一种磁极倾斜且凸极不对称的转子及高性能永磁电机的制作方法

本公开涉及永磁电机相关技术领域，具体的说，是涉及一种磁极倾斜且凸极不对称的转子及高性能永磁电机。

背景技术：

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，并不必然构成在先技术。

随着稀土永磁材料的发展，永磁电机由于其高效率、高功率密度、高可靠性等显著优点在电动汽车、风力发电、船舶推进等各个领域受到广泛应用。由于永磁电机的结构多种多样，因此对永磁电机结构的优化设计，能够使永磁电机各方面性能得到最大限度的提升。

根据永磁体在转子上的放置位置，主要分为表贴式永磁电机、表面嵌入式永磁电机和内置式永磁电机。其中，表面嵌入式永磁电机与表贴式永磁电机相比具有凸极效应，因此电磁转矩不仅具有永磁转矩，还会产生磁阻转矩，因此产生较高的转矩密度和效率，并且具有较好的弱磁调速性能；与内嵌式永磁电机相比，结构简单且制造成本较低；因此，表面嵌入式永磁电机因其较好的综合性能而具有非常好的应用前景。

但是表面嵌入式永磁电机也存在问题：1)表面嵌入式永磁电机电磁转矩虽然包含永磁转矩和磁阻转矩两种转矩成分，但在传统设计中两种转矩成分没有得到充分利用，因为永磁转矩和磁阻转矩分别达到最大值时相差45度电流相位角。2)因为凸极效应，表面嵌入式永磁电机会产生较高的转矩脉动。永磁电机抑制转矩脉动的方法已被广泛研究，比如，转子周向分块、转子极弧削极、斜极、转子表面开槽、不对称磁障等。特别地，斜极技术是抑制转矩脉动的一种有效方法，已有很多文献对这种方法进行了深入的讨论与研究。最开始从仿真分析得到偏移电机的磁极具有削弱齿槽转矩的结论，而后有学者在理论分析的基础上提出了一些偏移角度的确定方法。随着方法的不断改进，其效果越来越好。但斜极方法具有一些缺点，比如降低了电机的转矩密度。而对于电机而言，转矩密度往往比转矩脉动更为重要，所以，改善因永磁体斜极而导致永磁电机转矩密度下降的问题值得深究。但是，目前的文献资料显示降低转矩脉动但保持转矩密度的电机设计技术很难实现。

技术实现要素：

本公开为了解决上述问题，提出了一种磁极倾斜且凸极不对称的转子，应用在永磁电机如表面嵌入式永磁电机上，不仅能降低转矩脉动，还能有效避免在降低转矩脉动后输出转矩下降的问题。

本公开第二方面还提出了一种基于一种磁极倾斜且凸极不对称的转子的永磁电机，有效结合磁极偏移和不对称凸极转子，实现电机的低转矩脉动、高转矩密度运行，有效提高电机性能指标。

本公开采用如下技术方案：

一个或多个实施例提供了一种磁极倾斜且凸极不对称的转子，包括转子铁芯和设置在转子铁芯上的磁极，每个磁极包括交替设置在转子铁芯上的凸极和转子槽，所述转子槽内设置分段式永磁体，各段永磁体沿着转轴方向延伸排列，并在转子铁芯圆周上依次按设定的角度错位排列。

一个或多个实施例提供了一种转子磁极倾斜且凸极不对称的永磁电机，包括上述的一种磁极倾斜且凸极不对称的转子、定子和转轴，所述转子和定子同轴设置，转子通过转轴设置在定子内部，所述转子和定子之间留有缝隙。

本公开通过使用永磁体分段错位方法获得的倾斜磁极，应用在永磁电机中能够有效的削弱齿槽效应，降低齿槽转矩，同时降低反电动势谐波含量，产生正弦或准正弦反电动势而降低转矩脉动，使得电机输出转矩更加的平稳。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

本公开提出的基于一种磁极倾斜且凸极不对称的转子的永磁电机，使得表面嵌入式永磁电机的转矩脉动减小的同时使得转矩密度不下降，具体的：1)本公开通过使用磁极分段错位方法，能够有效的削弱齿槽效应，降低齿槽转矩，同时降低反电动势谐波含量，产生正弦或准正弦反电动势而降低转矩脉动，使得电机输出转矩更加的平稳；2)磁极分段错位在一个磁极极距内实现，使相邻磁极轴向无重叠，避免转矩密度衰减过大；3)通过使用不对称凸极转子结构，使磁阻转矩和永磁转矩的最大值在相同或相近的电流相位角下叠加，即小于传统设计中的45度电流相位角，从而通过提高两种转矩成分的利用率来弥补磁极斜极造成的转矩损失，保证电机低转矩脉动的同时保持高转矩密度。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1是现有传统表面嵌入式永磁电机结构示意图；

