CN111884378A - 一种电动车永磁电机复合转子及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电动车永磁电机复合转子，其特征在于，该复合转子由磁阻段转子和永磁段转子构成，具体包括中空的转子铁芯以及中心转轴，所述转子铁芯中心处设置有用于通过中心转轴的中心转轴孔，其紧套在电机中心转轴上，所述转子铁芯包括外壁以及内壁，所述转子铁芯的端面上设置有N组用于插入永磁单体的磁钢槽，N为偶数，所述单组磁钢槽内对称嵌设有两个永磁单体；其中，同组的磁钢槽内插入极性相同的永磁单体，邻组的磁钢槽内所插入极性相反的永磁单体。本发明还公开了其制备方法。本发明通过同步改进结构和制备工艺，降低材料成本并使转矩密度等性能保持较高的水平，电机转矩密度和功率密度高，且抗不可逆去磁能力强。
Description
技术领域
本发明涉及新能源电动车用永磁电机技术领域，具体涉及一种电动车永磁电机复合转子及其制备方法。
背景技术
电机，是机械能与电能转换的装置，包括电动机和发电机，广泛应用于工业、农业、航天、交通、通信、计算机、科研、办公设备、家用电器、医疗设备、环保机械等多个领域，特别是应对于燃料资源的短缺和汽车尾气排放对大自然环境的破坏，世界多国都在积极努力研发各种新能源汽车；而作为新能源无污染的零排放的汽车，电机成为了核心的动力驱动部件，并且在车辆倒拖行驶时还可以作为发电机使用用以回收能量。
基于电动汽车的特点，对所采用的电机也有较高的要求，为了提升最高时速，电机应有较高的瞬时功率和功率密度(W/kg)；为了增加充电行驶距离，电机应有较高的效率；而且电动汽车是变速工作的，所以电机应有较高的高低速综合效率；此外有很强的过载能力、大的启动转矩、转矩响应要快。电动车起动和爬坡时速度较低，但要求力矩较大；正常运行时需要的力矩较小，而速度很高。
目前电动汽车电机主要有三种类型：
一是交流电机，其效率较低、体积和重量较大、速度响应性较差。
二是永磁电机，永磁同步电机也有自身的缺点，转子上的永磁材料在高温、震动和过流的条件下，会产生磁性衰退的现象，所以在相对复杂的工作条件下，电机容易发生损坏；而且永磁材料价格较高，因此整个电机及其控制系统成本较高。永磁同步电机在电动车辆应用较广泛。
三是开关磁阻电机，目前，从现已成熟的电机技术来看，开关磁阻电机在各个技术特性方面似乎更符合电动车的使用需要，但其振动和噪音问题是其电动车辆尤其是小型乘用车辆所不能承受的，因而尚未得到普及，仅在货物运输车辆上处于测试阶段。
现有技术中，专利号为201710676131.5的中国发明专利公开了一种表贴式电机、表贴式电机转子及定子，表贴式电机转子的磁钢具有朝向定子的外侧面，所述外侧面的两侧具有沿其中心线对称设置的切边结构。本发明提供的表贴式电机转子，通过在外侧面的两侧具有沿其中心线对称设置的切边结构，能够改变电机沿定子内圆表面的各个位置的气隙长度，进而改善气隙磁场，使得气隙磁密及反电势波形正弦度提高，降低了谐波占比，进而降低了转矩脉动，有效降低了电机振动噪声。
但现有技术仍存在一定缺陷，稀土永磁直流无刷电机中的稀土使用量较大、稀土材料的价格昂贵，通常情况下仅稀土永磁材料的成料成本就占了整个电机材料总成本的一半以上。而且稀土永磁材料的价格波动大，不利于生产厂家进行长期稳定的成本控制。为了降低电机的材料成本，如果直接减少稀土永磁的用量，电机的转矩密度将很难达到的现有永磁无刷直流电机的水平，降低了电机的性能。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术的上述不足，本发明提供一种电动车永磁电机复合转子及其制备方法，通过同步改进结构设计和制备工艺，以实现在保持电机转矩密度的前提下减少稀土材料的用量、降低材料成本，并使转矩密度等性能保持较高的水平，从而解决上述技术问题。本发明的复合转子和嵌入结构，其所采用的稀土永磁材料相对于传统的电动车电机表贴结构的永磁转子相比减少一半以上，能够有效减少因开采稀土矿带来的环境污染，另外其电机转矩密度和功率密度高，抗不可逆去磁能力强，材料成本得到了大幅度降低。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种电动车永磁电机复合转子，其特征在于，该复合转子是由磁阻段转子和永磁段转子构成，具体包括中空的转子铁芯以及中心转轴，所述转子铁芯中心处设置有用于通过中心转轴的中心转轴孔，其紧套在电机中心转轴上，所述转子铁芯包括外壁以及内壁，所述转子铁芯的端面上设置有N组用于插入永磁单体的磁钢槽，N为偶数，所述单组磁钢槽内对称嵌设有两个永磁单体；其中，同组的磁钢槽内插入极性相同的永磁单体，邻组的磁钢槽内所插入极性相反的永磁单体。
