永磁同步電機及其轉子的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種永磁同步電機，其轉子包括鐵芯；所述鐵芯，為圓柱形，鐵芯內部繞軸線均勻設置有p個S極磁鋼片、p個N極磁鋼片，p為正整數；S極磁鋼片同N極磁鋼片相間隔排列；所述鐵芯，在位于相鄰S極磁鋼片同N極磁鋼片的中間處的內部沿軸向設置有內部孔。本發明還公開了一種永磁同步電機的轉子。本發明的永磁同步電機及其轉子，能降低電機凸極效應引起的轉矩波動，并可以提高電機的磁鋼利用率，增強磁鋼的抗退磁性能，而且結構簡單，易于加工制造，成本低。
【專利說明】永磁同步電機及其轉子
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及電機，特別涉及一種永磁同步電機及其轉子。
【背景技術】
[0002]永磁電機具有高轉矩密度、高功率密度、高效率區廣等優勢，是混合動力、純電動和燃料電池等新能源汽車用驅動電機的首選。尤其是對于內置磁鋼的永磁同步電機，可以利用轉子的凸極效應產生的磁阻轉矩，可進一步提高轉矩水平，擴大弱磁調速范圍，提高轉速。但是永磁轉子也會帶來齒槽轉矩，加之磁飽和帶來的非線性磁路等影響，永磁電機的反電勢諧波含量豐富，負載時的轉矩波動水平要比一般的異步電機和表面磁鋼的永磁電機嚴重。這些還會造成一定的NVH(Noise、Vibration、Harshness,噪聲、振動與聲振粗糙度)，增加乘客的不舒適感，必須加以解決。
[0003]現有一種有效降低反電勢諧波和齒槽轉矩，減小轉矩波動的方案，是選用合理的極槽配合。比如以豐田普銳斯(PRIUS)為代表的多數車用驅動電機都采用定子48槽(齒)，轉子8極的方案，而以本田IMA為代表的ISG電機多采用3:2槽極數比例的集中繞組方案。
[0004]豐田PRIUS所用的一種48槽8極永磁同步電機如圖1所示，由于定轉子沒有斜極，可以看到其反電勢波形里有豐富的諧波含量，如圖2所示。這不僅會增加鐵損，對匹配控制時確定轉子位置角也會造成一定的精度誤差，同時會伴隨有明顯的齒槽轉矩和轉矩波動。
[0005]現有另一種有效降低諧波、齒槽轉矩及轉矩波動的方案，是通過定子斜槽或轉子分段斜極的方法消除諧波含量和齒槽轉矩，降低轉矩波動，其工作原理相當于將多個電機沿軸向錯開疊加，使得各段電機的齒槽轉矩和趨近于零，反電勢諧波相互抵消。但其存在以下缺陷:
[0006]一.定子斜槽或轉子分段斜極要求在疊裝定子沖片或轉子疊片組時有定位工裝，增大設備投入成本，降低整機制造的效率；
[0007]二.斜槽后的定子會增加下線難度，繞組的有效長度也會相應增長，增加銅線用量;
[0008]三.轉子分段斜極會使得相鄰疊片組間不同極性磁極距離縮短，極間漏磁增大，從而削弱電機的輸出性能，尤其是對于斜極程度較大的電機，性能下降水平更加明顯；
[0009]四.同樣的電機，完全斜槽和斜極后電機的峰值轉矩和功率都會下降10%左右，如果要達到原有的性能水平，相當于要增加10%的磁鋼用量，目前永磁同步電機的磁鋼主要是釹鐵硼，受稀土價格的影響，磁鋼一度占到整機成本的50%左右，磁鋼用量對產品經濟性影響敏感；
[0010]五.對于轉子分段斜極，一般分段數> 3時，對齒槽轉矩和轉矩波動的削弱程度變化不大，即只要分段數不是做到無窮大，就無法達到定子斜槽的效果，而且有些特定的齒槽轉矩不能被分段斜極的方法削弱；
