CN103280904A - 电动汽车用双层v型内置式永磁电机转子 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电动汽车用双层V型内置式永磁电机转子，在转子铁芯上沿圆周方向均匀间隔地设置多组在径向上呈内、外双层的永磁槽，所述永磁槽内均匀镶有一块或多块V型磁化条状磁钢。并通过对内层V型磁钢的极弧角、外层V型磁钢的夹角、内外层磁钢宽度比例和外层钳形永磁槽与外层磁钢的夹角等结构的优化，使气隙磁密波形更接近正弦分布、减小谐波分量，改善电机气隙磁场波形，提高齿槽转矩波动的基波次数，减小齿槽基波和高次谐波转矩幅值，降低齿槽引起的转矩波动，使电机合成转矩波动大幅降低，同时显著增加磁阻转矩，提高电机凸极率和弱磁扩速能力，获得比表面安装式永磁电机更宽广的恒功率速度范围，满足电动、混合动力汽车驱动要求。

Description

电动汽车用双层V型内置式永磁电机转子

技术领域

本发明涉及电动汽车用双层V型内置式永磁电机，尤其涉及一种高效、高出力、高功率密度、高可靠性、高过载能力、低波动、低噪、小型轻量化和平稳运行的转子，属于电机技术领域。

背景技术

电机驱动控制系统是电动汽车行驶过程中的主要执行结构，其传动系统是电动汽车的心脏，电动汽车中的燃料电池汽车（FCV）、混合动力汽车（HEV）和纯电动汽车（EV）三大类都要用电动机来驱动车轮行驶，优化电机结构是提高各类电动汽车性价比的重要因素。

目前在适用于电动汽车用高品质永磁驱动电机开发方面，还存在着各种各样的技术瓶颈，存在噪音大、转矩波动大、功率密度低、弱磁扩速难、过载能力低和可靠性差等缺陷，难以满足产业化的要求。

由电磁原因引起的转矩波动，产生机械和电磁噪音，影响电机平稳运行和可靠性，它分为两种：一种是齿槽转矩，即定子齿槽与转子永磁体相互作用产生的转矩，该转矩随空间位置作周期性变化引起波动，它与定子电流无关；另一种是纹波转矩，即由电流和反电势波形差异引起的谐波转矩。车用永磁同步电机的转矩波动是齿槽转矩和纹波转矩的叠加。世界各国电机行业和科研单位均在进行力图降低电机转矩波动的研究，如采用分数槽法、辅助槽法、辅助齿法、斜槽法、斜极法、闭口槽法和磁化槽楔法等，各有利弊，消除齿槽效应措施总不理想。斜槽或斜极也可以减小转矩波动，但斜槽、斜极法对方波电机气隙磁感应强度平顶宽度有影响，同时定子斜槽会影响导体的占槽面积，使铜耗增加，两者均降低出力，并使电机的结构复杂。

图1是现有技术的内置式一字型永磁同步电机（IPMSM）剖面图，该车用驱动电机，包括机壳和机壳内的定子和转子，定子包括固定在机壳内壁的定子铁芯和定子绕组，定子铁芯上包含定子磁轭5、定子槽6和定子齿7，转子包括转轴和转子铁芯3，转子铁芯内圆周方向径向均匀开有单层永磁槽2，均匀镶有径向磁化矩形条状磁钢1。

上述现有技术的内置式永磁同步电机，与表面贴装式相比的优点是转子为典型的凸极结构，交轴电感大于直轴电感（Lq＞Ld），有凸极效应，凸极率=（Lq/Ld）＞1，使电机在永磁转矩的基础上迭加了磁阻转矩，磁阻转矩的存在有助于提高电机的起动特性、过载能力和功率密度，易于弱磁调速，扩大恒功率范围运行。但是单层一字型或V型内置式永磁电机，气隙磁密波形不能实现正弦分布，使相感应电动势存在3、5、7、11、13次等高次谐波，较多的谐波分量，引起较大的转矩脉动，而且单层内置式永磁d轴与q轴磁阻相差不大，产生的磁阻转矩有限，弱磁扩速能力、效率和功率密度等，难以满足现代车用驱动电机的性能要求。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种电动汽车用双层V型内置式永磁电机转子，可增加磁阻转矩，提高电机凸极率、弱磁扩速能力，使电机能高功率、低波动、宽调速、快响应的平稳运行。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现：

