具有复合磁场的转子、制造方法及其永磁同步电动机与流程

本发明涉及电动机技术领域，特别是涉及一种具有复合磁场的转子结构、转子的制造方法及其具有该转子的永磁同步电动机。

背景技术：

电机是使用电能的大户，据统计测算，我国电机保有量约17亿千瓦，总耗电量约3万亿千瓦时，占全社会总用电量的64％，其中工业领域的电机总用电量为2.6万亿千瓦时，工业用电动机消耗电能占其工业用电消耗的75％，在工业部门中各电机驱动系统消耗电能的比例为：泵类23％，风机16％，空压机18％，制冷压缩机7％，输送带2％，其他电机为34％，即风机、泵类、压缩机类共占总消耗的63％。

国家在推进节能减排、组织实施“十大节能工程”时，把“电机系统节能工程”列入其中。首先推进标准平台建设，使我国中小型异步电动机和永磁同步电动机的能效限定值和能效等级向国际行业标准体系靠拢。并相应地建立了我国强制性电动机能效限定值和能效等级标准。主要有：gb18613-2012《中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级》、gb30253-2013《永磁同步电动机能效限定值及能效等级》。在两个电动机标准中，均将能效等级分为3级、2级及1级三个等级，其中1级最高(相当于iec60034-30标准中ie4等级)，2级其次，确认为高效电机(相当于iec60034-30标准中ie3等级)，3级最低(相当于iec30034-30标准中的ie2等级)并强制规定到2017年9月，1级能效电动机应予以淘汰并不准使用。在4年多高效电动机研发和电机能效提升的实践中，异步电动机能效要达到1级(ie4)几乎是不可能的。而永磁电动机却是普遍能达到1级(ie4)等级，甚至更高。而最近ie又批准了ie5等级能效值，意味着，我国中小型电机的能效限定值和能效等级又将提升一级。为此，人们将永磁电动机作为我国二十一世纪中小型电机研发的领头羊产品。

从我国电机系统的角度看，系统运行效率很低。以水泵为例，在工业、农业和居民生活领域，水泵等负载机械应用数量很大。据统计，水泵配套电机占电机总量的23％，年耗电量占发电量的20％。在普通装备中，水泵所占比例是高的。然而，目前水泵类产品电能利用率非常低，实际运行效率不到50％，系统运行效率不到30％，每年我国在水泵类负载为此要浪费电力100亿千瓦·时。在一些负载中需要调节水泵的流量，过去常采用阀门、挡板等调节流量，这样做系统运行效率明显下降。

降低系统能耗的一种有效方法就是采用变频调速技术，其节能效果十分明显。

电动机长期驱动一个出水口可变的阀门而运行于一个恒定的转速，其水的流量是通过阀门来调节的。由于电动机恒速运行于高压头，故关小阀门可减少流量，但减少能耗的数值甚小。

从图1中可看到，a点为水泵原来的工作点，如果现在需要减少水的流量。在图1(a)的水流量的节流控制图中电动机的转速不变，工作点由a点移动到b点，此时的功率为：

pb＝hb﹒qb＝1.2ha﹒0.8ha＝0.96pa

即当水泵水的流量降低到原来的80％时，功率仅降为原来的96％，只下降了4％。如果通过改变电动机的转速来调节流量，如图1(b)所示的水流量的节流控制图，则工作点由a点变为c点，相应的功率为：

pc＝hc﹒qc＝0.7ha﹒0.8qa＝0.56pa

与调节阀门方式节流相比，节电率为40％。

可见，通过改变电动机的转速来调节水泵流量，具有十分显著的节电效果。当然采用变频调速后，变频调速器本身也要消耗所带负载的5％～8％的电能，对于包含水泵、电动机、变频调速器的电机系统来讲，这一点也应考虑的，即使这样，水泵采用变频调速的节能效果依然是十分明显的。

