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CN112467909B - 电机转子、永磁电机和电动汽车 - Google Patents

电机转子、永磁电机和电动汽车 Download PDF

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CN112467909B
CN112467909B CN202011381538.3A CN202011381538A CN112467909B CN 112467909 B CN112467909 B CN 112467909B CN 202011381538 A CN202011381538 A CN 202011381538A CN 112467909 B CN112467909 B CN 112467909B
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汪汉新
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Gree Electric Appliances Inc of Zhuhai
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Abstract

本申请提供一种电机转子、永磁电机和电动汽车。该电机转子包括转子铁芯(1)，转子铁芯(1)上设置有安装槽(2)，安装槽(2)形成V形结构，形成V形结构的两个安装槽(2)之间的夹角为△，安装槽(2)内设置有永磁体(3)，永磁体(3)的厚度为L4，永磁体(3)的宽度为L5，其中110°≤△≤140°，△＝(18～20)*L4，L5≥2L4。根据本申请的电机转子，能够有效控制反电势谐波，提升电机输出转矩，提高电机工作性能。

Description

电机转子、永磁电机和电动汽车
技术领域
本申请涉及电机技术领域，具体涉及一种电机转子、永磁电机和电动汽车。
背景技术
电动汽车是当前新能源汽车的主要类型，相比传统内燃机汽车，电动汽车的动力传动系统在动力源以及结构上都有较大变动，从而使传动系的扭转振动具有新的特点。研究如何降低电动汽车动力传动系统的扭转振动，对提高整车的安全性和舒适性有重要意义，驱动电机是传动系稳态扭振的主要激励源，其转矩波动的大小和频率特性直接影响动力传动系的稳态扭振响应。
作为电动汽车的核心动力系统，驱动电机对电动汽车的动力性能好坏和续航里程长短起着决定性作用。而目前，永磁同步电机，特别是内置式永磁同步电机因为其调速范围宽、效率高、功率密度高、结构紧凑和响应能力快等优点，被广泛应用到电动汽车的驱动系统中，例如丰田普锐斯、宝马I3、本田思域等电动车的驱动电机均为内置式永磁同步电机。此外，与之对应的控制技术也逐渐发展成熟。因此内置式永磁同步电机在电动汽车驱动电机领域有了更大的发展空间，又因为它的转子结构对电机性能有较大的影响，并且具有极大的设计灵活性，因此研宄转子拓扑结构对电机性能的影响对促进内置式永磁同步电机的开发与应用有着重要的意义。
永磁同步电机转子拓扑结构的不同对电机的性能有着很大的影响。相较于表贴式永磁体的转子结构，内置式由于其转子路的不对称性具有更高的永磁体利用率和更宽的恒功率速度范围。与此同时，内置式永磁同步电机还具有转子设计灵活性大的特点，因此，可以通过改变转子拓扑结构的方式来提高电机的过载能力、效率和功率密度，并改善其调速能力。内置式永磁同步电机的转子结构较为灵活，设计性多样，并且不同的转子拓扑结构对内置式永磁同步电机的性能影响也很大。
