电机转子及具有其的永磁辅助同步磁阻电机、汽车的制作方法

1.本发明属于电机制造技术领域，具体涉及一种电机转子及具有其的永磁辅助同步磁阻电机、汽车。


背景技术：

2.汽车性能指标有动力性、经济性、制动性、平顺性、可靠性以及排放污染物等指标。新能源汽车因其自身特点很好的满足了这些性能需求。
3.新能源汽车的核心动力装置大多为永磁同步电机。相比电励磁，永磁同步电机转子不需要外加能量即可产生磁场，节约了励磁所需的能量，提高了效率，且省去了传统电励磁电机所需要的励磁绕组、电刷以及换向器等结构，使得电机结构得以简化，运行可靠性更高；通过拓扑结构进行磁路优化，可降低电机运行谐波以及转矩脉动，运行平顺性提高，降低噪声；电机通过电能驱动，无排放污染，制动时可作为发电机进行能量回收，提高使用经济性以及续航能力等。
4.为了追求更高的输出转矩及功率密度，目前新能源汽车电机多采用磁能更强的稀土永磁材料如钕铁硼，此类永磁材料磁能积、矫顽力及剩磁密度均较高，借此可设计出小体积高性能的永磁同步电机。然而稀土资源有限、价格昂贵，大约占电机成本20％～30％，因此，国内外研究者将目光投到价格更为低廉的铁氧体永磁材料，开展了对铁氧体永磁辅助同步磁阻电机的研究。
5.铁氧体的磁性能比稀土材料差，磁能积、剩磁密度及矫顽力等性能较低，且相对稀土永磁电机，铁氧体励磁磁密较低，输出转矩更多以磁阻转矩为主，气隙磁密分布较难调节，空载反电动势波形相比稀土永磁同步电机更难调节。在设计铁氧体辅助同步磁阻电机时如何保证电机性能、降低退磁风险是研究重点。


技术实现要素：

6.因此，本发明提供一种电机转子及具有其的永磁辅助同步磁阻电机、汽车，能够克服相关技术中的铁氧体辅助同步磁阻电机中转子铁芯上的永磁体退磁风险较大的不足。
7.为了解决上述问题，本发明提供一种电机转子，包括转子铁芯，在所述转子铁芯的径向面上投影，所述转子铁芯具有多个磁极，在同一磁极下，所述转子铁芯上构造有关于该磁极d轴对称的u形磁钢槽及v形磁钢槽，所述v形磁钢槽及u形磁钢槽的开口皆朝向所述转子铁芯外圆一侧且所述v形磁钢槽处于所述u形磁钢槽的开口内，所述u形磁钢槽靠近所述转子铁芯外圆的端部形成有与该磁钢槽连通的第一端部空气槽，所述第一端部空气槽的周向宽度沿所述转子铁芯的径向由内向外减小，两个所述第一端部空气槽形成朝向所述转子铁芯外圆一侧的开口；和/或，所述v形磁钢槽靠近所述转子铁芯外圆的端部形成有与该磁钢槽连通的第二端部空气槽，所述第二端部空气槽的周向宽度沿所述转子铁芯的径向由内向外减小，两个所述第二端部空气槽形成朝向所述转子铁芯外圆一侧的开口。
8.在一些实施方式中，所述第一端部空气槽具有分别处于所述转子铁芯的周向内侧
及外侧的第一内侧槽壁、第一外侧槽壁，所述u形磁钢槽内装设有截面呈矩形的第一铁氧体磁钢，所述第一内侧槽壁与所述第一铁氧体磁钢的径向外端面之间形成第一夹角
△
4，所述第一外侧槽壁与所述第一铁氧体磁钢的径向外端面之间形成第二夹角
△
5，
△
4＞
△
5。
9.在一些实施方式中，当所述转子铁芯的外径r1＝50mm～100mm时，
△
4＝130
°
～150
°
，
△
5＝100
°
～120
°
。
10.在一些实施方式中，所述第二端部空气槽具有分别处于所述转子铁芯的周向内侧及外侧的第二内侧槽壁、第二外侧槽壁，所述v形磁钢槽内装设有截面呈矩形的第二铁氧体磁钢，所述第二内侧槽壁与所述第二铁氧体磁钢的径向外端面之间形成第三夹角
△
2，所述第二外侧槽壁与所述第二铁氧体磁钢的径向外端面之间形成第四夹角