图2是本公开实施例1的转子斜极示意图；

图3是本公开实施例1的等效磁极与等效凸极示意图；

图4是本公开实施例2的非对称转子影响电机转矩的原理图；

图5是本公开实施例1的电机转子三维示意图；

图6是本公开实施例2的永磁电机结构俯视图；

图7是本公开实施例传统电机(基础模型)与实例电机(提出模型)反电势对比示意图；

图8是本公开实施例2的实例电机与传统电机的齿槽转矩对比示意图；

图9是本公开实施例实例2电机永磁体未向凸极靠近时转矩分离示意图；

图10是本公开实施例实例2电机永磁体向凸极靠近时转矩分离示意图；

图11是本公开实施例2的实例电机与传统电机的永磁转矩对比示意图；

图12是本公开实施例2的实例电机与传统电机的电磁转矩对比示意图；

其中：1、定子，2、定子绕组，3、凸极，3-1、，3-2、凸极第二侧面，4、永磁体，5、转子，5-1、转子槽，5-2、转子铁芯，6、磁极轴线，7、转轴，8、第一端面，9、第二端面。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合附图对实施例进行详细描述。

实施例1

在一个或多个实施方式中公开的技术方案中，如图5和6所示，一种磁极倾斜且凸极不对称转子，包括转子铁芯5-2和设置在转子铁芯5-2上的磁极，每个磁极包括交替设置在转子铁芯上的凸极3和转子槽5-1，所述转子槽5-1内设置分段式永磁体4，各段永磁体4沿着转轴7方向延伸排列，并在转子铁芯5-2圆周上依次按设定的角度错位排列。本公开通过使用永磁体4分段错位方法获得的倾斜磁极，应用在永磁电机中能够有效的削弱齿槽效应，降低齿槽转矩，同时降低反电动势谐波含量，产生正弦或准正弦反电动势而降低转矩脉动，使得电机输出转矩更加的平稳。

如图1所示为传统的对称转子结构，现有的对称的转子结构的永磁体在从转子的一个端面到另一端面是按照转轴延伸的，若定义每个磁极的几何中心线为磁极轴线6，永磁体相对磁极轴线对称的。各段永磁体4沿着转轴方向延伸排列是指永磁体按照转轴方向从第一端面8排列到第二端面9。在转子铁芯圆周上依次按设定的角度错位排列，是指各段永磁体4在转子铁芯圆周方向错开一定的角度，可以为如图2和5所示的结构。以图2进行说明，一个磁极包括一个转子槽5-1和一个凸极3，永磁体分段错开排列后，相对于磁极轴线6图2中永磁体4左右不对称，形成了永磁体2不对称的结构。

作为进一步的改进，各段的永磁体4的形状可以相同，径向投影可以为长方形。当径向投影长方形时，通过步进偏置可使齿槽转矩减到最小，各段永磁体以分段形状沿着转轴方延伸排列，并在转子铁芯圆周上依次按设定的角度错位排列后成阶梯状，可以为图5所示的结构。

作为进一步的改进，凸极至少一个侧面沿转轴方向延伸。如图5所示，图中凸极第二侧面3-1沿转轴方向延伸，呈现直上直下的状态，不同两个转子槽5-1的永磁体轴向无叠加。

作为进一步的改进，如图5所示，将凸极3设置为不对称的结构，凸极第一侧面3-1与倾斜设置的分段永磁体呈阶梯状交互，凸极第二侧面3-1沿转轴方向延伸，凸极第二侧面3-1与每段永磁体的一侧相接触。

相邻两个凸极之间形成转子槽5-1，转子槽5-1的结构是由凸极的结构决定的，当凸极一侧设置成阶梯状与永磁体4的结构相适应，转子槽5-1的结构为与凸极一侧阶梯状相适应的形成永磁体可以设置的空间，设置为形成阶梯状的结构，转子槽5-1一侧沿转轴方向延伸，转子槽5-1另一侧留出永磁体倾斜空间。

可选的，分段式永磁体4沿转轴方向的两端的永磁体分别与凸极3接触设置。即图3中的图示位置中，最上面的一段永磁体与左侧的凸极3最上端接触设置，最下端的一段永磁体与右侧的凸极3最下端接触设置。

如图3所示，分段式永磁体4的倾斜角度决定了永磁体错开的程度，相邻两段永磁体4的倾斜角度的确定方法为：齿槽转矩是由转子永磁体4与定子齿槽结构之间的相互作用产生的，通过步进偏置可使齿槽转矩减到最小。相邻两段永磁体4的倾斜角度等于：

式中，θskewing为相邻两步之间的倾斜角，hcf为最大公约数函数,q为定子槽数,p为极对数,n为阶梯状永磁体偏移步数，偏移步数为分段数减去1，图3中n＝6。

如图3所示得到转子倾斜的永磁铁4与不对称凸极3二维等效图，图中为每段斜极角度为θskew，图中θdq为直轴与交轴的电角度，图中为θm一段永磁体的弧度角，图中为θpm为一极磁极4与凸极3的总极距角(弧度)，图中θr(i)为最大凸极弧度角，图中de为直轴，图中qe为交轴。图中阶梯状的永磁铁4与凸极3第一侧面3-1成阶梯状交互，凸极3第二侧面3-2是直线型，沿转轴7方向延伸。