永磁同步电机转矩波动的原因主要有两种：电机本体结构非理想导致的磁场谐波、电感谐波，以及逆变器非线性特性电压谐波、电流谐波。磁场谐波、电感谐波也将导致电机控制系统出现电压和电流谐波，谐波电流最终导致电机转矩波动。
对于永磁同步电机，本体结构主要包括定子铁芯及永磁体，永磁体会产生磁通，分径向和切向磁通。磁通通过电机气隙进入定子铁芯，而沿切向通过的磁通较少。主极磁通形成的气隙磁场会作用于转子，使电机定子铁芯和转子发生形变，形成循环性振动。电机径向电磁力即是定子铁芯与转子相互作用的力，径向电磁力是永磁同步电机电磁振动噪声的主要来源，而电机径向电磁力波与电机气隙磁场谐波成分密切相关。
永磁电机的运行谐波主要分为时间谐波和空间谐波。时间谐波主要是因为与电机相连的电源在非正弦供电的情况下，在电机内部产生谐波电压和谐波电流。电源供电的非线性原因主要是因为电力电子器件在实际逆变过程中的非线性，主要包括电力电子器件死区时间和导通压降。空间谐波产生的原因主要是由电机本体导致的，在电机的本体设计上由于电机的极对数和齿槽数有限，导致电机运行过程中定子绕组产生的旋转磁场不是标准的旋转磁场。影响电机空间谐波的主要因素有齿槽效应、绕组分布形式、磁路磁饱和程度、转子拓扑结构等。另外，在电机的制造工艺上不可避免的会存在误差，不可能与理想状态相同，会存在绕组误差、永磁转子同轴度偏差等，这些因素都会造成电机产生高次谐波，危害电机的运行。造成永磁同步电机运行谐波的原因主要有两个方面：⑴电机内部存在气隙磁场产生畸变导致的谐波；⑵由于电力电子器件不是理想器件，在逆变过程中会存在导通压降，产生谐波。
在电机运行过程中，谐波电动势会对电机的运行造成极大的危害：⑴谐波电动势会使永磁电机的电动势波形质量变差，导致电机输出转矩的平滑性降低，转矩脉动增加，产生较大噪声；⑵谐波还会增加电机运行的温升，导致电机部件绝缘层老化，增大对电机本体的损耗，还使电机的工作效率降低；⑶电机运行存在高次谐波，会在车内产生谐波磁场，对周围的其他通讯造成电磁干扰，影响整车运行安全。
因此，目前来讲，如何有效控制反电势谐波，提升电机输出转矩，提高电机工作性能，是电机设计过程中需要着重考虑的问题。
发明内容
因此，本申请要解决的技术问题在于提供一种电机转子、永磁电机和电动汽车，能够有效控制反电势谐波，提升电机输出转矩，提高电机工作性能。
为了解决上述问题，本申请提供一种电机转子，包括转子铁芯，转子铁芯上设置有安装槽，安装槽形成V形结构，形成V形结构的两个安装槽之间的夹角为△，安装槽内设置有永磁体，永磁体的厚度为L4，永磁体的宽度为L5，其中110°≤△≤140°，△＝(18～20)*L4，L5≥2L4。
优选地，安装槽与转子铁芯的外周壁之间形成隔磁桥，隔磁桥的周向长度为L3，其中L3≥L4。
优选地，安装槽与永磁体配合的至少一个侧壁上设置有避让槽，避让槽对应于永磁体的边角位置，避让槽为弧形槽，避让槽的半径R1满足0.2mm≤R1≤0.5mm。
优选地，在垂直于转子铁芯的中心轴线的截面内，安装槽包括相邻的第一侧边和第二侧边，第一侧边形成V形结构的外侧边，第二侧边位于安装槽靠近转子铁芯的外周壁的一侧，第一侧边和第二侧边之间通过第一圆弧和第二圆弧过渡连接，第一圆弧的圆心和第二圆弧的圆心错开。
优选地，第一圆弧的圆心和第二圆弧的圆心之间的距离为L2，其中0.2mm≤L2≤0.4mm。
优选地，在垂直于转子铁芯的中心轴线的截面内，安装槽包括相邻的第二侧边和第三侧边，第二侧边位于安装槽靠近转子铁芯的外周壁的一侧，第三侧边形成V形结构的内侧边，第二侧边和第三侧边之间通过第三圆弧过渡连接，第三圆弧的半径R4取值为R4＝(0.5～0.6)*L4。
