转子理想正弦波气隙磁场永磁同步电机的制作方法

本发明属于永磁电机，涉及一种电动车用大功率永磁电机，具体是一种转子理想正弦波气隙磁场永磁同步电机。

背景技术：

高档次的纯电动轿车、纯电动大把使用的驱动电机大多数是永磁同步电机，对于这种永磁同步驱动电机，虽然其性能参数指标都能达到汽车行业执行的标准，但离人们的期望值仍有一定的差距。随着社会的发展，生活水平的不断提高，需要一种比目前使用的电动车驱动电机更安静、更舒适的电机。安静而又舒适的电机主要是指电机在运行时不要有转矩波动和电磁噪音，电机转矩波动和电磁噪音是衡量电机性能优劣的重要指标，有转矩波动和电磁噪音的电机，运行时会有震动感，噪音大而尖锐，一定频率的转矩波动和电磁噪音甚至会产生有害的谐振。对于永磁同步电机，产生转矩波动和电磁噪音的根源是电机定、转子间存在齿槽转矩和电机反电动势波形中存在大量的奇次谐波。对于齿槽转矩，只要采取一定的技术措施，如定子斜槽、转子斜极或分段等措施，齿槽转矩基本上都能消除，而对于反电动势奇次谐波，虽然在现有的电机理论中列出了许多消除或降低奇次谐波的方法，但要完全消除所有的奇次谐波，获得理想的反电动势正弦波，是非常困难的。一般来说，在永磁同步电机的设计和制造过程中，最关键的技术体现在如何获得最接近正弦波波形的反电动势。

目前大多数生产电动车用永磁同步驱动电机所采用的转子磁路结构是等气隙长度的方波气隙磁场，方波气隙磁场含有大量的奇次谐波，消除和降低奇次谐波的技术方法主要有：第一，采用定子绕组星接或120°电角度短距绕组来消除反电动势中的3次和3的倍数次谐波，这种方法的局限性在于它对5次、7次、11次等谐波没有作用，且只限于星接，120°短距绕组的短距系数只有0.866，对电磁转矩的损失太大，不可取。第二，采用分布绕组、双层短距绕组、斜槽斜极来降低所有奇次谐波的幅值，但这些方法对奇次谐波只能降低，不能消除，而且，这些方法有些不能同时采用，有些采用起来会有困难，如双层短距绕组在电源电压较高的情况下，需要在槽内做相间或匝间绝缘，实施难度大。因此可以说，目前使用在电动车上的永磁同步电机都不可避免地存在反电动势中的奇次谐波问题，有奇次谐波存在，就有转矩波动和电磁噪音存在。在电机制造过程中，如何彻底干净消除所有的奇次谐波，生产出更安静、更舒适的永磁同步电机，是电机设计制造过程中的技术难题。

技术实现要素：

本发明为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种转子理想正弦波气隙磁场永磁同步电机。

本发明采用的具体技术方案是：

结构中包括定子及与定子对应设置的转子，所述的定子内侧圆周面设置有定子齿，所述的转子的圆周面上与定子极对应设置的磁极为n极与s极交替设置的转子极靴，定子与转子磁极间隔形成气隙，特点是，所述的气隙的气隙长度为δ。

δ＝k/sina

式中k是常量，a为位置角、是变量，在一个磁极内a的值在0—180°之间。

所述的转子极靴的外缘线上任意一点在极坐标中离圆心的距离位置是(r-δ+δmin)。

式中r是该点极坐标圆心的极轴半径，δmin是当a＝90°时气隙长度δ的最小值。所述的转子磁路结构为磁钢内置，并联与串联磁钢搭配的极靴磁路，并联磁钢的厚度＝2×串联磁钢的厚度。

所述的相邻的转子极靴之间设置有隔磁槽，隔磁槽大于气隙长度的最大值。

a、以位置角a为变量，a的理论取值在0—180°电角度之间，实际取值在10—170°电角度之间；

b、建立以转子圆心为极点的极坐标系，以直角坐标的y轴的正方向为90°射线，即：当a＝90°时的射线作为磁极中心线；

c、确定常量k值，取气隙长度δ的最小值δmin＝k，δmin由设计给定，计算气隙长度δ随位置角a的变化的函数关系式，

δ＝k/sina，式中k是常量、a为位置角，

a＝p×机械角度，式中p是电机的磁极对数，

列出气隙长度δ与位置角a一一对应的计算值；

d、过转轴圆心做射线，以位置角a极轴坐标角，射线长度为r-δ+δmin，将所有满足r-δ+δmin的射线端点用光滑曲线连接起来得到转子极靴外缘线。

本发明的有益效果是：

本发明的原理在理论上是可行的，实施工艺也不复杂，按本方案制作的样机对比试验结果证明，转子理想正弦波气隙磁场永磁同步电机比现行普遍采用的转子方波气隙磁场永磁同步电机性能优越，电机效率更高，温升更低，可基本消除转矩波动和电磁噪音。

本发明与现有的方波气隙磁场永磁同步电机比较所产生的有益效果如下：

(1)从根本上解决了永磁同步电机的反电动势奇次谐波问题，消除了电机的转矩波动和电磁噪音，将此电机使用在高档次的纯电动车上，乘坐的感觉会更安静、更舒适，市场前景广阔。

(2)由于消除了电机的奇次谐波，转子理想正弦波气隙磁场永磁电机比方波气隙磁场永磁电机的铁损和铜损要低很多，铁损和铜损低，意味着电机的效率更高，温升更低，更节能，温升低，则电机的使用寿命会更长。

