一种内置式游标永磁电机的制作方法

1.本发明属于电机相关技术领域，更具体地，涉及一种内置式游标永磁电机。


背景技术：

2.传统内置式永磁同步电机具有转矩密度高、调速性能好、效率高等优势，因此内置式永磁同步电机适用于多种场合，例如：电动汽车、航空航天等。
3.现有的内置式永磁电机齿槽转矩与转矩波动较大，齿槽转矩与转矩波动会导致电机的振动噪声。同时，现有设计难以进一步提升内置式永磁电机转矩密度，传统方法如采用先进永磁材料、提升电机散热能力等虽然可提升电机的转矩密度，但不可避免的增加了电机的加工难度与成本。
4.传统内置式永磁电机包括一个定子及一个转子，定子的定子铁芯为半闭口槽；转子包括转子铁芯和一组v形永磁体，相邻v形永磁体的励磁方向相反，该电机极槽配合关系需要满足：永磁体极对数pm＝绕组极对数pa。传统内置式永磁电机的这种结构关系使其线反电势谐波大，且其定子磁场与转子磁场谐波序列没有相互错开而使得耦合效应较强，谐波磁场的耦合作用会导致齿槽转矩与转矩波动较大。传统游标永磁电机的永磁体多为表贴式，这种结构使得其凸极比为1，仅有永磁转矩分量，无磁阻转矩分量，转矩密度低。