所述转子铁芯结构上设置若干转子减重槽；所述的转子减重槽设置于所述的中心转轴与磁钢槽之间，其环绕转子铁芯的圆心、呈中心对称分布。
所述转子铁芯的反电势修型半径为66.16mm；所述转子铁芯的转子电极极数为8，其转子电机直轴与转子电机交轴之间的夹角为22.5°，反电动势修型中心偏距为26.13mm。
所述的中空转子铁芯由转子冲片叠压而成。
所述的磁钢槽的长度为9mm，而磁钢槽内所插入的永磁单体的宽度为2.5mm，各永磁单体均呈20°的角度对称插入磁钢槽；该永磁单体的外沿夹角为27.3°，磁桥夹角宽度为35.44°。
所述的永磁单体为稀土永磁单体或铁氧体永磁单体。
一种电动车永磁电机复合转子的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、制备复合转子的转子铁芯，所述转子铁芯为一中空结构，包括外壁以及内壁，其中心处设置有用于通过中心转轴的中心转轴孔，所述转子铁芯紧套在中心转轴上；
步骤二、在转子铁芯的内壁上设置N组磁钢槽，其中N为偶数，每两个相邻的磁钢槽构成一组磁槽对，每组所述磁槽对中的两个磁钢槽采用V形排列，且其开口方向朝向转子铁芯的外侧，所述的磁槽对环绕转子铁芯的呈中心对称分布，同一组磁槽对中的两个磁钢槽均关于一过转子铁芯中心的直线对称设置；
步骤三、在磁钢槽中插入稀土永磁单体或铁氧体永磁单体；其中，同组的磁钢槽内插入极性相同的稀土永磁单体或铁氧体永磁单体，邻组的磁钢槽内插入极性相反的稀土永磁单体或铁氧体永磁单体。
作为本发明的进一步改进，所述步骤一还包括以下步骤：
步骤一一、将转子铁芯结构的反电势修型半径设置为66.16mm；当电机运行过程中，所述的转子铁芯结构对定子齿进行修型使电机反电动势呈正弦波电压。
作为本发明的进一步改进，所述步骤一还包括以下步骤：
步骤一二、所述转子铁芯结构上设置若干转子减重槽；所述的转子减重槽设置于所述的中心转轴与磁钢槽之间，其环绕转子铁芯的中心处中心对称分布。
作为本发明的进一步改进，所述步骤二还包括以下步骤：
步骤二一、设定电机转子铁芯中的极槽数，并根据不同的极槽数的电机进行计算，从而获得转子铁芯内的永磁单体的插入角度、永磁单体的外沿夹角以及磁桥宽度的夹角。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明提供的电动车永磁电机复合转子及其制备方法，通过同步改进结构和制备工艺，在降低稀土材料用量、降低材料成本的同时，使电机的转矩密度等性能保持较高的水平。本发明提供的复合转子结构通过改进设计，使其所采用的稀土永磁材料相对于传统的电动车电机表贴形式永磁转子相比减少了一半以上，材料成本得到了大幅度降低，能够有效减少因开采稀土矿带来的环境污染；同时，改进设计后的电机转矩密度和功率密度高，抗不可逆去磁能力强，综合性能优良，能够满足新能源电动车的高效驱动及灵活调速等需求。
(2)本发明电动车永磁电机复合转子及其制备方法，通过将其转子铁芯结构的反电势修型半径设置为66.16mm，在电机运行过程中，所述的转子铁芯结构对定子齿进行修型使电机反电动势呈正弦波电压，能够有效减少电机输出的转矩脉动和电机噪音，提高电机输出效率。
为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合具体实施例来对其进行详细说明。
附图说明
图1为本发明实施例电动车永磁电机复合转子的俯视截面结构示意图；
图2为本发明实施例电动车永磁电机复合转子的结构设计原理示意图。
