作的稳定性。

附图说明

图1是本发明所述的永磁电机中定子与转子相配合的截面示意图。

图2是本发明所述的转子铁芯图。

图3是本发明所述的转子铁芯冲片图。

图4是图3的a部放大示意图。

图5是本发明所述的转子放置磁钢后的局部放大示意图。

图6是本发明所述的第一楔形磁钢的立体结构示意图。

图7是本发明的第二楔形磁钢的立体结构示意图。

图8为本发明的双层磁钢产生的磁密宽度与磁密幅值的关系示意图。

附图标记:

1转子、2定子、3第一楔形磁钢、4第二楔形磁钢、5内层矩形磁钢、6外层矩形磁钢;

7外层磁钢卡槽、8内层磁钢卡槽、9开口端、10闭合端、11间隙、12内层磁路通道、13外层磁路通道;

71外层中心卡槽、711第一挡磁槽、712第一台阶、72外层侧边卡槽、721第二台阶、722第二挡磁槽、723第三台阶、73弧形连接部、74凸台;

81内层中心卡槽、82内层侧边卡槽、811第三挡磁槽、812第四台阶。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供了一种高转矩永磁电机,参考图1中,一种高转矩永磁电机,该电机包括定子和转子,其特征在于:沿着所述转子的圆周分布有n个双层磁钢卡槽,所述的双层磁钢卡槽由内层磁钢卡槽和与内层磁钢卡槽相对应的外层磁钢卡槽配合而成;

内、外层磁钢卡槽均设有开口端和闭合端,内层磁钢卡槽半包于外层磁钢卡槽内,内、外层磁钢卡槽之间设有磁路通道,内、外层磁钢卡槽的开口端均朝向定子,需要进一步说明的是,这里半包是指内层磁钢卡槽设置于外层磁钢卡槽的开口端处,并且设置在内层磁钢卡槽的磁钢与设置在外层磁钢卡槽内的磁钢形成有效配合;

内、外层磁钢卡槽内分别设有一磁钢组,相邻的磁钢之间设有放置间隙,这里的间隙具有分割磁场极性以及减少漏磁的积极意义,间隙的设置改善了内嵌磁钢引起的漏磁加大、磁通减少的缺陷发生。所述的n为正偶数;

优选的,外层磁钢卡槽由外层中心卡槽和外层侧边卡槽构成,其中,外层侧边卡槽设置于外侧中心卡槽的端部,外层侧边卡槽与外层中心卡槽之间设有夹角;内层磁钢卡槽由内层中心卡槽和内层侧边卡槽构成,其中,内层侧边卡槽设置于内侧中心卡槽的端部,内层侧边卡槽与内层中心卡槽之间设有夹角。

优选的,外层磁钢卡槽内设有外磁钢组,内层磁钢卡槽内设有内磁钢组,外磁钢组的磁钢数量与内磁钢组的磁钢数量相同。

在一个实施例中,外层磁钢卡槽由外层中心卡槽和外层侧边卡槽构成,其中,外层侧边卡槽设置于外侧中心卡槽的端部,外层侧边卡槽与外层中心卡槽之间设有夹角;内层磁钢卡槽由内层中心卡槽和内层侧边卡槽构成,其中,内层侧边卡槽设置于内侧中心卡槽的端部,内层侧边卡槽与内层中心卡槽之间设有夹角。这里所述的侧边卡槽与中心卡槽相连是指两个卡槽相互连通,连通的方式可以是折角的拼接,也可以是带有弧度的转角拼接方式,在一个比较佳的实施方式中,连通的部分包含一个弧形连接部,但需要特别注意的是,该弧形连接部包含内侧边和与内侧边对应的外侧边,内侧边设有一个折角,外侧边则设有一个带有弧度的转角。

