一种表贴式转子结构及高速永磁同步电机的制作方法

1.本实用新型属于电机技术领域，尤其涉及一种表贴式转子结构及高速永磁同步电机。


背景技术：

2.高速永磁同步电机要求具有良好的高速运转的平稳性和高转矩性能；现有的电机中，磁钢与定子齿槽之间相互作用易产生齿槽转矩，进而引起振动和噪声，尤其在电机高速运转时，严重影响系统的控制精度；目前改善齿槽转矩最常用的方法是定子斜槽、转子斜极、分数槽、优化磁极极弧系数，不等气隙和开辅助槽等；但由于定子铁芯开槽引起气隙磁密的畸变而产生齿谐波，从而在电机高速运转时转子部件上产生涡流损耗，尤其是护套和磁钢之间的涡流损耗会造成温升异常。


技术实现要素：

3.鉴于此，本实用新型提供一种表贴式转子结构及高速永磁同步电机，以解决现有技术中定子铁芯开槽时气隙磁密的畸变导致护套和磁钢之间的涡流损耗大和温升异常等问题。
4.本实用新型提供一种表贴式转子结构，所述表贴式转子结构包括磁钢，所述磁钢的外周壁上形成有凹凸结构，所述凹凸结构包括凹槽和凸起，所述凹槽和凸起均沿所述磁钢的轴向延伸，且所述凹槽和凸起沿所述磁钢的周向依次设置。
5.进一步可选地，所述凹凸结构包括多个，多个所述凹凸结构沿所述磁钢的周向设置；
6.每个所述凹凸结构均包括至少两个所述凹槽和至少一个所述凸起，一个所述凸起位于两个所述凹槽之间。
7.进一步可选地，所述凹槽的横截面为半圆形或矩形或梯形；和/ 或，
8.所述凸起的横截面为半圆形或矩形或梯形。
9.进一步可选地，所述表贴式转子结构还包括护套，所述护套套设在所述磁钢的外周壁上；所述护套与磁钢之间形成有通道。
10.进一步可选地，所述护套的内周壁形成有通孔组，所述通孔组包括至少一个通孔，所述通孔沿所述护套的轴向延伸；所述通孔组的位置与凹凸结构的位置对应，且所述通孔组的通孔与对应的所述凹凸结构形成所述通道。
11.进一步可选地，所述通孔组包括第一通孔、第二通孔和第三通孔，所述第一通孔、第二通孔和第三通孔沿所述护套的周向依次设置；
12.两个所述凹槽包括第一凹槽和第二凹槽，所述通道包括第一通道和第二通道；所述第一通孔与第一凹槽对应连通并形成所述第一通道，所述第二通孔与凸起对应，所述第三通孔与第二凹槽对应连通并形成所述第二通道。
13.进一步可选地，所述磁钢包括多个子磁钢，多个所述子磁钢沿周向设置；每个所述
子磁钢的外周壁上均形成有所述凹凸结构，多个所述子磁钢的内周壁围设成第三通道。
14.本实用新型还提供一种高速永磁同步电机，所述高速永磁同步电机包括上述任一项所述的表贴式转子结构。
15.进一步可选地，满足n＝2*m*p*t*n≤q；
16.其中，n为所述凹凸结构的数量，m为所述高速永磁同步电机的相数，p为所述高速永磁同步电机的极对数，t为所述高速永磁同步电机的并联支路，q为所述高速永磁同步电机的定子槽数；n为比例系数且n＝1，2，3，4
……
。
17.进一步可选地，当所述高速永磁同步电机的功率为80kw和额定转速为24000rpm时，m＝3，p＝1，t＝2，n＝1或2，则n＝12或24。
18.进一步可选地，n＝12；每个所述凹凸结构中，所述凹槽的数量为 2，所述凸起的数量为1。
19.本实用新型还提供一种降低电机的齿槽转矩和涡流损耗的方法，所述电机为高速永磁同步电机且所述电机包括表贴式转子结构，所述表贴式转子结构包括磁钢和护套；所述磁钢的外周壁上形成有凹凸结构；所述凹凸结构包括凹槽和凸起，所述凹槽和凸起沿所述磁钢的周向依次设置；所述护套的内周壁上形成有通孔，所述通孔的位置与凹凸结构的位置对应；
20.所述方法包括：
21.通过调整所述凹凸结构的数量，和/或，所述凹凸结构中凹槽的数量和凸起的数量，和/或，所述通孔的数量，降低电机的齿槽转矩和涡流损耗。
22.与现有技术相比，本实用新型的有益效果主要在于：
23.(1)磁钢的外周壁形成有凹凸结构，利用磁钢的外周壁形成不等气隙及辅助槽方式，削弱磁钢与定子齿槽的相互作用，降低齿槽转矩的峰值大小，降低磁钢与护套表面涡流损耗，有利于提高电机的效率，达到降低转子结构温升的目的，降低整机运行的振动与噪音，达到削弱磁钢与定子齿槽相互作用的目的，保证电机系统控制的稳定性，提高电机运行寿命；