一种电动汽车用双层V型内置式永磁电机转子，其特征在于，在转子铁芯上沿圆周方向均匀间隔地设置多组在径向上呈内、外双层的永磁槽，所述永磁槽内均匀镶有一块或多块磁化条状磁钢。

所述永磁槽及其内部所镶的磁化条状磁钢形成V型；内、外两层的V型永磁槽、V型磁钢间距相等。

每组双层的V型磁化条状磁钢与极靴构成一永磁磁极。

在所述永磁磁极间设置隔磁磁桥。

内层V型磁钢的极弧角α1的范围为24°-27.5°。

外层V型磁钢的夹角α2的范围为155°-160°。

沿永磁槽走向的内层磁钢宽度PM2与外层磁钢宽度PM1的关系为：PM1=(0.78-0.8)PM2。

外层永磁槽的两端为钳形。

外层钳形永磁槽与其内所镶的磁钢的夹角β的范围为：42°-48°。

镶在永磁槽内的磁钢厚度大于该永磁槽的厚度。

本发明所达到的有益效果：

本发明的永磁电机转子结构改善电机气隙磁场波形，提高齿槽转矩波动的基波次数，减小齿槽基波和高次谐波转矩幅值，降低齿槽引起的转矩波动，使电机合成转矩波动大幅降低，同时显著增加磁阻转矩，提高电机凸极率和弱磁扩速能力，获得比表面安装式永磁电机更宽广的恒功率速度范围，满足电动、混合动力汽车驱动要求。

附图说明

图1：现有技术的内置式一字型永磁同步电机（IPMSM）剖面图；

图2：本发明的双层V型内置式永磁电机转子的一实施例的剖面图；

图3.：本发明的双层V型内置式永磁电机转子的另一实施例的剖面图；

图4：本发明的双层V型内置式永磁电机转子的又一实施例的剖面图；

图5：图2的电机转子结构即优化前齿槽转矩与旋转角关系示意图；

图6：图2的电机转子结构优化极弧角α1后齿槽转矩与旋转角关系示意图；

图7：图2的电机转子结构优化极弧角α1+夹角α2后齿槽转矩与旋转角关系示意图；

图8：图2的电机转子结构优化极弧角α1+夹角α2、内外双层磁钢宽度PM和外层永磁槽与磁钢夹角β后齿槽转矩与旋转角关系示意图；

图9：本发明的转子结构优化前电机的电流、功率、效率与转矩角关系曲线；

图10：本发明的转子结构综合优化后电机的电流、功率、效率与转矩角关系曲线。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作详细说明。

实施例1

图2是本发明的双层V型内置式永磁电机转子的一实施例的剖面图，该转子包括转轴（图中未示出）和转子铁芯3，转子铁芯3内圆周方向径向均匀开有内、外双层永磁槽2a、2b，永磁槽2a、2b内均匀镶有两块矩形条状磁钢1a、1b，每层的磁钢1a、1b为相互独立分离的两块磁钢，两块磁钢组成V型，形成内、外双层V型径向磁化矩形条状磁钢1a、1b，称为双层V型内置式永磁（IPM）。由双层V型径向磁化矩形条状磁钢与极靴8构成永磁磁极，使转子磁钢引起的离心力大大降低。

在双层V型内置式磁钢两端与转子外缘间设置隔磁磁桥9，优化磁桥宽度，保证机械强度并形成饱和磁路，减少漏磁。每极双层两端共四处隔磁磁桥9在永磁槽2a、2b的外面，与永磁槽2a、2b共同抵抗漏磁。同时，由于抗高速离心力的能力增强，隔磁磁桥9可以设计的更窄，漏磁通更少，气隙磁密倍增，显著提高电机效率、过载能力、转矩密度和功率密度，增加磁阻转矩，提高弱磁扩速能力。

