一种高转矩密度永磁磁阻同步电机转子结构的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种高转矩密度永磁磁阻同步电机转子结构，包括中心转轴和转子铁芯，转子铁芯沿圆周方向均匀设置有P组通槽，每组通槽包括沿转子铁芯径向方向上间隔设置的3层U形通槽，中间U形通槽的两翼内分别嵌置有一个永磁体。所述3层U形通槽，中间U形通槽为对称结构，外层与内层U形通槽为非对称结构。本发明可以改变内置式永磁同步电机转矩特性，使最大合成转矩充分利用永磁转矩分量与磁阻转矩分量，提高电机的转矩密度。
【专利说明】
一种高转矩密度永磁磁阻同步电机转子结构
技术领域
[0001] 本发明涉及一种高转矩密度永磁磁阻同步电机转子结构，属于永磁电机技术。
【背景技术】
[0002] 永磁同步电机转子中按一定规律分布有永磁体，永磁体提供的磁通替代电励磁同 步电机的励磁绕组励磁建立主磁场。而根据转子磁路结构的不同，可分为表面式和内置式。 内置式转子磁路结构的永磁体位于转子铁芯内部，其转子磁路结构属于凸极结构，电磁转 矩中除永磁转矩分量外还有磁阻转矩分量。
[0003] 根据传统内置式永磁同步电机的转矩特性，永磁转矩分量最大值在电流角度为0 度时达到，磁阻转矩分量最大值在电流角度为45度时达到，而合成转矩达到最大值的电流 角度介于〇度到45度间，合成最大转矩未充分利用两种转矩分量。合成转矩最大值要小于永 磁转矩最大值与磁阻转矩最大值的代数和，造成了永磁转矩分量与磁阻转矩分量的不充分 利用。
[0004] 在体积要求较高的应用场合，高转矩密度成为了电机设计追求的重要指标，这要 求电机能够对各种转矩分量进行充分的利用。
【发明内容】
[0005] 发明目的：为了克服现有技术中存在的两种转矩分量利用不充分的缺点，本发明 提供一种高转矩密度永磁磁阻同步电机转子结构，能够更加充分的利用永磁转矩分量与磁 阻转矩分量，从而提高电机的转矩密度。
[0006] 技术方案:为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0007] 在转子铁芯中采用不对称U形通槽结构，使永磁转矩特性右移，同时磁阻转矩特性 左移，可以使永磁转矩与磁阻转矩在同一电流角度或相近的电流角度达到最大值，提高了 合成转矩对两种转矩分量的利用率。
[0008] -种高转矩密度永磁磁阻同步电机转子结构，包括中心转轴和转子铁芯，中心转 轴与转子铁芯同中心轴线安装;围绕中心轴线，在转子铁芯上均匀设置有P个结构尺寸相同 的通槽组，沿顺时针方向，通槽组的编号依次记为1，2, · · ·，i，· · ·，P_1，P，其中P为电 机的磁极数；
[0009] 每个通槽组包括三个U形通槽，每个U形通槽包括一个直底边和两个直侧翼，三个 直底边相互平行;根据直底边距离中心轴线的距离，将三个U形通槽分别称为外层U形通槽、 中间U形通槽和内层U形通槽，中间U形通槽为对称结构，内层U形通槽的直底边和直侧翼的 宽度分别为hjp qi，中间U形通槽的直底边和直侧翼的宽度分别为h#Pq2，外层U形通槽的直 底边和直侧翼的宽度分别为h 3和q3，1η〈1?2〈1ι3，0 · Sh1Sq1S 1 · 51u，0 · 5h2彡q2彡 1 · 5h2，0 · 5h3彡 q3^1.5h3；
[001 0]在中间U形通槽的两个直侧翼内分别嵌置有一个永磁体，永磁体的长度为Ipm，永磁 体的宽度为wpm;同一个中间U形通槽内的两个永磁体极性相同，相邻两个中间U形通槽内的 永磁体极性不同；