基于此，在泵、风机、压缩机类产品驱动电机的能效提升和驱动系统的节能改造中，采用变频调速器调速来调节水的流量和水压得到了广泛的应用。但是，原来与三相异步电动机配套的变频调速器与三相永磁同步电动机不能配套，所以在永磁同步电动机替代三相异步电动机的同时，必须同时把应用于永磁同步电动机的同步变频器同时取代原来的异步电动机配套的变频调速器，使用户进行节能改造的成本增加近一倍。之所以异步电动机配套的变频调速器不能用于永磁同步电动机，主要是因为异步电动机和永磁同步电动机调速的机理不一样所致。用于异步电动机的变频调速器是通过改变定子电压和频率来调速，而用于永磁同步电动机的变频调速器是控制永磁电动机电枢的直轴分量id和交轴分量ig，通过矢量控制实现转速的调节。因此，如果要让用于三相异步电动机的变频调速器能正常驱动及调节三相永磁同步电动机，就应该在三相永磁同步电动机转子上除了有永磁体建立磁场外，还应该具有产生足够异步转矩的阻尼笼。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：为解决异步电动机变频调速器与永磁同步电动机不能通用调速的不足，提供一种具有复合磁场的转子结构、转子的制造方法及其具有该转子的永磁同步电动机，以达到异步电动机变频调速器与永磁同步电动机通用的目的。

本发明解决其技术问题所要采用的技术方案是：一种具有复合磁场的转子，包括主轴、热套在所述主轴上的转子铁芯以及沿所述转子铁芯圆周方向设置的多个瓦片状永磁体形成的磁极，瓦片状永磁体采用粘贴的方式固定在转子铁芯上，所述瓦片状永磁体包括多个沿转子铁芯轴向无缝拼接的瓦片状磁钢元，每个瓦片状磁钢元的充磁方向磁极一致，所述瓦片状磁钢元包括多片沿转子铁芯周向无缝拼接的磁钢，相邻所述磁极的极性相反，且每一极瓦片状永磁体间留有间隙形成空气隔磁槽，上述结构的转子铁芯形成了永磁磁场；所述转子铁芯外侧设有铸铝而成的阻尼笼，所述阻尼笼包括一体连接的阻尼杆和阻尼环，所述转子铁芯外壁上沿周向设有多条与所述转子铁芯轴向一致的阻尼槽，所述阻尼槽内铸铝形成所述阻尼杆。

阻尼环截面面积仍达到同规格异步电动机阻尼环截面面积的70％-85％。当定子电流通电后，转子铁芯上即形成滞后于定子旋转磁场的转子电励旋转磁场，具有较强的异步转矩。在转子铁芯上具有了永磁磁场和滞后的电励旋转磁场，即所谓的复合磁场。

瓦片状永磁体的数量与永磁同步电动机的极数成整数倍，每个瓦片状永磁体均粘贴在转子铁芯的外圆表面上，且每个瓦片状永磁体与转子铁芯的轴中心线平行，每一极采用若干片磁钢拼接而成，每一片磁钢间紧靠首先形成瓦片状磁钢元，然后由瓦片状磁钢元沿轴向无缝拼接形成磁极，相邻磁极间留有空气隔磁槽，空气隔磁槽在10-25mm左右，既作为磁钢极间隔磁，又作为定子磁场切割阻尼杆的通道，采用这种方式制作的磁极一方面可以将整体的瓦片状磁极分解为多片进行加工，然后进行拼接节省原材料，另一方面，每一片瓦形状磁钢尺寸和体积变小，在磁钢生产过程的压制成形工序时，能够提高磁钢密度，使磁性能保留能力增强，有效降低退磁现象。

具体的，所述阻尼槽为刀形槽。刀形槽阻尼槽内铸铝形成阻尼杆，并在阻尼杆端部形成阻尼环。

作为优选，瓦片状磁钢元为等半径瓦片状磁钢元，所述瓦片状磁钢元的外缘和内缘具有相同的半径以及不同的圆心。由于瓦片状永磁体是由多片相同的瓦片状磁钢元拼接而成，因此，瓦片状永磁体也是等半径瓦片状永磁体。