以电动大巴用60KW电机的转子为例，采用上述本发明的电机转子结构齿槽力矩Tcog与旋转角θ关系如图5所示，齿槽力矩Tcog峰值为16.5Nm。

实施例2

在实施例1的基础上，本实施例对转子的结构进行优化。

优化内层V型磁钢1b的极弧角α1：

通过调节内层V型磁钢1b的极弧角α1，按电机12极计，控制极弧角α1的角度范围为：24°-27.5°，其他与实施例1相同。

本实施例中仍以电动大巴用60KW电机的转子为例，采用本实施例优化的电机转子结构齿槽力矩Tcog与旋转角θ关系如图6所示，齿槽力矩Tcog峰值为13Nm。

极弧角α1优化后的效果：结合图5、图6，可以看出，极弧角α1优化后使齿槽力矩Tcog峰值从优化前（实施例1中为未优化的初始结构）的16.5Nm降低至优化后的13Nm，齿槽力矩Tcog降低21.2%。

实施例3

在实施例2的基础上，本实施例对转子的结构进行进一步优化。

在优化内层V型磁钢1b的极弧角α1的同时，再调节外层V型磁钢1a间的夹角α2，控制夹角α2的范围为：155°-160°。其他与实施例2相同。

本实施例中仍以电动大巴用60KW电机的转子为例，采用本实施例优化的电机转子结构齿槽力矩Tcog与旋转角θ关系如图7所示，齿槽力矩Tcog峰值为10.85Nm。

极弧角α1与夹角α2优化后的效果：结合图5、图7，可以看出，极弧角α1与夹角α2优化后使齿槽力矩Tcog峰值从优化前（初始结构）的16.5Nm降低至10.85Nm，Tcog降低34.2%。

实施例4

在实施例3的基础上，本实施例对转子的结构进行更进一步优化。

在优化内层V型磁钢1b的极弧角α1、外层V型磁钢1a间的夹角α2的同时，通过调节内层磁钢1b的宽度PM2与外层磁钢1a的宽度PM1的比例，控制PM1=(0.78-0.8)PM2，其他与实施例3相同。

本实施例中仍以电动大巴用60KW电机的转子为例，采用本实施例优化的电机转子结构齿槽力矩Tcog峰值为1.69Nm（图省略）。

极弧角α1、夹角α2、磁钢宽度比例优化后的效果：极弧角α1、夹角α2和磁钢宽度比例优化后使齿槽力矩Tcog峰值从优化前（初始结构）的16.5Nm降低至1.69Nm，Tcog降低89.7%。

实施例5

图3是本发明的双层V型内置式永磁电机转子的另一实施例的剖面图。

转子铁芯3内圆周方向径向均匀开有内、外双层永磁槽，在实施例1的基础上，本实施例中，外层永磁槽为钳形永磁槽2c，永磁槽2a、2c内均匀镶有两块矩形条状磁钢1a、1b，形成内、外双层V型径向磁化矩形条状磁钢1a、1b。

并且，以实施例4中的优化方式，对图3的具有外层钳形永磁槽2c的双层V型内置式永磁电机转子进行进一步优化，通过调节图3外层钳形永磁槽2c与外层矩形条状磁钢1a的夹角β，控制夹角β的范围为：42°-48°，使齿槽力矩Tcog峰值从实施例1中的16.5Nm降低至0.78Nm，Tcog降低95%，参见图8。

特别要强调：本实施例中的钳形永磁槽2c与外层矩形条状磁钢1a的夹角β对抑制反电势总谐波失真THD和减少振动与噪音非常有效。至此，优化了α1+α2+PM+β，称为综合优化。采用优化技术降低齿槽力矩Tcog波动的效果对比见表1。