[0011] 通槽组的其他尺寸以U形通槽的中心线进行表述;在转子铁芯的横截面上建立xy 二维坐标系，xy二维坐标系的原点在中心轴线上;第1个通槽组的三个直底边均与y轴垂直， 且三个直底边的中点均在y轴上，中间U形通槽的对称轴与y轴重合;第1个通槽组的6个直侧 翼端部与转子铁芯外圆在半径方向的距离均为b;中间U形通槽的两个直侧翼端部与原点的 连线和y轴的夹角均为
?内层U形通槽的左直侧翼端部与原点的连线和y轴 的夹角为α3,0°<α3<α〇;内层U形通槽的右直侧翼端部与原点的连线和y轴的夹角为α 4，α3< α4且α3 + α4<2α〇;外层U形通槽的左直侧翼端部与原点的连线和y轴的夹角为Ct1,
外层U形通槽的右直侧翼端部与原点的连线和y轴的夹角为C^a1Sa2且 .外层U形通槽的两个直侧翼上各设置一个能导通磁通的磁桥，两个磁桥 的间距均为
两个磁桥的中心距离原点的距离相等；
[0012] 为了达到高转矩密度的目的，上述转子使用时的旋转方向为左旋方向（与y轴的左 右侧的定义标的一致）。
[0013] 优选的，中间U形通槽的两个直侧翼上装永磁体位置的宽度大于未装永磁体位置 的宽度，即在中间U形通槽的直侧翼上设置台阶槽结构，通过台阶槽结构实现永磁体和转子 铁芯的定位;一般设计中间U形通槽的两个直侧翼上装永磁体位置的宽度比未装永磁体位 置的宽度至少大〇.5mm。
[0014] 优选的，为了保持转子冲片的完整性并用于导通磁通，设计0.5mm彡b。
[0015] 本发明利用不对称U形通槽结构的结构，能够改变永磁磁阻同步电机的转矩特性， 使永磁转矩特性右移，磁阻转矩特性左移。
[0016] 有益效果:本发明提供的高转矩密度永磁磁阻同步电机转子结构，具有如下优点： 1、通过不对称的U形通槽结构，使永磁磁阻同步电机的最大合成转矩充分利用永磁转矩分 量和磁阻转矩分量，提高了转矩密度;2、本发明提出的转子结构充分利用了磁阻转矩，可以 减少永磁材料的消耗，降低电机制造成本。
【附图说明】
[0017] 图1为本发明的结构示意图；
[0018] 图2为转子冲片的结构示意图；
[0019]图3为一个通槽组的结构示意图；
[0020] 图中包括：1-中心转轴，2-转子铁芯，3-通槽组，4-外层U形通槽，5-中间U形通槽， 6-内层U形通槽，7-永磁体，8-台阶槽结构。
【具体实施方式】
[0021] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0022] 如图1所示为一种高转矩密度永磁磁阻同步电机转子结构，包括中心转轴1和转子 铁芯2(由转子冲片叠压而成），中心转轴1与转子铁芯2同中心轴线安装；围绕中心轴线，在 转子铁芯2上均匀设置有P个结构尺寸相同的通槽组3,沿顺时针方向，通槽组3的编号依次 记为1，2, · · ·，i，· · ·，P-1，P，其中P为电机的磁极数;相邻两组通槽组3中心线间的夹
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卯图2所示，每个通槽组3包括三个U形通槽，每个U形通槽包括一个直底边和两个 直侧翼，三个直底边相互平行;根据直底边距离中心轴线的距离，将三个U形通槽分别称为 外层U形通槽4、中间U形通槽5和内层U形通槽6，中间U形通槽5为对称结构，外层U形通槽4和 内层U形通槽6为非对称结构；内层U形通槽6的直底边和直侧翼的宽度分别为IidPq 1，中间U 形通槽5的直底边和直侧翼的宽度分别为h#Pq2,外层U形通槽4的直底边和直侧翼的宽度分 别为 h3 和 q3，hi〈h2〈h3，0 · 5hi^iqi^i 1 · 5hi，0 · 5h2^iq2^i 1 · 5h2，0 · 5h3^iq3^i 1 · 5h3。