[0011]六.對于ISG(Integrated Starter Generator,組合起動/發電機)等軸向長度比較短或槽數比較少的電機，斜槽或斜極實現起來有一定難度，而且端部漏磁帶來的影響比例較大，由此帶來的齒槽轉矩等是無法通過斜槽或斜極有效削弱的；
[0012]七.斜槽或斜極都會在轉子上產生一周期性的軸向分力，增加軸承的失效概率，使壽命縮短，還會增加軸向的NVH。
[0013]日產聆風(LEAF)所用的一種轉子分段斜極永磁同步電機如圖3所示，該轉子分段斜極永磁同步電機可以顯著的改善反電勢波形，降低齒槽轉矩和轉矩波動，但對電機的峰值性能也會有所削弱，同時增加轉子的制造復雜度。
【發明內容】
[0014]本發明要解決的技術問題是提供一種永磁同步電機及其轉子，能降低電機凸極效應引起的轉矩波動，并可以提高電機的磁鋼利用率，增強磁鋼的抗退磁性能，而且結構簡單，易于加工制造，成本低。
[0015]為解決上述技術問題，本發明提供的永磁同步電機，其轉子包括鐵芯；所述鐵芯，為圓柱形，鐵芯內部繞軸線均勻設置有P個S極磁鋼片、P個N極磁鋼片，P為正整數；S極磁鋼片同N極磁鋼片相間隔排列；
[0016]所述鐵芯，在位于相鄰S極磁鋼片同N極磁鋼片的中間處的內部沿軸向設置有內部孔。
[0017]較佳的，所述永磁同步電機為分數槽電機；
[0018]所述鐵芯，在位于相鄰S極磁鋼片同N極磁鋼片的中間處的外表面沿軸向設置有q軸表面槽。
[0019]較佳的，所述鐵芯，還在每個磁鋼片處的轉子鐵芯表面設置有兩個d軸表面槽；
[0020]對應于一個磁鋼片的兩個d軸表面槽,對稱分布于該磁鋼片中心線的兩側；
[0021]對應于一個磁鋼片的兩個d軸表面槽的軸線間距，為永磁同步電機的定子齒的齒端寬度的90%到110%。
[0022]較佳的，永磁同步電機為分數槽集中繞組永磁同步電機；
[0023]分數槽集中繞組永磁同步電機的每極每相槽數大于等于1/4并且小于等于1/2。
[0024]較佳的，所述分數槽集中繞組永磁同步電機的定子，有24個定子齒；
[0025]所述鐵芯，內部繞軸線交替均勻設置有8個S極磁鋼片和8個N極磁鋼片。
[0026]較佳的，d軸表面槽的開口寬度，在永磁同步電機的定子齒的齒靴寬度的50%到150%之間；
[0027]d軸表面槽的深度，在氣隙的20 %到80 %之間；
[0028]對應于一個磁鋼片的兩個d軸表面槽的軸線間距，為永磁同步電機的定子齒的齒端寬度的90%、100%或110%。
[0029]為解決上述技術問題，本發明提供的永磁同步電機的轉子，包括一鐵芯；所述鐵芯，為圓柱形，鐵芯內部繞軸線均勻設置有P個S極磁鋼片、P個N極磁鋼片，P為正整數；S極磁鋼片同N極磁鋼片相間隔排列；
[0030]所述鐵芯，在位于相鄰S極磁鋼片同N極磁鋼片的中間處的外表面沿軸向設置有q軸表面槽。
[0031]較佳的，所述永磁同步電機為分數槽電機；
[0032]所述鐵芯，在位于相鄰S極磁鋼片同N極磁鋼片的中間處的外表面沿軸向設置有q軸表面槽。
[0033]較佳的，所述鐵芯，還在每個磁鋼片處的轉子鐵芯表面設置有兩個d軸表面槽；
[0034]對應于一個磁鋼片的兩個d軸表面槽，對稱分布于該磁鋼片中心線的兩側；
[0035]對應于一個磁鋼片的兩個d軸表面槽的軸線間距，為永磁同步電機的定子齒的齒端寬度的90%到110%。
[0036]較佳的，永磁同步電機為分數槽集中繞組永磁同步電機；
[0037]分數槽集中繞組永磁同步電機的每極每相槽數大于等于1/4并且小于等于1/2。