优选地，在垂直于转子铁芯的中心轴线的截面内，沿着转子铁芯的径向方向，安装槽内侧的转子铁芯上沿周向设置有多个减重槽。
优选地，沿着转子铁芯的径向方向，安装槽与转子铁芯的中心轴线之间的最小距离为R5，减重槽的外侧边与转子铁芯的中心轴线之间的最大距离为R6，减重槽的内侧边与转子铁芯的中心轴线之间的最小距离为R7，相邻的两个减重槽之间的距离为L6，转子铁芯的中心轴孔的半径为R8，转子铁芯的最大转速为ω，单位为万转，转子铁芯的半径为R9，
R6＝R5-(0.6～0.7)*ω2*R9，
R7＝R8+(0.07～0.1)*ω2*R9，
L6＝(0.8～0.11)*ω2*R9。
根据本申请的另一方面，提供了一种永磁电机，包括电机转子，该电机转子为上述的电机转子。
根据本申请的另一方面，提供了一种电动汽车，包括永磁电机，该永磁电机为上述的永磁电机。
本申请提供的电机转子，其包括转子铁芯，所述转子铁芯上设置有安装槽，所述安装槽形成V形结构，形成V形结构的两个所述安装槽之间的夹角为△，所述安装槽内设置有永磁体，所述永磁体的厚度为L4，所述永磁体的宽度为L5，其中110°≤△≤140°，△＝(18～20)*L4，L5≥2L4。采用本申请的上述电机转子，能够对转子拓扑结构的关键尺寸给出约束，可大幅降低电机的空载反电势谐波和转矩脉动，提升电机输出转矩，提高电机功率密度，提升电机输出转矩的平顺性，降低电机振动和噪声，整车的舒适性提高，谐波的降低可以降低转子损耗，提高电机效率，避免高次谐波干扰其他部件。
附图说明
图1为本申请实施例的电机转子的局部结构示意图；
图2为图1的L处的放大结构示意图；
图3为本申请实施例的永磁电机的谐波含量表；
图4为本申请实施例的永磁电机的转矩脉动图。
附图标记表示为：
1、转子铁芯；2、安装槽；3、永磁体；4、隔磁桥；5、避让槽；6、第一侧边；7、第二侧边；8、第三侧边；9、第一圆弧；10、第二圆弧；11、第三圆弧；12、减重槽。
具体实施方式
结合参见图1至图2所示，根据本申请的实施例，电机转子包括转子铁芯1，转子铁芯1上设置有安装槽2，安装槽2形成V形结构，形成V形结构的两个安装槽2之间的夹角为△，安装槽2内设置有永磁体3，永磁体3的厚度为L4，永磁体3的宽度为L5，其中110°≤△≤140°，△＝(18～20)*L4，L5≥2L4。
本申请提供的电机转子，其包括转子铁芯1，转子铁芯1上设置有安装槽2，安装槽2形成V形结构，形成V形结构的两个安装槽2之间的夹角为△，安装槽2内设置有永磁体3，永磁体3的厚度为L4，永磁体3的宽度为L5，其中110°≤△≤140°，△＝(18～20)*L4，L5≥2L4。采用本申请的上述电机转子，能够对转子拓扑结构的关键尺寸给出约束，可大幅降低电机的空载反电势谐波和转矩脉动(均≤3％)，提升电机输出转矩，提高电机功率密度，提升电机输出转矩的平顺性，降低电机振动和噪声，整车的舒适性提高，谐波的降低可以降低转子损耗，提高电机效率，避免高次谐波干扰其他部件。
该电机转子采用现有的V形拓扑结构，无需增加多余镂空结构，通过加大转子极弧尺寸，可提升电机转矩输出能力，进而提高电机的过载能力、效率和功率密度,并改善其调速能力，采用易弱磁的转子拓扑结构，在高速工况弱磁角度小，降低电机电流，电机损耗可明显降低，提高高速区效率，电机整体区域效率提升，提升电机高效区占比。
上述的永磁体3的长度方向为转子铁芯1的轴向方向，宽度方向为在垂直于转子铁芯1的中心轴线的截面内，沿着V形结构的侧边延伸的方向，厚度方向为垂直于V形结构的侧边的方向。
安装槽2与转子铁芯1的外周壁之间形成隔磁桥4，隔磁桥4的周向长度为L3，其中L3≥L4。