附图：1、转子铁芯；2、中心转轴；3、磁钢槽；4、转子减重槽；5、转子电机直轴；6、转子电机交轴。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
参见附图1-2，本实施例提供的电动车永磁电机复合转子，该复合转子是由磁阻段转子和永磁段转子构成，其具体包括中空的转子铁芯1以及中心转轴2，所述转子铁芯1中心处设置有用于通过中心转轴2的中心转轴孔，其紧套在电机中心转轴2上，所述转子铁芯1包括外壁以及内壁，所述转子铁芯1的端面上设置有N组用于插入永磁单体的磁钢槽3，N为偶数，所述单组磁钢槽3内对称嵌设有两个永磁单体；其中，同组的磁钢槽3内插入极性相同的稀土永磁单体或铁氧体永磁单体，邻组的磁钢槽3内所插入极性相反的稀土永磁单体或铁氧体永磁单体。
本实施例中的电动车永磁电机复合转子，所述转子铁芯1结构上设置若干转子减重槽4；所述的转子减重槽4设置于所述的中心转轴2与磁钢槽3之间，其环绕转子铁芯1的圆心、呈中心对称分布。
本实施例中的电动车永磁电机复合转子，所述转子铁芯1的反电势修型半径设置为66.16mm；当所述转子铁芯的转子电极极数为8时，其转子电机直轴与转子电机交轴之间的夹角为22.5°，反电动势修型中心偏距为26.13mm。
所述的中空转子铁芯由转子冲片叠压而成。
所述的磁钢槽的长度为9mm，而磁钢槽内所插入的永磁单体的宽度为2.5mm，各永磁单体的轴心线与水平线(或切线)均呈20°的角度对称插入磁钢槽；该永磁单体的外沿夹角为27.3°，磁桥夹角宽度为35.44°。
本实施例中的电动车永磁电机复合转子，所述的中空转子铁芯1由转子冲片叠压而成。
本实施例中的电动车永磁电机复合转子，磁钢槽3的长度为9mm，而磁钢槽3内所插入的永磁单体的宽度为2.5mm，其均呈20°的角度(其轴心线与水平线或切线的夹角)对称插入磁钢槽3；当电动车永磁复合转子电极极数为8时，转子电机直轴与转子电机交轴之间的夹角为22.5°，反电动势修型中心偏距为26.13mm，永磁单体的外沿夹角为27.3°，磁桥夹角宽度为35.44°。
前述电动车永磁电机复合转子的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、制备复合转子的转子铁芯1，所述转子铁芯1为一中空结构，包括外壁以及内壁，其中心处设置有用于通过中心转轴2的中心转轴孔，所述转子铁芯1紧套在中心转轴2上；
将转子铁芯1结构的反电势修型半径设置为66.16mm；当电机运行过程中，所述的转子铁芯1结构对定子齿进行修型使电机反电动势呈正弦波电压；
所述转子铁芯1结构上设置若干转子减重槽4；所述的转子减重槽4设置于所述的中心转轴2与磁钢槽3之间，其环绕转子铁芯1的中心处中心对称分布；
步骤二、在转子铁芯1的内壁上设置N组磁钢槽3，其中N为偶数，每两个相邻的磁钢槽3构成一组磁槽对，每组所述磁槽对中的两个磁钢槽3采用V形排列，且其开口方向朝向转子铁芯1的外侧，所述的磁槽对环绕转子铁芯1的呈中心对称分布，同一组磁槽对中的两个磁钢槽3均关于一过转子铁芯1中心的直线对称设置；
根据需要，设定电机转子铁芯1中的极槽数，并根据不同的极槽数的电机进行计算，从而获得转子铁芯1内的永磁单体的插入角度、永磁单体的外沿夹角以及磁桥宽度的夹角；
步骤三、在磁钢槽3中插入稀土永磁单体或铁氧体永磁单体；其中，同组的磁钢槽3内插入极性相同的稀土永磁单体或铁氧体永磁单体，邻组的磁钢槽3内插入极性相反的稀土永磁单体或铁氧体永磁单体，制得电动车永磁电机复合转子。
本实施例提供中的电动车永磁电机复合转子及其制备方法，其设计重点在于：
(1)本实施例通过对其结构及制备方法的同步改进，可大幅降低稀土材料的使用量并提升电机性能，实现降本增效的目的。本发明提供的复合转子结构，通过改进设计，使其所采用的稀土永磁材料相对于传统的电动车电机表贴形式永磁转子相比减少了一半以上，材料成本得到了大幅度降低，能够有效减少因开采稀土矿带来的环境污染，另外其电机转矩密度和功率密度高，抗不可逆去磁能力强，能够满足新能源电动车的高效驱动和调速控制需求。