技术实现要素：

5.针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种内置式游标永磁电机，其目的在于提升电机的转矩密度。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种内置式游标永磁电机，包括：同轴套装的定子和转子，所述转子包括转子铁芯以及在转子铁芯的圆周均匀分布的多个v形永磁体，在相邻所述v形永磁体之间设置有辐条形永磁体，工作时，相邻v形永磁体之间的励磁方向相反；相邻辐条形永磁体之间的励磁方向相反。
7.进一步地，所述定子包括定子铁芯和电枢绕组，所述定子铁芯为开口槽，所述电枢绕组位于所述开口槽内，所述v形永磁体个数及定子齿数满足以下关系：
8.转子永磁体总极对数＝v形永磁体个数/2，定子齿数＝|转子永磁体总极对数
±
绕组极对数|。
9.进一步地，所述电枢绕组为集中式绕组或分布式绕组。
10.进一步地，所述电枢绕组为单层绕组或双层绕组。
11.进一步地，所述电机的结构为旋转电机结构、直线电机结构或者圆筒电机结构。
12.进一步地，所述定子或转子的材料为实心钢、硅钢片、非晶态铁磁复合材料或者smc软磁复合材料。
13.进一步地，所述定子套装在转子外，或者定子套装在转子内。
14.进一步地，所述电机是电动机或者发电机。
15.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
16.(1)本发明的内置式游标永磁电机，转子永磁体为内置式v形和辐条形，此种结构使得本发明的输出转矩不仅包含永磁转矩分量，还有磁阻转矩分量，而传统游标永磁电机仅具有永磁转矩分量，因此本发明相对于传统游标永磁电机具有更高的转矩密度。
17.(2)另外，本发明中的定子槽为开口槽，定子齿起到磁场调制作用，定子绕组极对数pa≠转子永磁体极对数pm，使得磁场转速增加，这种变极加速效应使得本发明相对于传统内置式永磁电机的转矩密度更高。
18.(3)本发明的内置式游标永磁电机，定子齿的磁场调制作用使得定子磁场与转子磁场的谐波序列相互错开，大部分高次谐波不能相互耦合，而传统内置式永磁电机没有磁场调制作用，其定子磁场与转子磁场谐波序列没有相互错开而使得耦合效应较强，谐波磁场的耦合作用会导致齿槽转矩与转矩波动，所以本发明的齿槽转矩与转矩波动更小。
19.(4)作为优选，v形永磁体与辐条形永磁体产生磁场是串联关系，两者永磁体磁动势相叠加，增强了主磁通，提升转矩密度。
20.总而言之，本发明的内置式游标永磁电机，能够提升电机的转矩密度，且具有更低的齿槽转矩与转矩波动。
附图说明
21.图1为本发明实施例提供的内置式游标永磁电机的结构示意图；
22.图2(a)是本发明实施例提供的内置式游标永磁电机的永磁磁动势波形与傅里叶分解；
23.图2(b)是本发明实施例提供的内置式游标永磁电机的气隙比磁导波形与傅里叶分解；
24.图2(c)是本发明实施例提供的内置式游标永磁电机的空载气隙磁密波形与傅里叶分解；
25.图3(a)是本发明实施例提供的内置式游标永磁电机在内功率因数角为零时的输出转矩波形；
26.图3(b)是本发明实施例提供的内置式游标永磁电机在不同内功率因数角时的平均转矩；
27.图4是本发明实施例提供的内置式游标永磁电机的空载磁力线分布；
28.图5是传统内置式永磁电机的结构示意图；
29.图6(a)是本发明实施例提供的内置式游标永磁电机与传统内置式永磁电机的线反电势波形的对比示意图；
30.图6(b)是本发明实施例提供的内置式游标永磁电机与传统内置式永磁电机的线反电势谐波幅值的对比示意图；
31.图7是本发明实施例提供的内置式游标永磁电机与传统内置式永磁电机的齿槽转矩的对比示意图；
32.图8是本发明实施例提供的内置式游标永磁电机与传统内置式永磁电机的额定转矩的对比示意图；
33.图9是本发明实施例提供的内置式游标永磁电机与传统内置式永磁电机在不同电流密度下平均转矩的对比示意图。
34.在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
35.1-定子铁芯，2-电枢绕组，3-转子铁芯，5-v形永磁体，6-辐条形永磁体。
具体实施方式
36.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
37.在本发明实施方式的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”等指示的方位关系为基于附图所示的方位关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