△
3，
△
2＞
△
3。
11.在一些实施方式中，当所述转子铁芯的外径r1＝50mm～100mm时，
△
2＝120
°
～150
°
，
△
3＝120
°
～140
°
。
12.在一些实施方式中，所述v形磁钢槽的夹角为
△
1，当所述转子铁芯的外径r1＝50mm～100mm时，
△
1＝40
°
～70
°
。
13.在一些实施方式中，所述u形磁钢槽的径向内侧端部与所述转子铁芯的轴孔孔壁的径向最小距离为l1，当所述转子铁芯的外径r1＝50mm～100mm时，l1＝(0.1～0.14)*r1；和/或，所述v形磁钢槽的径向内侧端部与所述转子铁芯的轴孔孔壁的径向最小距离为l2，当所述转子铁芯的外径r1＝50mm～100mm时，l2＝(0.42～0.46)*r1。
14.在一些实施方式中，所述u形磁钢槽的周向外槽壁与与之相邻的q轴之间具有均一的距离l3，l3＝2mm～4mm。
15.在一些实施方式中，所述转子铁芯上还构造有关于所述d轴对称的u形空气槽，所述u形空气槽的开口朝向所述转子铁芯外圆一侧且处于所述v形磁钢槽的开口内。
16.在一些实施方式中，所述u形空气槽包括与所述d轴垂直的第一槽段以及处于所述第一槽段的两端朝向所述转子铁芯外圆一侧延伸的侧壁槽段，两个所述侧壁槽段形成的夹角为
△
6，当所述转子铁芯的外径r1＝50mm～100mm时，
△
6＝80
°
～110
°
；和/或，所述u形空气槽的径向内侧端部与所述转子铁芯的轴孔孔壁的径向最小距离为l6，当所述转子铁芯的外径r1＝50mm～100mm时，l6＝(0.65～0.67)*r1。
17.在一些实施方式中，所述第一槽段的周向长度为l4，当所述转子铁芯的外径r1＝50mm～100mm时，l4＝8mm～10mm；和/或，所述第一槽段的径向宽度为l5，当所述转子铁芯的外径r1＝50mm～100mm时，l5＝1mm～4mm。
18.在一些实施方式中，所述u形空气槽内设有第三铁氧体磁钢。
19.本发明还提供一种永磁辅助同步磁阻电机，包括上述的电机转子。
20.本发明还提供一种汽车，包括上述的永磁辅助同步磁阻电机。
21.本发明提供的一种电机转子及具有其的永磁辅助同步磁阻电机、汽车，通过将v形磁钢槽及u形磁钢槽的径向外侧端部的空气槽的周向宽度设置为渐缩结构(逐步缩窄)，优化了空载反电动势的波形及峰值负载输出转矩的稳定性(降低了转矩脉动)，尤其是优化负载工况下磁路，减小直接穿过磁钢的磁通及磁场强度，降低磁钢退磁风险。
附图说明
22.图1为本发明实施例的电机转子的一磁极下的结构示意图(轴向投影)；
23.图2为图1中的电机转子的尺寸标注图；
24.图3为现有技术中的电机转子峰值负载磁钢磁场强度分布图；
25.图4为本发明的实施例1的电机转子峰值负载磁钢磁场强度分布图；
26.图5为本发明的实施例1的电机转子输出转矩；
27.图6为本发明的实施例2的电机转子输出转矩；
28.图7为本发明的实施例2的电机转子空载反电动势波形。
29.附图标记表示为：
30.1、转子铁芯；21、u形磁钢槽；22、第一端部空气槽；221、第一内侧槽壁；222、第一外侧槽壁；23、第一铁氧体磁钢；31、v形磁钢槽；32、第二端部空气槽；321、第二内侧槽壁；322、第二外侧槽壁；33、第二铁氧体磁钢；41、u形空气槽。
具体实施方式
31.实施例1：