[0024] 在中间U形通槽5的两个直侧翼内分别嵌置有一个永磁体7，永磁体7的长度为lPm， 永磁体7的宽度为w pm;同一个中间U形通槽5内的两个永磁体7极性相同，相邻两个中间U形通 槽5内的永磁体7极性不同。中间U形通槽5的两个直侧翼上装永磁体7位置的宽度大于未装 永磁体7位置的宽度，即在中间U形通槽5的直侧翼上设置台阶槽结构8,通过台阶槽结构8实 现永磁体7和转子铁芯2的定位;一般设计中间U形通槽5的两个直侧翼上装永磁体位置的宽 度比未装永磁体位置的宽度至少大〇.5_。
[0025] 如图3所示，通槽组3的其他尺寸以U形通槽的中心线进行表述;在转子铁芯2的横 截面上建立xy二维坐标系，xy二维坐标系的原点在中心轴线上;第1个通槽组3的三个直底 边均与y轴垂直，且三个直底边的中点均在y轴上，中间U形通槽5的对称轴与y轴重合;第1个 通槽组3的6个直侧翼端部与转子铁芯2外圆在半径方向的距离均为b;中间U形通槽5的两个 2 λ 6〇° 直侧翼端部与原点的连线和y轴的夹角均为α〇，％ 7 X ;内层U形通槽6的左直侧翼端 5 P 部与原点的连线和y轴的夹角为Ct3，0°彡α3<α〇;内层U形通槽6的右直侧翼端部与原点的连 线和y轴的夹角为〇4,〇3<(14且(13+€[4<2€[() ;外层1]形通槽4的左直侧翼端部与原点的连线和7 轴的夹角为Ct1,% 外层U形通槽4的右直侧翼端部与原点的连线和y轴的夹 2 P 角为+ a2 < ^ :在外层U形通槽4的两个直侧翼上各设置一个能导通磁通 的磁桥，两个磁桥的间距均为，两个磁桥的中心距离原点的距离相等。
[0026] 下面通过一个实施例，对本发明进行具体说明。
[0027] 如图1所示电机转子整体结构图，本实施例为一个4极的永磁磁阻同步电机转子，P =4。为如图2所示转子冲片结构图，永磁体的长度为lpm = 10.4mm，永磁体的宽度为Wpm = 2.6mm，转子铁芯整体的轴向长度为60mm;如图3所示一个通槽组的结构图，中间U形通槽的 2 160° 直侧翼端部与原点的连线和y轴的夹角为α〇 = 25°，满足％ S 叾-;外层U形通槽的左直 J Γ 侧翼端部与原点的连线和y轴的夹角为<^ = 33°，外层U形通槽的右直侧翼端部与原点的连 线和y轴的夹角为α2 = 49°，满足:（
；内层U形通槽的 左直侧翼端部与原点的连线和y轴的夹角为α3 = 8°，满足0° <α3<α()，内层U形通槽6的右直 侧翼端部与原点的连线和y轴的夹角为〇4=14°，满足a3<a4且a3+a 4<2aQ。内层U形通槽的直 底边和直侧翼的宽度分别为1η = 3.3πιπ^Ραι = 2.7πιπι，中间U形通槽的直底边和直侧翼的宽度 分别为h2 = 2.3mm和q2 = 2.4mm，外层U形通槽的直底边和直侧翼的宽度分别为h3 = 1.8mm和 q3 = 1.8mm，满足Wh3，且直侧翼宽度为相应直底边宽度的0.5~1.5倍。直侧翼端部与转 子铁芯2外圆在半径方向的距离均为b = 0.6mm>0.5mm。磁桥的间距均为W= 1mm，满足