[0038]較佳的，所述分數槽集中繞組永磁同步電機的定子，有24個定子齒；
[0039]所述鐵芯，內部繞軸線交替均勻設置有8個S極磁鋼片和8個N極磁鋼片。
[0040]較佳的，d軸表面槽的開口寬度，在永磁同步電機的定子齒的齒靴寬度的50%到150%之間；
[0041]d軸表面槽的深度，在氣隙的20%到80%之間；
[0042]對應于一個磁鋼片的兩個d軸表面槽的軸線間距，為永磁同步電機的定子齒的齒端寬度的90%、100%或110%。
[0043]本發明的永磁同步電機及其轉子，在轉子鐵芯q軸處內部開孔，一方面可以降低電機凸極效應引起的轉矩波動，并可以有效遏制極間漏磁，提高電機的磁鋼利用率；另一方面，在鐵芯q軸處內部開孔后，q軸磁路的磁阻增大，在相同的定子電流條件下進入磁鋼部分的d軸弱磁反向場變低，增強了磁鋼的抗退磁性能。而且，本發明的永磁同步電機的轉子結構簡單，易于加工制造，成本低。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0044]為了更清楚地說明本發明的技術方案，下面對本發明所需要使用的附圖作簡單的介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0045]圖1是現有一種48槽8極永磁同步電機示意圖；
[0046]圖2是圖1所示永磁同步電機反電勢波形示意圖；
[0047]圖3是現有一種轉子分段斜極永磁同步電機示意圖；
[0048]圖4本發明的永磁同步電機轉子實施例一示意圖；
[0049]圖5本發明的永磁同步電機轉子實施例二示意圖；
[0050]圖6本發明的永磁同步電機轉子實施例三示意圖；
[0051]圖7是齒靴寬度及氣隙示意圖；
[0052]圖8A是轉子不做處理的永磁同步電機的反電勢示意圖；
[0053]圖8B是轉子不做處理的永磁同步電機的齒槽轉矩示意圖；
[0054]圖8C是轉子不做處理的永磁同步電機的轉矩波動示意圖；
[0055]圖9A是轉子鐵芯設有q軸表面槽和q軸內部孔后的永磁同步電機的反電勢不意圖；
[0056]圖9B是轉子鐵芯設有q軸表面槽和q軸內部孔后的永磁同步電機的齒槽轉矩示意圖；
[0057]圖9C是轉子鐵芯設有q軸表面槽和q軸內部孔后的永磁同步電機的轉矩波動示意圖；
[0058]圖1OA是轉子鐵芯設有q軸表面槽和d軸表面槽后的永磁同步電機的反電勢不意圖；
[0059]圖1OB是轉子鐵芯設有q軸表面槽和d軸表面槽后的永磁同步電機的齒槽轉矩示意圖；
[0060]圖1OC是轉子鐵芯設有q軸表面槽和d軸表面槽后的永磁同步電機的轉矩波動示意圖；
[0061]圖1IA是轉子鐵芯設有q軸表面槽和q軸內部孔及d軸表面槽后的永磁同步電機的反電勢示意圖；
[0062]圖1lB是轉子鐵芯設有q軸表面槽和q軸內部孔及d軸表面槽后的永磁同步電機的齒槽轉矩示意圖；
[0063]圖1lC是轉子鐵芯設有q軸表面槽和q軸內部孔及d軸表面槽后的永磁同步電機的轉矩波動示意圖；
[0064]圖12是開設d軸表面槽前后的氣隙磁密幅值示意圖。
【具體實施方式】
[0065]下面將結合附圖，對本發明中的技術方案進行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實施例是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0066]實施例一