表1：采用优化技术降低齿槽力矩Tcog波动的效果

实施例6

图4是本发明的双层V型内置式永磁电机转子的又一实施例的剖面图，该转子包括转轴（图中未示出）和转子铁芯3，转子铁芯3内圆周方向径向均匀开有内、外双层永磁槽2d，永磁槽内均匀镶有多块条状磁钢1c。

其结构特点：与实施例1、实施例5的结构不同的是：磁钢1c厚度大于永磁槽2d厚度，不但抗高速离心力的能力增强，而且气隙磁密增加，从而提高电机了的功率密度、转矩密度和过载能力。

本实施例中，磁钢1c共由10块尺寸相同的径向磁化矩形条状磁钢构成，结构简单、加工成本降低、有利于批量生产。

采用实施例1、实施例5的结构，对电动大巴用60KW内置式永磁同步电机进行优化设计，60KW电机的电流I、功率P、效率η与转矩角θn关系曲线如图9所示。

图10是本发明结构60KW电机综合优化后电流I、功率P、效率η与转矩角θn关系曲线，结果说明如表2所示。

表2：电动大巴用60KW内置式永磁同步电机，采用优化技术前后的性能比较

上述措施，改善电机气隙磁场波形，提高齿槽转矩波动的基波次数，减小齿槽基波和高次谐波转矩幅值，降低齿槽引起的转矩波动，使电机合成转矩波动大幅降低，同时显著增加磁阻转矩，提高电机凸极率和弱磁扩速能力，获得比表面安装式永磁电机和单层内置式永磁电机更宽广的恒功率速度范围，满足电动、混合动力汽车驱动要求。

以已经生产的电动大巴用60KW电机优化设计为例，使齿槽转矩降低85%-95%，额定电流减小16.6%，峰值功率增加57%，效率提高3.2%，振动与噪音减少8%-10%，有效抑制反电势总谐波失真（THD）和静态、动态电枢反应，使d轴与q轴径向力趋于平衡，降低机械振动，抗高速离心力，提高过载能力，有利于电机频繁启动；使电机具有高出力、高可靠性、高过载能力和功率密度、低波动、快响应、低噪、小型轻量化和平稳运行等特点。

以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电动汽车用双层V型内置式永磁电机转子，其特征在于，在转子铁芯上沿圆周方向均匀间隔地设置多组在径向上呈内、外双层的永磁槽，所述永磁槽内均匀镶有一块或多块磁化条状磁钢。

2.根据权利要求1所述的电动汽车用双层V型内置式永磁电机转子，其特征在于，所述永磁槽及其内部所镶的磁化条状磁钢形成V型；内、外两层的V型永磁槽、V型磁钢间距相等。

3.根据权利要求2所述的电动汽车用双层V型内置式永磁电机转子，其特征在于，每组双层的V型磁化条状磁钢与极靴构成一永磁磁极。

4.根据权利要求3所述的电动汽车用双层V型内置式永磁电机转子，其特征在于，在所述永磁磁极间设置隔磁磁桥。

5.根据权利要求2所述的电动汽车用双层V型内置式永磁电机转子，其特征在于，内层V型磁钢的极弧角α1的范围为24°-27.5°。

6.根据权利要求2或5所述的电动汽车用双层V型内置式永磁电机转子，其特征在于，外层V型磁钢的夹角α2的范围为155°-160°。

7.根据权利要求6所述的电动汽车用双层V型内置式永磁电机转子，其特征在于，沿永磁槽走向的内层磁钢宽度PM2与外层磁钢宽度PM1的关系为：PM1=(0.78-0.8)PM2。

8.根据权利要求2所述的电动汽车用双层V型内置式永磁电机转子，其特征在于，外层永磁槽的两端为钳形。

9.根据权利要求8所述的电动汽车用双层V型内置式永磁电机转子，其特征在于，外层钳形永磁槽与其内所镶的磁钢的夹角β的范围为：42°-48°。

10.根据权利要求1或2所述的电动汽车用双层V型内置式永磁电机转子，其特征在于，镶在永磁槽内的磁钢厚度大于该永磁槽的厚度。

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