最终的转子结构如图1所示。
[0028]以上所述仅是本发明的优选实施方式，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。
【主权项】
1. 一种高转矩密度永磁磁阻同步电机转子结构，其特征在于:包括中屯、转轴（I)和转子 铁忍(2)，中屯、转轴（1)与转子铁忍(2)同中屯、轴线安装；围绕中屯、轴线，在转子铁忍(2)上均 匀设置有P个结构尺寸相同的通槽组（3)，沿顺时针方向，通槽组（3)的编号依次记为1， 2,…，i，…，P-I，P，其中P为电机的磁极数； 每个通槽组(3)包括=个U形通槽，每个U形通槽包括一个直底边和两个直侧翼，=个直 底边相互平行；根据直底边距离中屯、轴线的距离，将=个U形通槽分别称为外层U形通槽 (4)、中间U形通槽(5)和内层U形通槽(6)，中间U形通槽(5)为对称结构，外层U形通槽(4)和 内层U形通槽(6)为非对称结构；内层U形通槽(6)的直底边和直侧翼的宽度分别为hi和qi，中 间U形通槽(5)的直底边和直侧翼的宽度分别为h2和Q2,外层U形通槽(4)的直底边和直侧翼 的宽度分别为h3和Q3，lu<h2<h3，0.5hl《qi《1.5hl，0.5h2《Q2《1.5h2，0.5h3《Q3《1 .化3 ; 在中间U形通槽（5)的两个直侧翼内分别嵌置有一个永磁体(7)，永磁体(7)的长度为 1pm，永磁体(7)的宽度为Wpm;同一个中间U形通槽(5)内的两个永磁体(7)极性相同，相邻两 个中间U形通槽(5)内的永磁体(7)极性不同； 通槽组（3)的其他尺寸Wu形通槽的中屯、线进行表述;在转子铁忍（2)的横截面上建立 xy二维坐标系，巧二维坐标系的原点在中屯、轴线上;第1个通槽组(3)的=个直底边均与y轴 垂直，且=个直底边的中点均在y轴上，中间U形通槽(5)的对称轴与y轴重合，第1个通槽组 (3)的6个直侧翼端部与转子铁忍(2)外圆在半径方向的距离均为b;中间U形通槽(5)的两个 直侧翼端部与原点的连线和y轴的夹角均为Cto!层1]形通槽(6)的左直侧翼端部与原点的连线和y轴的夹角为〇3,0°《〇3<〇日；内层U形通槽(6)的右直侧翼端部与原点 的连线和y轴的夹角为。<。。/。<3。。"。<<化〇;外层1]形通槽(4)的左直侧翼端部与原点的连 线和y轴的夹角为C 外层U形通槽(4)的右直侧翼端部与原点的连线和 y轴的夹角为Q2，ai<a; 在外层U形通槽(4)的两个直侧翼上各设置一个能 导通磁通的磁桥，两个磁桥的间距均为W巧个磁桥的中屯、距离原点的距 离相等。2. 根据权利要求1所述的高转矩密度永磁磁阻同步电机转子结构，其特征在于：中间U 形通槽(5)的两个直侧翼上装永磁体(7)位置的宽度大于未装永磁体(7)位置的宽度，即在 中间U形通槽(5)的直侧翼上设置台阶槽结构(8)，通过台阶槽结构(8)实现永磁体(7)和转 子铁忍(2)的定位。3. 根据权利要求1所述的高转矩密度永磁磁阻同步电机转子结构，其特征在于:为了保 持转子冲片的完整性并用于导通磁通，设计〇.5mm《b。
【文档编号】H02K1/27GK105914925SQ201610330976
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年5月18日
【发明人】邹兆林, 陈可来, 邹其辉, 柳阳, 孔永 , 林明耀
【申请人】江苏仪能电机有限公司, 东南大学