32.结合参见图1至图7所示，根据本发明的实施例，提供一种电机转子，包括转子铁芯1，在转子铁芯1的径向面上投影，转子铁芯1具有多个磁极，在同一磁极下，转子铁芯1上构造有关于该磁极d轴对称的u形磁钢槽21及v形磁钢槽31，v形磁钢槽31及u形磁钢槽21的开口皆朝向转子铁芯1外圆一侧且v形磁钢槽31处于u形磁钢槽21的开口内，u形磁钢槽21靠近转子铁芯1外圆的端部形成有与该磁钢槽连通的第一端部空气槽22，第一端部空气槽22的周向宽度沿转子铁芯1的径向由内向外减小，两个第一端部空气槽22形成朝向转子铁芯1外圆一侧的开口；和/或，v形磁钢槽31靠近转子铁芯1外圆的端部形成有与该磁钢槽连通的第二端部空气槽32，第二端部空气槽32的周向宽度沿转子铁芯1的径向由内向外减小，两个第二端部空气槽32形成朝向转子铁芯1外圆一侧的开口。该技术方案中，通过将v形磁钢槽31及u形磁钢槽21的径向外侧端部的空气槽的周向宽度设置为渐缩结构(逐步缩窄)，优化了空载反电动势的波形及峰值负载输出转矩的稳定性(降低了转矩脉动)，尤其是优化负载工况下磁路，减小直接穿过磁钢的磁通及磁场强度，降低磁钢退磁风险。
33.第一端部空气槽22具有分别处于转子铁芯1的周向内侧及外侧的第一内侧槽壁221、第一外侧槽壁222，u形磁钢槽21内装设有截面呈矩形的第一铁氧体磁钢23，第一内侧槽壁221与第一铁氧体磁钢23的径向外端面之间形成第一夹角
△
4，第一外侧槽壁222与第一铁氧体磁钢23的径向外端面之间形成第二夹角
△
5，
△
4＞
△
5，具体的，当转子铁芯1的外径r1＝50mm～100mm时，
△
4＝130
°
～150
°
，
△
5＝100
°
～120
°
。如此能够进一步提升电机的性能，具体的，提升电机的性能主要从对空载反电动势谐波含量以及转矩性能优化(提升转矩、降低脉动)上描述的，大致理论为设计的结构改善磁路磁阻分布，转子在气隙产生的磁场比较正弦，反电动势波形也较为正弦；沿着气隙磁场强度突变较小，从而降低转矩脉动。
34.在一些实施方式中，第二端部空气槽32具有分别处于转子铁芯1的周向内侧及外侧的第二内侧槽壁321、第二外侧槽壁322，v形磁钢槽31内装设有截面呈矩形的第二铁氧体磁钢33，第二内侧槽壁321与第二铁氧体磁钢33的径向外端面之间形成第三夹角
△
2，第二外侧槽壁322与第二铁氧体磁钢33的径向外端面之间形成第四夹角
△
3，
△
2＞
△
3，具体的，当转子铁芯1的外径r1＝50mm～100mm时，
△
2＝120
°
～150
°
，
△
3＝120
°
～140
°
。如此能够进一步提升电机的性能。
35.在一些实施方式中，v形磁钢槽31的夹角为
△
1，当转子铁芯1的外径r1＝50mm～100mm时，
△
1＝40
°
～70
°
。如此能够进一步提升电机的性能。
36.在一些实施方式中，u形磁钢槽21的径向内侧端部与转子铁芯1的轴孔孔壁的径向最小距离为l1，当转子铁芯1的外径r1＝50mm～100mm时，l1＝(0.25～0.35)*r1，该尺寸描述了最底层磁钢与转子中心(也即轴孔中心)的距离，该距离过大，则对于转子冲片的空间利用率太小，距离过小则转子强度无法保证，也即该数值范围选择在保证转子冲片具有较高的空间利用率的同时保证转子强度。
37.v形磁钢槽31的径向内侧端部与转子铁芯1的轴孔孔壁的径向最小距离为l2，当转子铁芯1的外径r1＝50mm～100mm时，l2＝(0.6～0.7)*r1。在该范围区间变动，其转矩性能以及反电动势波形综合表现较好。