作为优选，瓦片状磁钢元为同心瓦片状磁钢元，所述瓦片状磁钢元的外缘和内缘具有相同的圆心以及不同的半径。由于瓦片状永磁体是由多片相同的瓦片状磁钢元拼接而成，因此，瓦片状永磁体也是同心瓦片状永磁体。

进一步，所述转子铁芯的外周面上对应设置每块所述磁钢的位置均对应设有一条凹槽，所述凹槽沿所述转子铁芯的轴向延伸至所述转子铁芯全长，凹槽的宽度一般为5-8mm左右。由于瓦片状永磁体是通过树脂粘贴在转子铁芯上的，设置凹槽可以增加瓦片状永磁体和转子铁芯外圆周面的粘贴面积。

进一步，所述转子铁芯的轴线方向上的两端分别安装有隔磁板，所述隔磁板通过铁芯穿心螺杆紧固在所述转子铁芯上。隔磁板采用铝板，防止磁力线传到主轴上影响主轴的工作和寿命。

进一步，还包括护套，所述护套套设在所述瓦片状永磁体的外圆周上。转子铁芯做外圆，设置不锈钢护套，热套后过盈收紧。

一种具有复合磁场的转子的制造方法，包括以下步骤，

步骤1：制造组成转子铁芯的多张转子冲片，在转子冲片的外圆周上冲有多条径向的阻尼杆孔；阻尼杆孔为刀片形深槽。

步骤2：将步骤1中的多张转子冲片压装在一起，所有阻尼杆孔拼合在一起形成了阻尼槽，叠装后的阻尼槽为斜槽，并在阻尼槽内进行铸铝，形成由阻尼杆和阻尼环连成一体的阻尼笼；阻尼杆铸在阻尼槽内，阻尼杆的两端分别通过铸铝形成的阻尼环连成一体，从而形成笼状的阻尼笼。

步骤3：将步骤2中获得的转子铁芯进行加热后，热套在主轴上，并使转子铁芯位于主轴的铁芯档；

步骤4：将套设在主轴上的转子铁芯进行精车外圆工序；阻尼环外径端面保留不车削，而转子铁芯部分进行车削，精车后外圆直径满足公式：外圆直径＝定子铁芯冲片内径-2×永磁电机单边气隙-2×磁钢厚度。

步骤5：在转子铁芯的外周面上粘贴每块磁钢的位置上均对应铣出一条凹槽，所述凹槽沿所述转子铁芯的轴向延伸至所述转子铁芯全长；具体的，在磁钢粘贴处沿轴向中心线开槽。

步骤6：在精车外圆表面上粘贴瓦片状永磁体，其中，每一极的所述瓦片状永磁体的制作过程：首先由多块磁钢沿转子铁芯外圆圆周表面无缝拼接形成瓦片状磁钢元，然后再由多个瓦片状磁钢元沿转子铁芯轴向无缝拼接形成所述瓦片状永磁体；

步骤7：瓦片状永磁体粘贴完后，将护套热套在瓦片状永磁体的外圆周上，冷却后收缩过盈收紧；护套为采用由1cr18ni9材料拉拔而成的不锈钢护套。

步骤8：在转子铁芯的轴线方向上的两端分别安装隔磁板，并通过铁芯穿心螺杆将隔磁板紧固在转子铁芯上。

一种永磁同步电动机，包括上述的具有复合磁场的转子，还包括由内向外依次套设在所述转子外侧的定子和电机壳，所述定子包括定子绕组和定子铁芯，所述电机壳的外周面上设有接线盒，所述电机壳轴向的两端均封设有端盖，且一侧所述端盖的外侧设有风扇，所述风扇上罩设有风扇罩。