[0067]永磁同步電機，其轉子如圖4所示，包括鐵芯I ;
[0068]所述鐵芯1，為圓柱形，鐵芯內部繞軸線均勻設置有P個S極磁鋼片11、P個N極磁鋼片11，P為正整數；S極磁鋼片同N極磁鋼片相間隔排列；
[0069]所述鐵芯1，還在位于相鄰S極磁鋼片同N極磁鋼片的中間處(即轉子q軸處)的內部沿軸向設置有內部孔13。
[0070]實施例一的永磁同步電機，在轉子鐵芯q軸處內部開孔，一方面可以降低電機凸極效應引起的轉矩波動，并可以有效遏制極間漏磁，提高電機的磁鋼利用率；另一方面，在鐵芯q軸處內部開孔后，q軸磁路的磁阻增大，在相同的定子電流條件下進入磁鋼部分的d軸弱磁反向場變低，增強了磁鋼的抗退磁性能。而且，實施例一的永磁同步電機的轉子結構簡單，易于加工制造，成本低。
[0071]實施例二
[0072]基于實施例一的永磁同步電機，所述永磁同步電機為分數槽電機；如圖5所示，所述鐵芯1，在位于相鄰S極磁鋼片同N極磁鋼片的中間處(即轉子q軸處)的外表面沿軸向設置有q軸表面槽12。
[0073]永磁同步電機的平均轉矩T = P [(^iJ(Ld-Lq) idiq]，式中P為電機極對數，Φ?為永磁體基波磁場在定子繞組中產生的磁鏈，id為定子d軸電流，iq為定子q軸電流，Ld為定子繞組的d軸電感、Lq為定子繞組的q軸電感。永磁同步電機的轉矩T主要由兩部分構成，即由永磁材料勵磁磁場和d軸電流作用產生的同步扭矩，和由于d軸、q軸磁路不對稱造成的d軸電感Ld、q軸電感Lq不相等引起的磁阻轉矩組成，磁阻轉矩可提升永磁電機的轉矩/電流密度，但同時往往會使得轉矩波動大幅增加。
[0074]對于分數槽電機(即每極每相槽數為分數的電機，其每極每相槽數
T = Tpm =^ + ?，p為電機極對數，m為相數，Z為定子齒數，b、j、k為正整數，k>j),由于
d軸、q軸磁路不對稱造成的d軸電感Ld、q軸電感Lq不相等引起的磁阻轉矩所占比例不大，所以通過改變轉子q軸磁路的形狀，往往可使轉矩波動大幅降低，而總的合成轉矩保持不變。
[0075]實施例二的永磁同步電機，為分數槽電機，不僅可以降低電機凸極效應引起的轉矩波動，提高電機的磁鋼利用率，增強磁鋼的抗退磁性能，而且通過在轉子鐵芯表面q軸處開槽，改變轉子q軸磁路的形狀，從而可以在總的合成轉矩基本保持不變的情況下，使轉矩波動大幅降低，降低負載工作時電機的轉矩波動水平，尤其是中、高轉矩區域內的轉矩波動。
[0076]較佳的，永磁同步電機為分數槽集中繞組永磁同步電機，其每極每相槽數T大于等于1/4并且小于等于1/2。集中繞組的優點是繞組端接部分縮短，導線用量減少，繞組線圈電阻降低，銅耗減少，電機效率提高，成品降低，制造周期縮短。因為分數槽集中繞組永磁同步電機的繞組節距y = 1，當Z/p范圍在3/2到3之間，即每極每相槽數T大于等于1/4并且小于等于1/2時，同 一線圈的兩個線圈邊感應電動勢相差接近180°，可以得到較高的繞組系數。
[0077]較佳的，所述分數槽集中繞組永磁同步電機的定子，有24個定子齒(Z = 24)，每個定子齒只繞一個線圈；所述鐵芯，內部繞軸線交替均勻分布有8個S極磁鋼片和8個N極磁
鋼片(8對轉子磁極，P = 8，共2p個極)，所以電機的每極每相槽數
【權利要求】
1.一種永磁同步電機，其轉子包括鐵芯；所述鐵芯，為圓柱形，鐵芯內部繞軸線均勻設置有P個S極磁鋼片、P個N極磁鋼片，P為正整數；S極磁鋼片同N極磁鋼片相間隔排列；其特征在于， 所述鐵芯，在位于相鄰S極磁鋼片同N極磁鋼片的中間處的內部沿軸向設置有內部孔。