38.如图1所示，本发明实施例提供的内置式游标永磁电机，该电机包括一个定子及一个转子，定子与转子同轴套装。其中，定子包括：定子铁芯1和位于定子铁芯凹槽内的电枢绕组2，定子铁芯为开口槽；转子包括：转子铁芯3以及在转子铁芯的圆周均匀放置的多个v形永磁体5，在相邻v形永磁体之间放置有辐条形永磁体6，其中，v形开口方向朝向气隙。v形永磁体的励磁方向垂直其表面向上或向下，与之相邻的v形永磁体的励磁方向相反，即：垂直于其表面向下或向上，位于励磁方向向上的v形永磁体左侧的幅条形永磁体，其励磁方向为顺时针；位于励磁方向向下的v形永磁体左侧的幅条形永磁体，其励磁方向为逆时针。即相邻v形永磁体之间的励磁方向相反，依次为向上或向下；相邻辐条形永磁体之间的励磁方向相反，依次为顺指针或逆时针，v形永磁体与辐条形永磁体产生磁场是串联关系，两者永磁体磁动势相叠加，增强了主磁通，提升转矩密度。该电机极槽配合关系满足：转子永磁体总极对数pm＝v形永磁体个数/2，定子齿数zs＝|转子永磁体总极对数pm
±
绕组极对数pa|。
39.本实施例中，电枢绕组为集中式绕组或分布式绕组；所述电枢绕组为单层绕组或双层绕组；根据不用的应用场景，定子和转子同轴套装为定子套装在转子外，或者定子套装在转子内；电机的结构为旋转电机结构、直线电机结构或者圆筒电机结构；定子或转子的材料为实心钢、硅钢片、非晶态铁磁复合材料或者smc软磁复合材料，其中，v形永磁体材料与辐条形永磁体材料可相同或不同；电机是电动机或者发电机。
40.为了对本发明进行进一步的详细说明，以转子永磁体总极对数pm＝4，定子齿数zs＝6，绕组极对数pa＝2这一极槽配合为例进行说明。如图2(a)所示，在内置式游标永磁电机中，永磁体磁动势主要有4对极，因为永磁体极对数pm＝4，定子齿数zs＝6，所以气隙比磁导主要有直流项(0对极)和6对极，如图2(b)所示。经过定子齿的磁场调制作用后，可以得到空载气隙磁密，如图2(c)所示，气隙磁密的极对数主要有：4－0＝4对极，|4－6|＝2对极。由于绕组极对数pa＝2，所以2对极气隙磁密可以在绕组中感应产生反电势；由于4对极气隙磁密是齿谐波，所以也可以在绕组中感应产生反电势。因此，2对极与4对极气隙磁密均为工作磁密。由上述可见，使得本发明提供的内置式游标永磁电机具备磁场调制工作特性，磁场调制所具备的变极加速效应使得本发明具有更高的转矩密度。
41.本发明中的转子永磁体为内置式v形和辐条形，此种结构使得本发明的输出转矩不仅包含永磁转矩分量，还有磁阻转矩分量。而传统游标永磁电机仅具有永磁转矩分量，因
此本发明相对于传统游标永磁电机具有更高的转矩密度。
42.传统游标永磁电机的凸极比为1，在内功率因数角为零时输出转矩最大，因此，传统游标永磁电机仅有永磁转矩分量，无磁阻转矩分量。而本发明实施例中的转子永磁体总极对数pm＝4，绕组极对数pa＝2，极比pm/pa》1，使得本发明提供的内置式游标永磁电机不仅有永磁转矩分量，还有磁阻转矩分量，能够提升转矩密度。图3(a)为本发明在内功率因数角为零时的输出转矩，图3(b)展示了本发明在不同内功率因数角时的平均转矩，可以看到当内功率因数角为20度左右时，输出转矩最大，此时输出转矩既包含永磁转矩分量也有磁阻转矩分量。因此，本发明提供的内置式游标永磁电机具有更高的转矩密度。进一步地，图4展示了本发明提供的内置式游标永磁电机的空载磁力线分布，可以看到，v形永磁体与辐条形永磁体产生磁场是串联关系，两者永磁体磁动势相叠加，增强了主磁通，进一步提升了转矩密度。
43.图5是传统内置式永磁电机示意图，图6(a)对比了本发明提供的内置式游标永磁电机与传统内置式永磁电机的线反电势波形，图6(b)对比了线反电势谐波幅值，可以看到，本发明的线反电势谐波更小，使得转矩波动更小。图7对比了本发明提供的内置式游标永磁电机与传统内置式永磁电机的齿槽转矩，可以看到，本发明的齿槽转矩更小。图8对比了本发明提供的内置式游标永磁电机与传统内置式永磁电机的额定转矩，可以看到，本发明的转矩波动更小。由于本发明实施例中，定子绕组极对数pa≠转子永磁体总极对数pm，使得定子磁场与转子磁场的谐波序列相互错开，大部分高次谐波不能相互耦合，而传统内置式永磁电机没有磁场调制作用，其定子磁场与转子磁场谐波序列没有相互错开而使得耦合效应较强，谐波磁场的耦合作用会导致齿槽转矩与转矩波动，所以本发明的齿槽转矩与转矩波动更小。
44.图9对比了本发明提供的内置式游标永磁电机与传统内置式永磁电机在不同电流密度下平均转矩。可以看到，本发明从轻载到过载均具有更高的转矩密度。这是由于一方面，本发明转子永磁体总极对数pm＝4，绕组极对数pa＝2，极比pm/pa》1，而对于传统内置式永磁电机，转子永磁体总极对数pm＝绕组极对数pa，极比pm/pa＝1。极比越高，转矩密度越高。另一方面，本发明v形永磁体与辐条形永磁体处于串联关系，两者永磁体磁动势相叠加，增强了主磁通和转矩密度；而对于传统内置式永磁电机，仅有v形永磁体，主磁通更小，转矩密度更小。
45.本发明的内置式游标永磁电机，转子永磁体为内置式v形和辐条形，带来了磁阻转矩；并且，其定子槽为开口槽，定子齿起到磁场调制作用，因此所述电机具有更高的转矩密度；同时磁场调制作用使得定转子谐波序列相互错开，带来了更低的齿槽转矩与转矩波动。
46.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。