具体的，所述定子铁芯采用斜槽，所述转子采用直槽。

本发明的转子铁芯是基于相同功率和极数的三相异步电动机转子铁芯冲片、转子铁芯和阻尼笼，转子铁芯按异步电动机一般的工艺压装而成并在阻尼杆孔中铸铝，并同时铸成阻尼环，形成联接一体的阻尼笼。

本发明的有益效果是：本发明提供的一种具有复合磁场的转子结构、转子的制造方法及其具有该转子的永磁同步电动机，采用具有永磁磁场和滞后的电励旋转磁场形成的复合磁场的转子，这样永磁同步电动机既能与矢量控制的同步电动机专用变频调速器配合正常起动和调速，又能和调压、调频的异步电动机专用变频调速器配套，正常起动和调速。同时，当永磁同步电动机低速运行时，能抵御因脉动转矩、纹波转矩和齿槽转矩产生的速度波动，明显改变了变频驱动永磁同步电动机的低速平稳性，增强了在恒功率区弱磁扩速的能力。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是调速运行节能原理图；

图2是本发明转子的结构示意图；

图3是转子的横截面的结构示意图；

图4是转子铁芯的结构示意图；

图5是等半径瓦片状磁钢元的结构示意图；

图6是同心瓦片状磁钢元的结构示意图；

图7是转子冲片的结构示意图(58槽未全部示出)；

图8是阻尼杆孔/阻尼槽的结构示意图；

图9是定子铁芯的侧视结构示意图；

图10是定子和转子装配的结构示意图；

图11是定子冲片的结构示意图(72槽未全部示出)。

图中：1、主轴，2、转子铁芯，3、阻尼环，4、永磁体，41、磁钢元，42、磁钢，5、护套，6、隔磁板，7、定子铁芯，8、转子冲片，81、阻尼杆孔，82、阻尼槽，9、隔磁槽，10、阻尼杆，11、定子槽，12、扣片，13、扣片槽，14、压圈，15、凹槽，16、定子冲片，17、转子。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作详细的说明。此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图2-8所示，一种具有复合磁场的转子17，包括主轴1、热套在所述主轴1上的转子铁芯2以及沿所述转子铁芯2圆周方向设置的多个瓦片状永磁体4形成的磁极，瓦片状永磁体4采用粘贴的方式固定在转子铁芯2上，所述瓦片状永磁体4包括多个沿转子铁芯2轴向无缝拼接的瓦片状磁钢元41，每个瓦片状磁钢元41的充磁方向磁极一致，所述瓦片状磁钢元41包括多块沿转子铁芯2周向无缝拼接的磁钢42，相邻所述磁极的极性相反，且每一极瓦片状永磁体4间留有间隙形成空气隔磁槽9，上述结构的转子铁芯2形成了永磁磁场；所述转子铁芯2外侧设有铸铝而成的阻尼笼，所述阻尼笼包括一体连接的阻尼杆10和阻尼环3，所述转子铁芯2外壁上沿周向设有多条与所述转子铁芯2轴向一致的阻尼槽82，所述阻尼槽82内铸铝形成所述阻尼杆10。

阻尼环3截面面积仍达到同规格异步电动机阻尼环3截面面积的70％-85％。当定子电流通电后，转子铁芯2上即形成滞后于定子旋转磁场的转子17电励旋转磁场，具有较强的异步转矩。在转子铁芯2上具有了永磁磁场和滞后的电励旋转磁场，即所谓的复合磁场。

瓦片状永磁体4的数量与永磁同步电动机的极数成整数倍，每个瓦片状永磁体4均粘贴在转子铁芯2的外圆表面上，且每个瓦片状永磁体4与转子铁芯2的轴中心线平行，每一极采用若干片磁钢42拼接而成，每一片磁钢42间紧靠首先形成瓦片状磁钢元41，然后由瓦片状磁钢元41沿轴向无缝拼接形成磁极，相邻磁极间留有空气隔磁槽9，空气隔磁槽9在10-25mm左右，既作为磁钢42极间隔磁，又作为定子磁场切割阻尼杆10的通道，采用这种方式制作的磁极一方面可以将整体的瓦片状磁极分解为多片进行加工，然后进行拼接节省原材料，另一方面，在拼接时，相邻磁钢42互相挤压，能够提高磁钢42密度，使磁性能保留能力增强，有效降低退磁现象。