具体来说,也是建模运行后较优的方式,即在外侧中心卡槽的两端分别设有对称设置的外层侧边卡槽,两个对称的外层侧边卡槽形成向外张开的倒“八”字形,外层侧边卡槽与外侧中心卡槽之间弧线连接,外层侧边卡槽与外侧中心卡槽之间的夹角范围为95-145度;所述的内侧中心卡槽的两端分别设有对称设置的内层侧边卡槽,两个对称的内层侧边卡槽形成向外张开的倒“八”字形,内层侧边卡槽与内侧中心卡槽之间弧线连接,内层侧边卡槽与内侧中心卡槽之间的夹角范围为95-145度。具体来说,更优的夹角范围是110-125度。

内层侧边卡槽与内层中心卡槽之间的夹角等于或者略小于外侧中心卡槽与外层侧边卡槽之间的夹角为优。比如,在一个实施例中,外层侧边卡槽与外侧中心卡槽之间的夹角为110.5--115度,则内层的内层侧边卡槽与内侧中心卡槽之间的夹角为110--114.5度,这样的角度设置,有效增大了转子的每极磁通量,由此有效提高了电机的气隙磁密和功率密度。

在一个具体的实施例中,外层中心卡槽为直线卡槽,该直线卡槽的中心处设有贯穿该直线卡槽的外层磁路通道;对应的,内层中心卡槽为直线卡槽,该直线卡槽的中心处设有贯穿该直线卡槽的内层磁路通道,其中,外层中心卡槽与内层中心卡槽之间互相平行,外层磁路通道大于等于内层磁路通道。这里的内、外层磁路通道设置的位置是互相对应并且产生有效作用的,内、外层磁路通道为直线型通道、倒八字形通道或者“)(”结构通道或者弧形通道等结构形式。具体来说,其中内层磁路通道与外层磁路通道的宽度之比为1:2--3,其中能达到最佳的效果的宽度之比为1:2.5--2.8。

进一步说明,外层中心卡槽的中心处设有一组对称设置的第一挡磁槽,所述的这组第一挡磁槽之间设有外层磁路通道,第一挡磁槽的一端与外层中心卡槽连通,第一挡磁槽上、下两侧端之间的距离大于外层中心卡槽的两侧壁距离,即第一挡磁槽的上、下侧端向外凸起并呈圆弧状,该圆弧状凸起与外层中心卡槽的侧壁之间通过第一台阶相连;外层侧边卡槽的一端通过第二台阶与一弧形连接部相连,该弧形连接部的另一端通过一凸台与外侧中心卡槽相连;外层侧边卡槽的另一端设有第二挡磁槽,所述第二挡磁槽的两侧壁之间的距离大于外层侧边卡槽两侧壁之间距离,第二挡磁槽的两侧端呈圆弧状凸起,该圆弧状凸起与外层侧边卡槽的侧壁之间通过第三台阶相连。这里的外层中心卡槽和外层侧边卡槽的特殊结构设置,能使得安置在其中的磁钢之间、以及磁钢的两端形成特定的磁阻,起到隔磁的作用,还可以防漏磁,进一步优化磁路通道,更好体现双层磁钢卡槽的优势。

进一步说明,这里的第一挡磁槽上、下两侧端之间的距离大于第二挡磁槽的左右两侧壁之间的距离,这样设置是有积极的效果和意义的,改善了内嵌磁钢引起的漏磁加大、磁通减少的缺陷,不仅磁钢的每极磁通量不减少,还具有加大每极磁通量的作用,而且使得磁通的分布形状更合理,减小了空载电流,提高了磁钢利用率。

具体来说,内层中心卡槽的中心处设有一组对称设置的第三挡磁槽,所述的这组第三挡磁槽之间设有内层磁路通道,第三挡磁槽的一端与内层中心卡槽连通,第三挡磁槽上、下两侧端之间的距离大于内层中心卡槽的两侧壁距离,第三挡磁槽的上、下侧端呈圆弧状凸起,该圆弧状凸起与内层中心卡槽的侧壁之间通过第四台阶相连。