2.根據權利要求1所述的永磁同步電機，其特征在于， 所述永磁同步電機為分數槽電機； 所述鐵芯，在位于相鄰S極磁鋼片同N極磁鋼片的中間處的外表面沿軸向設置有q軸表面槽。
3.根據權利要求1或2所述的永磁同步電機，其特征在于， 所述鐵芯，還在每個磁鋼片處的轉子鐵芯表面設置有兩個d軸表面槽； 對應于一個磁鋼片的兩個d軸表面槽，對稱分布于該磁鋼片中心線的兩側； 對應于一個磁鋼片的兩個d軸表面槽的軸線間距，為永磁同步電機的定子齒的齒端寬度的90%到110%。
4.根據權 利要求3所述的永磁同步電機，其特征在于， 永磁同步電機為分數槽集中繞組永磁同步電機； 分數槽集中繞組永磁同步電機的每極每相槽數大于等于1/4并且小于等于1/2。
5.根據權利要求4所述的永磁同步電機，其特征在于， 所述分數槽集中繞組永磁同步電機的定子，有24個定子齒； 所述鐵芯，內部繞軸線交替均勻設置有8個S極磁鋼片和8個N極磁鋼片。
6.根據權利要求3所述的永磁同步電機，其特征在于， d軸表面槽的開口寬度，在永磁同步電機的定子齒的齒靴寬度的50%到150%之間； d軸表面槽的深度，在氣隙的20%到80%之間； 對應于一個磁鋼片的兩個d軸表面槽的軸線間距，為永磁同步電機的定子齒的齒端寬度的 90%、100%或 110%。
7.—種永磁同步電機的轉子，包括一鐵芯；所述鐵芯，為圓柱形，鐵芯內部繞軸線均勻設置有P個S極磁鋼片、P個N極磁鋼片，P為正整數；S極磁鋼片同N極磁鋼片相間隔排列；其特征在于， 所述鐵芯，在位于相鄰S極磁鋼片同N極磁鋼片的中間處的外表面沿軸向設置有q軸表面槽。
8.根據權利要求7所述的永磁同步電機的轉子，其特征在于， 所述永磁同步電機為分數槽電機； 所述鐵芯，在位于相鄰S極磁鋼片同N極磁鋼片的中間處的外表面沿軸向設置有q軸表面槽。
9.根據權利要求7或8所述的永磁同步電機的轉子，其特征在于， 所述鐵芯，還在每個磁鋼片處的轉子鐵芯表面設置有兩個d軸表面槽； 對應于一個磁鋼片的兩個d軸表面槽，對稱分布于該磁鋼片中心線的兩側； 對應于一個磁鋼片的兩個d軸表面槽的軸線間距，為永磁同步電機的定子齒的齒端寬度的90%到110%。
10.根據權利要求9所述的永磁同步電機的轉子，其特征在于，永磁同步電機為分數槽集中繞組永磁同步電機； 分數槽集中繞組永磁同步電機的每極每相槽數大于等于1/4并且小于等于1/2。
11.根據權利要求10所述的永磁同步電機的轉子，其特征在于， 所述分數槽集中繞組永磁同步電機的定子，有24個定子齒； 所述鐵芯，內部繞軸線交替均勻設置有8個S極磁鋼片和8個N極磁鋼片。
12.根據權利要求9所述的永磁同步電機的轉子，其特征在于， d軸表面槽的開口寬度，在永磁同步電機的定子齒的齒靴寬度的50%到150%之間； d軸表面槽的深度，在氣隙的20%到80%之間； 對應于一個磁鋼片的兩個d軸表面槽的軸線間距，為永磁同步電機的定子齒的齒端寬度的 90%、100% 110%。
【文檔編號】H02K21/02GK103956874SQ201410169261
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月25日 優先權日:2014年4月25日
【發明者】黃文祥, 韓明, 暴捷, 孔勇進, 蔣大千, 陳益輝, 石佳 申請人:聯合汽車電子有限公司