具体的，转子铁芯2是由多个转子冲片8压装而成的，转子冲片8上设有的阻尼杆孔81，阻尼杆孔81为刀形孔，当转子冲片8压装在一起时，阻尼杆孔81就形成了阻尼槽82，且所述阻尼槽82也为刀形槽。刀形的阻尼槽82内铸铝形成阻尼杆10，并在阻尼杆10端部形成阻尼环3。

瓦片状永磁体4由多个瓦片状磁钢元41组成，瓦片状磁钢元41包括弧形的内缘和弧形的外缘，内缘和外缘具有等半径和同心两种结构。

作为优选，瓦片状磁钢元41为等半径瓦片状磁钢元41，所述瓦片状磁钢元41的外缘和内缘具有相同的半径以及不同的圆心。由于瓦片状永磁体4是由多片相同的瓦片状磁钢元41拼接而成，因此，瓦片状永磁体4也是等半径瓦片状永磁体4。如图5所示，外缘和内缘半径均为r，内缘的圆心为o'，外缘的圆心为o，两圆心之间的距离为h。

作为优选，瓦片状磁钢元41为同心瓦片状磁钢元41，所述瓦片状磁钢元41的外缘和内缘具有相同的圆心以及不同的半径。由于瓦片状永磁体4是由多片相同的瓦片状磁钢元41拼接而成，因此，瓦片状永磁体4也是同心瓦片状永磁体4。如图6所示，外缘和内缘圆心均为o，内缘的半径为r1，外缘的半径为r2。

所述转子铁芯2的外周面上对应设置每块所述磁钢42的位置均对应冲有一条凹槽15，所述凹槽15沿所述转子铁芯2的轴向延伸至所述转子铁芯2全长，凹槽15的宽度小于磁钢42的宽度。由于瓦片状永磁体4是通过树脂粘贴在转子铁芯2上的，设置凹槽15可以增加瓦片状永磁体4和转子铁芯2外圆周面的粘贴面积。

如图3-4所示，一个瓦片状永磁体由4片瓦片状磁钢元41组成，一片瓦片状磁钢元41由3片磁钢42组成，那么整个瓦片状永磁体4就由12片磁钢42按照3*4矩阵方式拼接而成，并且12片磁钢42对应的转子铁芯2的位置上均冲有一条凹槽15，且同一列的磁钢42的凹槽15可以沿转子铁芯2轴向上下连通。

所述转子铁芯2的轴线方向上的两端分别安装有隔磁板6，所述隔磁板6通过铁芯穿心螺杆紧固在所述转子铁芯2上。

还包括护套5，所述护套5套设在所述瓦片状永磁体4的外圆周上。转子铁芯2做外圆，设置不锈钢护套5，热套后过盈收紧。

一种具有复合磁场的转子17的制造方法，包括以下步骤，

步骤1：制造组成转子铁芯2的多张转子冲片8，在转子冲片8的外圆周上开设多条径向的阻尼杆孔81；阻尼杆孔81为刀片形深槽。如图7和图8所示。

步骤2：将步骤1中的多张转子冲片8压装在一起，所有阻尼杆孔81拼合在一起形成了阻尼槽82，并在阻尼槽82内进行铸铝，形成由阻尼杆10和阻尼环3连成一体的阻尼笼；阻尼杆10铸在阻尼槽82内，阻尼杆10的两端分别通过铸铝形成的阻尼环3连成一体，从而形成笼状的阻尼笼。