本发明的电机不仅适用于电动车驱动电机，也适用于所有需要永磁同步电机的领域。

附图说明

图1是本发明电机的磁极对数p＝1时的示意图；

图2是本发明电机的磁极对数p＝4时的示意图；

附图中，1、定子，2、转子，3、定子齿，4、转子极靴，5、气隙，6、并联磁钢，7、串联磁钢，8、隔磁槽，9、主磁桥，10、辅助磁桥。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明：

本发明采用转子内置式磁路结构，在每一极设计一个凸起的转子极靴4，如图1和图2所示，转子极靴4的内部安装有若干片磁钢，其中磁钢切向方向放置的为串联磁路的串联磁钢7，径向方向放置的(与相邻极共用)为并联磁路的并联磁钢6，两路磁钢共同为转子极靴4提供磁动势，转子极靴4之间、转子极靴4与转子之间(即转子的铁芯之间)分别用主磁桥9、辅助磁桥10相连。转子极靴4表面与定子齿3之间的空间就是所谓的气隙5，转子极靴4装上磁钢后，就会在此空间建立一个气隙磁场，这个气隙磁场的波形取决于气隙的形状的变化情况，如果极靴表面的所有点都在定子齿的同心圆的弧线上，即所谓的气隙长度δ(在图1上看是间隔的宽度)在180°范围内是一个常量，则气隙磁场一般是方波，方波气隙磁场的磁通密度bδ处处相等。要使气隙磁场的波形是理想的正弦波，则转子极靴4表面所有点的气隙长度δ在180°范围内是一个按正弦函数变化的变量，下面，我们可以推导出气隙长度δ与磁通密度bδ随位置角a的变化的函数关系式：

根据磁路欧姆定律：fa＝φrm

式中fa—磁动势，rm—磁阻，φ—磁通

在铁芯中的磁阻rm＝l/(μ铁a)

式中μ铁—铁芯磁导率，a—磁路截面积，l—磁路的长度。磁路长度在铁芯中用l表示，在空气中用δ表示，所以

在空气中的磁阻rm＝δ/(μ空a)

式中μ空—空气磁导率

气隙磁通密度bδ＝φ/a＝faμ空/δ

在数值上，μ空＝1，μ铁＝3×10³—10⁴之间，在极靴和气隙磁路上，尽管转子极靴4内部磁路l比气隙磁路δ大，但转子极靴4磁导率μ铁比气隙磁导率μ空大3—4个数量级，所以，转子极靴4与气隙5相比，转子极靴4的磁阻非常小，只要通过合理设计，使转子极靴4内部的磁路不出现局部饱和，转子极靴4内部所有磁钢的磁动势fa一致(图1和图2中转子极靴4磁路结构为串联和并联混合磁路结构，此磁路要使磁钢的磁动势fa一致，并联磁钢的厚度要比串联磁钢的厚度大一倍)，则从磁钢发出、到达转子极靴4表面各点的磁动势fa处处相等，fa为常量，气隙中空气磁导率μ空＝1，则faμ空也为常量，令faμ空＝k，得到

bδ＝k/δ

理想正弦波气隙磁场中的磁通密度bδ标幺值b^＊δ＝sina，式中b^＊δ是变量，a是变量，则得到

k/δ＝sina

δ＝k/sina，式中k是常量

在图1和图2中，如果将转子极靴4磁极的中点，即a＝90°，气隙最小处的气隙长度取δmin＝0.8mm，

则0.8＝k/sin90°k＝0.8

得到δ＝0.8/sina

b^＊δ＝sina

如图1所示，将上两式计算一个磁极0—180°范围内的特征点上的气隙长度δ和磁通密度bδ标幺值b^＊δ的值列表如下

上表中未计算a在0°—10°和170°—180°间的气隙长度δ的值和磁通密度bδ标幺值b^＊δ的值，因为此电角度区间要做极与极之间的隔磁槽(此隔磁槽宽度大于气隙长度的最大值δmax)。

根据上表中气隙长度δ与位置角a的计算值，建立极轴坐标，以圆心为极点，以直角坐标的y轴的正方向为90°射线，a在10°—170°所有计算过的角度方向做射线，以转子的最大半径r减气隙长度δ再加0.8即(r-δ+0.8)为射线的长度，将所有射线的端点用一条光滑的曲线连接起来，这条曲线就是转子极靴4凸起的外缘线。

需要指出的是，利用极轴坐标做转子极靴4外缘线时，a的单位要使用电角度，1°电角度＝1°/p机械角度，p是电机磁极对数，图2电机是转子最大半径r＝63.3mm，最小气隙长度δmin＝0.8mm，磁极对数p＝1时设计的转子极靴4。图1电机是转子最大半径r＝63.3mm，最小气隙长度δmin＝0.8mm，磁极对数p＝4设计的转子极靴4。

采用上述方法设计正弦波气隙磁场时，还需要注意避开极间漏磁的影响，如图1和图2所示，在转子极靴4与转子极靴4之间，要设计隔磁槽，隔磁槽的宽度与深度要大于最大气隙长度δmax，图1中的隔磁槽宽度等于6.55mm，深度等于5.73mm，大于最大气隙长度(δmax＝4.61mm)。

图1和图2的转子极靴外缘线与定子齿的内径弧线组成的不等长气隙中的气隙磁场就是我们所需要的理想正弦波气隙磁场。

对于转子理想正弦波气隙磁场永磁同步电机，由于反电动势中的没有奇次谐波，不仅消除了转矩波动和电磁噪音，而且铁损和铜损比方波气隙磁场永磁同步电机要低，效率更高，可有效降低电机的温升。

本发明的电机不仅适用于电动车驱动电机，也适用于所有需要永磁同步电机的领域。