进一步说明,双层磁钢卡槽结构中,外磁钢组共有四块,分别是两块外层矩形磁钢和两块第二楔形磁钢,其中,外层矩形磁钢并列设置在外层中心卡槽内,两块第二楔形磁钢分别对称设置在外层侧边卡槽内;内磁钢组共有四块,分别是两块内层矩形磁钢和两块第一楔形磁钢,其中,内层矩形磁钢并列设置在内层中心卡槽内,两块第一楔形磁钢分别对称设置在内层侧边卡槽内。

这里对于磁钢宽度的选择是有特定要求的,比如在这个实施例中,两块外层矩形磁钢的宽度选择为18mm,内层磁路通道与外层磁路通道的宽度之比为1:2.7,当这两块磁钢宽度分别达到这个数值时,能达到更好的削弱谐波作用,使得气息磁密波形逼近正弦波。因为影响电机性能的主要转子谐波有5/7/11/13次谐波,其中单层磁钢仅可以对其中的5/7或者11/13次谐波进行针对性的削弱,而不能同时考虑削弱所有谐波。双层磁钢可以同时削弱影响电机主要性能的5/7/11/13次谐波,同时可以保证电机具有较大的输出扭矩以及磁阻转矩分量。

具体参见图8中,双层磁钢产生的磁密宽度分别l1l2,磁密阶梯高度分别为h1h2,极距为τ,横坐标为空间位置l,纵坐标为磁密幅值b。

为了达到更好的削弱谐波,磁密宽度l1l2应尽可能满足下列关系式。

削弱5次谐波需满足关系式:

削弱7次谐波满足关系式:

削弱11次谐波满足关系式:

削弱13次谐波满足关系式:

考虑磁钢漏磁、贴心饱和、加强筋的影响,各段磁钢的实际宽度需要略有补偿,磁钢宽度修正:

修正后磁钢宽度计算:

式中hrib1、hrib2为内层磁路通道与外层磁路通道的宽度,hbridge1、hbridge2分别为内层侧边卡槽、外层侧边卡槽与铁芯最外缘的距离(具体参见图4、图5),r为转子半径;δx1、δx2为磁钢宽度与弧长的差值,随电机结构变化而变化;δl1、δl2、h1、h2的具体数值需要通过磁场精确计算得到,使得气息磁密波形逼近正弦波。

在另一个实施例中,外层中心卡槽为弧形卡槽,该弧形卡槽与两侧的外层侧边卡槽一起形成一个u型的结构,该弧形卡槽的中心处设有贯穿该弧形卡槽的外层磁路通道;对应的,内层中心卡槽为弧形卡槽,该弧形卡槽的中心处设有贯穿该弧形卡槽的内层磁路通道,其中,外层中心卡槽与内层中心卡槽之间互相平行,外层磁路通道大于等于内层磁路通道。这里的内、外层磁路通道设置的位置是互相对应并且产生有效作用的,这里的相互对应是指上下对应,这种对应关系可以是直接对应联通,也可以是错开一定的横向距离后对应联通,内、外层磁路通道为直线型通道、倒八字形通道或者“)(”结构通道或者弧形通道等结构形式。

再举例说明一个具体的实施例,双层磁钢卡槽结构中,外磁钢组共有4块,分别是2块外层矩形磁钢和2块第二楔形磁钢,其中,外层矩形磁钢并列设置在外层中心卡槽内,第二楔形磁钢分别对称设置在外层侧边卡槽内;对应的,内磁钢组共有4块,分别是2块内层矩形磁钢和2第一楔形磁钢,其中,内层矩形磁钢并列设置在内层中心卡槽内,第一楔形磁钢分别对称设置在内层侧边卡槽内。

更进一步,其中第一楔形磁钢与第二楔形磁钢设置的方向是相反的,即第一楔形磁钢正向设置,第二楔形磁钢反向设置,使得磁通的分布更合理高效,当电机运行时,转子双层磁钢卡槽的两侧可能会内凹,而放置在两侧的磁钢由于其楔形形状对卡槽有反作用力,可以降低卡槽内凹的程度,这样大大减小了电机转子被破坏的可能性,提高了电机的寿命。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述,但其只是作为范例,本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言,任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此,在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改,都应涵盖在本发明的范围内。

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