步骤3：将步骤2中获得的转子铁芯2进行加热后，热套在主轴1上，并使转子铁芯2位于主轴1的铁芯档；

步骤4：将套设在主轴1上的转子铁芯2进行精车外圆工序；阻尼环3外径端面保留不车削，而转子铁芯2部分进行车削，精车后外圆直径满足公式：外圆直径＝定子铁芯7冲片内径-2×永磁电机单边气隙-2×磁钢42厚度。

步骤5：在转子铁芯2的外周面上粘贴每块磁钢42的位置上均对应铣出一条凹槽15，所述凹槽15沿所述转子铁芯2的轴向延伸至所述转子铁芯2全长；

步骤6：在精车外圆表面上粘贴瓦片状永磁体4，其中，每一极的所述瓦片状永磁体4的制作过程：首先由多块磁钢42沿转子铁芯2外圆圆周表面无缝拼接形成瓦片状磁钢元41，然后再由多个瓦片状磁钢元41沿转子铁芯2轴向无缝拼接形成所述瓦片状永磁体4；

步骤7：瓦片状永磁体4粘贴完后，将护套5热套在瓦片状永磁体4的外圆周上，冷却后收缩过盈收紧；护套5为采用由1cr18ni9材料拉拔而成的不锈钢护套5。

步骤8：在转子铁芯2的轴线方向上的两端分别安装隔磁板6，并通过铁芯穿心螺杆将隔磁板6紧固在转子铁芯2上。

一种永磁同步电动机，包括上述的具有复合磁场的转子，还包括由内向外依次套设在所述转子17外侧的定子和电机壳，所述定子包括定子绕组和定子铁芯7，所述电机壳的外周面上设有接线盒，所述电机壳轴向的两端均封设有端盖，且一侧所述端盖的外侧设有风扇，所述风扇上罩设有风扇罩。

如图9-11所示，所述定子铁芯7采用斜槽，所述转子铁芯2采用直槽。定子铁芯7由多片定子冲片16冲压而成，定子铁芯7内圈均匀设有轴向的定子槽11，定子铁芯7的定子槽11为72槽，定子铁芯7的外圆周上设有9槽的用于安装扣片12的扣片槽13，定子铁芯7两端面上设有定子铁芯7压圈14，扣片12端部扣在压圈14上，转子铁芯2的阻尼槽82为58槽。定子槽11与转子槽即阻尼槽82的比例在电磁计算时经过优化调整。

本实施例的转子铁芯2是基于相同功率和极数的三相异步电动机转子铁芯2冲片、转子铁芯2和阻尼笼，转子铁芯2按异步电动机一般的工艺压装而成并在阻尼杆孔81中铸铝，并同时铸成阻尼环3，形成联接一体的阻尼笼。

如图4所示，转子的高度h0为210mm，误差范围为0-2.5mm，护套5的外径φ1为282.6mm，护套5的内径φ2为278mm；永磁体4的外径φ3与护套5的内径φ2相等为278mm，永磁体4的内径φ4为264mm，阻尼环3的高度h为20mm，阻尼环3的断面为梯形，且阻尼环3外侧的内缘和外缘上设有r5的圆弧倒角，且阻尼环3的内圈和外圈沿轴向倾斜角度α为4°，阻尼环外侧的宽度d为38mm，阻尼环3外径φ8为281mm，阻尼环3外径φ8大于永磁体4的外径φ3；阻尼槽82的深度l为24.8mm。

如图7-8所示，转子冲片8的外径φ5为285mm，转子冲片8的内径φ6为85mm，内径φ6与主轴1尺寸匹配，转子冲片8冲压形成的转子铁芯2精车后的外径φ7为283.8mm，此时阻尼槽82深度l0较大为34.1mm，在此基础上继续切掉l1的深度，且l1为9.3mm，形成深度l为24.8mm的阻尼槽82，阻尼槽82分为上下两段，上段槽内宽度d1为3.7mm，下段的顶部槽内宽度d2为4.7mm，下段的底部槽内宽度d3为2.6mm，且下段的深度l2为17.6mm。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关的工作人员完全可以在不偏离本发明的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。