24.(2)每个凹凸结构均包括至少两个凹槽和至少一个凸起，一个凸起位于两个凹槽之间，降低磁钢的端面截面积，有利于减少磁钢的表面涡流损耗，提高电机效率；护套形成有通孔，降低护套的端面截面积，有利于减少护套的表面涡流损耗；
25.(3)第一通孔与第一凹槽对应连通并形成第一通道，第三通孔与第二凹槽对应连通并形成第二通道，冷媒可流经第一通道和第二通道，提高了电机的冷却面积，进一步降低磁钢和护套温升的目的，解决现有的电机中冷却通道单一和冷却效果差的问题。
附图说明
26.为了更清楚地说明本实用新型的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。
27.本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术
上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
28.图1a和图2a为本实用新型提供的磁钢(凹槽和凸起横截面均为半圆形)实施例结构示意图；
29.图1b 为图1a中a处的放大图；
30.图2b为图2a中b处的放大图；
31.图3a为本实用新型提供的护套实施例结构示意图；
32.图3b为图3a中c处的放大图；
33.图4a为本实用新型提供的磁钢和护套实施例装配结构示意图；
34.图4b为图4a中d处的放大图；
35.图5a为不采用本实用新型提供的磁钢和护套时的电机仿真模型；
36.图5b为不采用本实用新型提供的磁钢和护套时的电磁转矩曲线图；
37.图5c为不采用本实用新型提供的磁钢和护套时的齿槽转矩曲线图；
38.图5d为不采用本实用新型提供的磁钢和护套时的磁钢和护套的表面涡流损耗曲线图；
39.图6a为采用本实用新型提供的磁钢和护套时的电机仿真模型；
40.图6b为采用本实用新型提供的磁钢和护套时的电磁转矩曲线图；
41.图6c为采用本实用新型提供的磁钢和护套时的齿槽转矩曲线图；
42.图6d为采用本实用新型提供的磁钢和护套时的磁钢和护套的表面涡流损耗曲线图；
43.图7a为本实用新型提供的磁钢(凹槽和凸起横截面均为矩形) 实施例结构示意图；
44.图7b为图7a中e处的放大图；
45.图8a为本实用新型提供的磁钢(凹槽和凸起横截面均为梯形) 实施例结构示意图；
46.图8b为图8a中f处的放大图；
47.图9a为本实用新型提供的磁钢(凹槽和凸起横截面均为矩形) 另外一个实施例结构示意图；
48.图9b为图9a中g处的放大图；
49.图10a为本实用新型提供的磁钢(凹槽和凸起横截面均为梯形) 另外一个实施例结构示意图；
50.图10b为图10a中h处的放大图；
51.图中：
52.1-磁钢；11-凹凸结构；111-凹槽；112-凸起；12-子磁钢；
53.2-护套；21-通孔；211-第一通孔；212-第二通孔；213-第三通孔； 31-第一通道；32-第二通道；33-第三通道。
具体实施方式
54.以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
55.在本实用新型实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本实用新型。在本实用新型实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种，但是不排除包含至少一种的情况。
56.应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
57.还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。
58.现有的电机中，磁钢与定子齿槽之间相互作用易产生齿槽转矩，进而引起振动和噪声，尤其在电机高速运转时，严重影响系统的控制精度；目前改善齿槽转矩最常用的方法是定子斜槽、转子斜极、分数槽、优化磁极极弧系数，不等气隙和开辅助槽等；但由于定子铁芯开槽引起气隙磁密的畸变而产生齿谐波，从而在电机高速运转时转子部件上产生涡流损耗，尤其是护套和磁钢之间的涡流损耗会造成温升异常；
59.本实用新型创造性地提供一种表贴式转子结构，表贴式转子结构包括磁钢，磁钢的外周壁上形成有凹凸结构，凹凸结构包括凹槽和凸起，凹槽和凸起沿磁钢的周向依次设置；