(2)本实施例提供的电动车永磁电机复合转子及其制备方法，通过将转子铁芯结构的反电势修型半径设置为66.16mm，在电机运行过程中，所述的转子铁芯结构对定子齿进行修型使电机反电动势呈正弦波电压，能够有效减少电机输出的转矩脉动和电机噪音，提高电机输出效率。
根据本发明上述实施例的记载，而得到的具有其他极槽数等类似的电动车永磁电机复合转子及其制备方法，均在本发明保护范围之内。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，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过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种电动车永磁电机复合转子，其特征在于，该复合转子由磁阻段转子和永磁段转子构成，具体包括中空的转子铁芯以及中心转轴，所述转子铁芯中心处设置有用于通过中心转轴的中心转轴孔，其紧套在电机中心转轴上，所述转子铁芯包括外壁以及内壁，所述转子铁芯的端面上设置有N组用于插入永磁单体的磁钢槽，N为偶数，所述单组磁钢槽内对称嵌设有两个永磁单体；其中，同组的磁钢槽内插入极性相同的永磁单体，邻组的磁钢槽内所插入极性相反的永磁单体。
2.根据权利要求1所述的电动车永磁电机复合转子，其特征在于，所述转子铁芯结构还设置若干转子减重槽；所述的转子减重槽设置于所述的中心转轴与磁钢槽之间，其环绕转子铁芯的圆心、呈中心对称分布。
3.根据权利要求1所述的电动车永磁电机复合转子，其特征在于，所述转子铁芯的反电势修型半径为66.16mm；转子电极极数为8，其转子电机直轴与转子电机交轴之间的夹角为22.5°，反电动势修型中心偏距为26.13mm。
4.根据权利要求1所述的电动车永磁电机复合转子，其特征在于，所述的中空转子铁芯由转子冲片叠压而成。
5.根据权利要求1所述的电动车永磁电机复合转子，其特征在于，所述的磁钢槽的长度为9mm，而磁钢槽内所插入的永磁单体的宽度为2.5mm，各永磁单体均呈20°的角度对称插入磁钢槽；该永磁单体的外沿夹角为27.3°，磁桥夹角宽度为35.44°。
6.根据权利要求1所述的电动车永磁电机复合转子，其特征在于，所述的永磁单体为稀土永磁单体或铁氧体永磁单体。
7.一种根据权利要求1-6之一所述电动车永磁电机复合转子的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、制备复合转子的转子铁芯，所述转子铁芯为一中空结构，包括外壁以及内壁，其中心处设置有用于通过中心转轴的中心转轴孔，所述转子铁芯紧套在中心转轴上；
步骤二、在转子铁芯的内壁上设置N组磁钢槽，其中N为偶数，每两个相邻的磁钢槽构成一组磁槽对，每组所述磁槽对中的两个磁钢槽采用V形排列，且其开口方向朝向转子铁芯的外侧，所述的磁槽对环绕转子铁芯的呈中心对称分布，同一组磁槽对中的两个磁钢槽均关于一过转子铁芯中心的直线对称设置；
步骤三、在磁钢槽中插入稀土永磁单体或铁氧体永磁单体；其中，同组的磁钢槽内插入极性相同的稀土永磁单体或铁氧体永磁单体，邻组的磁钢槽内插入极性相反的稀土永磁单体或铁氧体永磁单体。
8.根据权利要求7所述的电动车永磁电机复合转子的制备方法，其特征在于，所述步骤一还包括以下步骤：
步骤一一、将转子铁芯结构的反电势修型半径设置为66.16mm；当电机运行过程中，所述的转子铁芯结构对定子齿进行修型使电机反电动势呈正弦波电压。
9.根据权利要求7所述的电动车永磁电机复合转子的制备方法，其特征在于，所述步骤一还包括以下步骤：
步骤一二、在所述转子铁芯结构上设置若干转子减重槽；所述的转子减重槽设置于所述的中心转轴与磁钢槽之间，其环绕转子铁芯的中心处中心对称分布。
10.根据权利要求7所述的电动车永磁电机复合转子的制备方法，其特征在于，所述步骤二还包括以下步骤：
步骤二一、设定电机转子铁芯中的极槽数，并根据不同的极槽数的电机进行计算，从而获得转子铁芯内的永磁单体的插入角度、永磁单体的外沿夹角以及磁桥宽度的夹角。
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