进一步的，为了防止转矩严重退化，在一个永磁体极距内，创建一个约束

nθskewing+θm≤θpm(2)

式中，θm为相邻永磁体之间的间距角，θpm为永磁体极距角。

进一步的，如图2所示为转子磁极分段斜极示意图，永磁体的分段数n可以设置，本实施例1将所述转子磁极分段为7端仅仅是便于说明设定的数值，按照所公式(1)与公式(2)可得，本实例1所述分段偏移转子相邻两段永磁体偏移角度为5度。

实施例2

本实施例提供一种转子磁极倾斜的永磁电机，包括转子、定子和转轴，所述转子和定子同轴设置，转子通过转轴设置在定子内部，所述转子和定子之间留有缝隙，所述转子采用实施例1所述的一种磁极倾斜且不对称的转子。

如图6所示，定子包括定子铁芯和定子槽，所述定子槽内设置定子绕组2，所述定子绕组2和转子5外周形成径向间隙18。

定子槽在定子1的内周上沿着圆周方向等间隔排列，从定子铁芯侧向转轴方向延伸成凸起形状。定子可以为普通六槽结构。

本实施例2通过使用不对称凸极转子结构，使磁阻转矩和永磁转矩的最大值在相同或相近的电流相位角下叠加，从而通过提高两种转矩成分的利用率来弥补磁极斜极造成的转矩损失，保证电机低转矩脉动的同时保持高转矩密度。

本永磁电机应用实施例1中所述的一种磁极倾斜且凸极不对称的转子达到上述效果的原理如下：

如图4创建非对称转子结构使转子永磁体4向转子凸极3靠近，以使磁阻转矩和永磁转矩的最大值在相同电流相位角处叠加，从而获得最大输出转矩。图4中上图说明在永磁电机的转子为对称转子时，磁阻转矩和永磁转矩的最大值并不能在相同电流相位角处处叠加，而是相差45电角度，从而转矩利用率没有达到最大。图4中下图说明在采用了实施例1中的转子结构，转子永磁体4向转子凸极3靠近，使得磁阻转矩和永磁转矩的最大值在相同电流相位角处叠加，从而通过提高两种转矩成分的利用率来获得最大输出转矩。本实施实例2通过非对称转子来弥补磁极斜极造成的转矩损失，保证电机低转矩脉动的同时保持高转矩密度。

确定非对称转子设计的目标为最大平均转矩，约束变量为转子永磁体4宽度、转子凸极3宽度和转子永磁体4向转子凸极3偏移角度。即怎么设置上述约束变量的数值，可以充分利用转矩成分以获得最大电磁转矩。可以采用通过冻结磁导率方法，首先得到所有激励所产生的总转矩，然后去掉永磁体后得到磁阻转矩，最后通过总转矩减去磁阻转矩得到永磁转矩，变换约束变量的数值通过有限元软件观察是否满足设计目标。

未说明本实施例的改进结构的效果，进行了仿真分析，具体如下：

仿真采用4磁极极6定子槽的永磁电机作为实例电机或称为提出模型，根据沿转轴方向延伸排列的转子两端的永磁体错位的总的电角度为30°。根据分段数获得同一磁极相邻两个永磁体错位的设定5°。分段斜极后的永磁体向转子凸极靠近，形成非对称转子结构，以使磁阻转矩和永磁转矩的最大值在相同或相近的电流相位角处叠加以提升电磁转矩，解决了永磁电机因斜极导致的转矩密度下降问题。基本电机和基础模型为采用对称转子结构的传统电机。

如图7-图12所示，图中所示的基础模型是改进前的传统电机，提出模型是改进后的电机。由于转子磁极的分段斜极设置，如图7所示可以看到电机的反电势，实例电机的反电势明显比传统电机趋于正弦化。如图8可以看到电机的齿槽转矩，本实例电机的齿槽转矩明显比传统电机小。如图9所示为传统电机转矩分离特性图，永磁转矩转矩和磁阻转矩分别达到最大值时相差45度电流相位角，两种转矩成分没有充分利用；如图10所示为本实施例转矩分离特性图，永磁转矩转矩和磁阻转矩分别达到最大值时相差30度电流相位角，提升了两种转矩成分的利用率，因斜极而损失的转矩得到补偿。通过转子凸极的优化设计可进一步减小两种转矩成分最大值相差的电流角度，进一步提升输出转矩。

如图11所示可以看到电机的永磁转矩图，本实例电机由于斜极而导致的永磁转矩脉动比传统电机小，表明了本公开磁极倾斜技术的有效性，但平均转矩也变小，说明如果单纯采用磁极斜极技术存在局限性。如图12所示为电磁转矩对比图，基础模型为传统电机电磁转矩，提出模型为本实例电机电磁转矩，本实例电机电磁转矩脉动比传统电机明显变小，同时保持与基础模型相同的输出转矩，表明了本公开不对称凸极技术通过提升转矩成分利用率而提高输出转矩的有效性。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。