60.利用磁钢的外周壁形成不等气隙及辅助槽方式，削弱磁钢与定子齿槽的相互作用，降低齿槽转矩的峰值大小，降低磁钢的端面截面积，有利于减少磁钢的表面涡流损耗，提高电机效率，达到降低转子结构温升的目的。
61.实施例1
62.如图1a、图1b、图2a和图2b所示，本实施例提出一种表贴式转子结构，表贴式转子结构包括磁钢1，磁钢1为实心圆柱结构，磁钢1的外周壁上形成有凹凸结构11，凹凸结构11包括凹槽111和凸起112，凹槽111和凸起112均沿磁钢1的轴向延伸，且凹槽111的轴向长度、凸起112的轴向长度与磁钢1的轴向长度相等；凹槽111 和凸起112沿磁钢1的周向依次设置；
63.进一步，凹凸结构11包括多个，多个凹凸结构11沿磁钢1的周向设置；凹凸结构11的数量为n(n＝1，2，3，4
……
)；
64.每个凹凸结构11均包括至少两个凹槽111和至少一个凸起112，一个凸起112位于两个凹槽111之间；凹槽111的数量为a(a＝1，2， 3，4
……
)，凸起112的数量为b(b＝1，2，3，4……
)，需要根据电机选择合适的a、b值，从而达到削弱磁钢1与定子齿槽相互作用的目的，降低齿槽转矩的峰值大小。本实施例中，每个凹凸结构11均包括两个凹槽111和一个凸起112；
65.综上所述，凹槽111和凸起112相间设置，且凸起112位于凹槽 111之间，降低了磁钢1的端面截面积，使在磁钢1的外周壁形成不等气隙，削弱磁钢1与定子齿槽的相互作用，降低齿槽转矩的峰值大小，减少磁钢1的表面涡流损耗，提高电机效率；达到降低转子结构温升的目的，降低整机运行的振动与噪音，达到削弱磁钢1与定子齿槽相互作用的目的，保证电机系统控制的稳定性，提高电机运行寿命；
66.具体地，如图7a、图7b、图8a和图8b所示，凹槽111的横截面为半圆形或矩形或梯形，凸起112的横截面为半圆形或矩形或梯形，凹槽111与凸起112连续设置，且凹槽111与凸起112光滑过渡；优选地，凹槽111的横截面为半圆形，凸起112的横截面为半圆形。
67.在磁钢1的外周壁形成“凹凸结构11”，在磁钢1的外周壁上平均开设n个“凹凸结构”(n＝1，2，3，4
……
)；对于每一个“凹凸结构”，“凹槽111”处于“凸起112”的两侧位置，主要起到减小磁钢1表面涡流损耗的作用，根据下列公式：
[0068][0069]
p＝i2r＝(js)2ρl/s
[0070]
其中，ρ为磁钢1的电阻率，单位为ω.m；l为磁钢1的轴向长度，单位为m；j为磁钢1感应电流的密度，单位为a/mm2；s为磁钢1 端面的截面积，单位为mm2；
[0071]
根据上述公式可知，适当增加磁钢1“凹槽111”，可有效降低端面的截面积s，有利于减小磁钢1的表面涡流损耗；高速永磁同步电机由于体积小，功率、损耗密度高，散热较困难，降低磁钢1的涡流损耗，可达到提高电机效率、降低转子温升的目的，可保证系统的运行寿命。
[0072]
如图3a和图3b所示，针对现有的电机中冷却通道单一和冷却效率低的问题，本实施例提出，表贴式转子结构还包括护套2，护套2 套设在磁钢1的外周壁上，护套2与磁钢1之间形成有通道；护套2 的内周壁形成有多个通孔组，每个通孔组均包括至少一个通孔21，通孔沿护套2的轴向延伸；通孔组的位置与凹凸结构11的位置对应，且通孔组的通孔21与对应的凹凸结构11形成上述所述通道；具体地，通孔21的横截面为半圆形或矩形或梯形；
[0073]
根据公式(1)，通孔可降低护套2的端面截面积，有利于减少护套2的表面涡流损耗；冷媒可流经通孔21，实现对转子的冷却；磁钢1的“凹槽111”及护套2的“通孔21”截面积越大，磁钢1和护套2的表面涡流损耗越小，达到降低磁钢1和护套2的表面涡流损耗目的，降低转子温升，提高电机效率；
[0074]
对于涡流损耗来说，在磁钢1的外周壁设计“凹凸结构11”、在护套2的内周壁上设计“通孔21”，可有效降低截面积(根据实际设计尺寸计算磁钢1、护套2表面减小的面积s1)，通过公式(1)即可计算出减小的涡流损耗大小。
[0075]
进一步，通孔组包括第一通孔211、第二通孔212和第三通孔213，第一通孔211、第二通孔212和第三通孔213沿护套2的周向依次设置；
[0076]