38.在一些实施方式中，u形磁钢槽21的周向外槽壁与与之相邻的q轴之间具有均一的距离l3，l3＝2mm～4mm。l3为交轴(q轴)磁路的宽度(一半)，该尺寸对交轴电感影响较大，磁阻转矩的大小主要是由交直轴电感差值(一般是交轴电感大于直轴电感)决定，在有限的设计空间内(转子半径受到约束)，交轴磁路宽度设计也受到一定限制，太小的话，转子强度问题无法保证，且交轴电感会降低。
39.具体参见图3及图4的对比可得，相同工况下，本发明的电机转子整体颜色变浅，也即磁钢上的磁场强度降低了，而由于施加在磁钢上的反向磁场过强容易导致磁钢不可逆退磁，因此本发明的电机转子有助于降低磁钢的退磁风险。
40.实施例2：
41.在实施例1的基础上，转子铁芯1上还构造有关于d轴对称的u形空气槽41，u形空气槽41的开口朝向转子铁芯1外圆一侧且处于v形磁钢槽31的开口内。如此，同一磁极下，电机转子沿其径向由内而外分布着u型、v型、u型三层磁钢槽，本发明方案仅在第一、二层磁钢槽中放置磁钢，uv型的磁钢结构有助利于聚磁，提高电机转矩性能，第三层也即u形空气槽41中未放置磁钢(可在第三层中放置磁钢)，其能够进一步优化磁路，能够降低峰值负载下的转矩脉动的目的，结合参见图5及图6可得，设置u形空气槽41后，电机转子的转矩脉动从6.9％降低到3％，降幅56.5％。
42.在一些实施方式中，u形空气槽41包括与d轴垂直的第一槽段以及处于第一槽段的两端朝向转子铁芯1外圆一侧延伸的侧壁槽段，两个侧壁槽段形成的夹角为
△
6，当转子铁芯1的外径r1＝50mm～100mm时，
△
6＝80
°
～110
°
。所述u形空气槽41的径向内侧端部与所述转子铁芯1的轴孔孔壁的径向最小距离为l6，当所述转子铁芯1的外径r1＝50mm～100mm时，l6＝(0.65～0.67)*r1。如此能够进一步提升电机的性能。
43.在一些实施方式中，第一槽段的周向长度为l4，当转子铁芯1的外径r1＝50mm～100mm时，l4＝8mm～10mm；和/或，第一槽段的径向宽度为l5，当转子铁芯1的外径r1＝50mm～100mm时，l5＝1mm～4mm。如此能够进一步提升电机的性能。
44.结合参见图3至图7所示，本发明通过合理的磁路设计以及靠近转子外圆u型空气槽41的设计，空载反电动势正弦度高(谐波含量3％以下)，负载工况转矩性能优秀，相比原有未添加u型空气槽设计，转矩脉动降低了56.5％以上，控制在3％。靠近转子外圆磁钢槽的端部(也即端部空气槽)采用渐变细的结构设计，优化大转矩负载工况下磁路，减小穿过磁钢磁场强度，降低磁钢退磁风险。
45.当然，在一些实施方式中，u形空气槽41内还也可以设有第三铁氧体磁钢，以进一步增强转子磁链，提高输出转矩。
46.需要说明的是，在各个磁钢槽、空气槽的端部或者分段之间具有合适尺寸的磁桥，磁桥宽度根据实际的需要设置在0.8mm～1.2mm之间即可。
47.根据本发明实施例，还提供一种永磁辅助同步磁阻电机，包括上述的电机转子。
48.根据本发明实施例，还提供一种汽车，包括上述的永磁辅助同步磁阻电机。
49.本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。
50.以上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。以上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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。