如图4a和图4b所示，两个凹槽111包括第一凹槽111和第二凹槽111，通道包括第一通道31和第二通道32；第一通孔211与第一凹槽111对应连通并形成第一通道31，第二通孔
212与凸起112对应，第三通孔213与第二凹槽111对应连通并形成第二通道32；
[0077]
冷媒可流经第一通道31和第二通道32，提高了电机的冷却面积，进一步降低磁钢1和护套2温升的目的，解决现有的电机中冷却通道单一和冷却效果差的问题。
[0078]
本实施例还提供一种高速永磁同步电机，高速永磁同步电机包括上述任一项所述的表贴式转子结构。
[0079]
进一步，满足n＝2*m*p*t*n≤q；
[0080]
其中，n为凹凸结构11的数量，m为高速永磁同步电机的相数， p为高速永磁同步电机的极对数，t为高速永磁同步电机的并联支路， q为高速永磁同步电机的定子槽数；n为比例系数且n＝1，2，3，4
……
。
[0081]
以高速永磁同步电机的额定功率为80kw和额定转速为 24000rpm为例，m＝3，p＝1，t＝2，n＝1或2，则n＝12或24。
[0082]
优选地，n＝12；每个凹凸结构11中，凹槽111的数量为2，凸起112的数量为1。
[0083]
以电机的额定功率pn＝80kw，额定转速nn＝24000rpm为例，如图5a所示，建立仿真模型；此时，磁钢1的外周壁无“凹-凸结构”，护套2无“通孔21”结构：仿真得出电机的电磁转矩tm＝31.89n.m，如图5b所示；齿槽转矩的峰值tcmax＝2.70mn.m，齿槽转矩的峰峰值 tcpmax＝5.30mn.m，如图5c所示；磁钢1和护套2的表面涡流损耗 p＝71.65w，如图5d所示。
[0084]
以电机的额定功率pn＝80kw，额定转速nn＝24000rpm为例，如图6a所示，建立仿真模型；此时，磁钢1的外周壁有“凹-凸结构”，护套2有“通孔21”结构：
[0085]
如图6b所示，当n＝12，对a、b进行参数化扫描，由仿真结果可知，当a＝2，b＝1时，电机的电磁转矩t’＝32.05n.m(较优化前提高0.5％)；
[0086]
如图6c所示，当n＝12，对a、b进行参数化扫描，由仿真结果可知当a＝2，b＝1时，齿槽转矩的峰值t’cmax＝2.33mn.m(较优化前降低13.7％)，齿槽转矩的峰峰值t’cpmax＝4.60mn.m(较优化前降低13.2％)。
[0087]
如图6d所示，当n＝12，对a、b进行参数化扫描，由仿真结果可知当a＝2，b＝1时，电机磁钢1和护套2的表面涡流损耗p’＝44.31w (较优化前降低38.16％)。
[0088]
实施例2
[0089]
本实施例还提供一种降低电机的齿槽转矩和涡流损耗的方法，电机为高速永磁同步电机且电机包括表贴式转子结构，表贴式转子结构包括磁钢1和护套2；磁钢1的外周壁上形成有凹凸结构11；凹凸结构11包括凹槽111和凸起112，凹槽111和凸起112沿磁钢1的周向依次设置；护套2的内周壁上形成有通孔21，通孔21的位置与凹凸结构11的位置对应；
[0090]
方法包括：
[0091]
通过调整所述凹凸结构11的数量，和/或，凹凸结构11中凹槽 111的数量和凸起112的数量，和/或，通孔21的数量，降低电机的齿槽转矩和涡流损耗。
[0092]
实施例3
[0093]
如图9a、图9b、图10a和图10b所示，与实施例1不同的是，磁钢1包括多个子磁钢12，子磁钢12的横截面为扇形结构，多个子磁钢12沿周向设置形成圆柱结构；每个子磁钢12的外周壁上均形成有一个或多个凹凸结构11，多个子磁钢12的内周壁围设成第三通道 33；优选地，每个子磁钢12的外周壁上均形成有一个凹凸结构11；
[0094]
凹凸结构11使外周壁形成不等气隙及辅助槽方式，削弱磁钢1 与定子齿槽的相互
作用，降低齿槽转矩的峰值大小，降低磁钢1的端面截面积，有利于减少磁钢1的表面涡流损耗，提高电机效率，达到降低转子结构温升的目的；第三通道33增加冷却通道接触面积，用于冷却转子。
[0095]
以上具体地示出和描述了本公开的示例性实施例。应可理解的是，本公开不限于这里描述的详细结构、设置方式或实现方法；相反，本公开意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效设置。