通过研究发现，隔磁桥4的周向长度L3是影响谐波含量和转矩脉动的一个因素，在空间允许的情况下，L3≥L4能得到较好的谐波含量及转矩脉动，该隔磁桥4长度加长，还可减少转子漏磁，提升电机输出能力，提高转子结构强度，保证电机可输出更高的转速而不会损坏。作为一个优选的实施例，1.2≤L3/L4≤1.4。
安装槽2与永磁体3配合的至少一个侧壁上设置有避让槽5，避让槽5对应于永磁体3的边角位置，避让槽5为弧形槽，避让槽5的半径R1满足0.2mm≤R1≤0.5mm。半径为R1的弧形槽为用于方便永磁体放置的避让槽，该避让槽5可提升磁钢抗退磁能力，避免电机在大电流及高温工况下发生不可逆退磁，且该避让槽5可以减少永磁体倒角，即使永磁体3没有倒角的情况下也可以顺利插入安装槽2内。在本实施例中，安装永磁体3的安装槽2在永磁体3的安装位置处的宽度是大于其它位置的宽度的，可以利用该处的较宽结构与其他位置的结构形成台阶，对永磁体3在安装槽2内的安装形成限位，防止电机转子工作过程中发生位移。
在垂直于转子铁芯1的中心轴线的截面内，安装槽2包括相邻的第一侧边6和第二侧边7，第一侧边6形成V形结构的外侧边，第二侧边7位于安装槽2靠近转子铁芯1的外周壁的一侧，第一侧边6和第二侧边7之间通过第一圆弧9和第二圆弧10过渡连接，第一圆弧9的圆心和第二圆弧10的圆心错开。
第一圆弧9的圆心和第二圆弧10的圆心之间的距离为L2，其中0.2mm≤L2≤0.4mm。
当第一圆弧9和第二圆弧10的圆心重合时，会导致此处的隔磁桥结构过短，无法起到有效的隔磁作用。通过合理设定第一圆弧9的圆心和第二圆弧10的圆心之间的距离，能够满足电机的性能要求，同时达到较低的谐波。
在垂直于转子铁芯1的中心轴线的截面内，安装槽2包括相邻的第二侧边7和第三侧边8，第二侧边7位于安装槽2靠近转子铁芯1的外周壁的一侧，第三侧边8形成V形结构的内侧边，第二侧边7和第三侧边8之间通过第三圆弧11过渡连接，第三圆弧11的半径R4取值为R4＝(0.5～0.6)*L4。
由于L4所代表的永磁体3的厚度与L3所代表的隔磁桥4的周向长度密切相关，而第三圆弧11的半径R4会影响到隔磁桥4的周向长度，因此将第三圆弧11的半径R4与永磁体3的厚度L4关联起来，能够使得第三圆弧11的半径具有合适的取值，不会使得隔磁桥4的周向长度和永磁体3的厚度之间的关系超出最佳关系范围外。
在垂直于转子铁芯1的中心轴线的截面内，沿着转子铁芯1的径向方向，安装槽2内侧的转子铁芯1上沿周向设置有多个减重槽12。
沿着转子铁芯1的径向方向，安装槽2与转子铁芯1的中心轴线之间的最小距离为R5，减重槽12的外侧边与转子铁芯1的中心轴线之间的最大距离为R6，减重槽12的内侧边与转子铁芯1的中心轴线之间的最小距离为R7，相邻的两个减重槽12之间的距离为L6，转子铁芯1的中心轴孔的半径为R8，转子铁芯1的最大转速为ω，单位为万转，转子铁芯1的半径为R9，
R6＝R5-(0.6～0.7)*ω2*R9，
R7＝R8+(0.07～0.1)*ω2*R9，
L6＝(0.8～0.11)*ω2*R9。
通过上述的关系限定，能够保证转子磁路和转子强度，同时能够达到最佳的减重效果。
根据本申请的实施例，永磁电机包括电机转子，该电机转子为上述的电机转子。
结合参见图3和图4所示，采用本申请实施例的永磁电机，谐波含量最大2.14％，转矩脉动为1.57％，因此谐波含量和转矩脉动均在3％以下，可有效降低电机激振力，电机激励传动系统的稳态扭振响应明显降低，降低电动汽车动力传动系统的扭转振动，降低整体噪声及振动，整车的安全性和舒适性获得极大的提升。
在采用本申请的实施例之后，永磁电机的空载反电势谐波能够降低到3％以下，因此可以避免负载谐波较大导致电机输出转矩的平滑性降低，转矩脉动增加，产生较大噪声；谐波降低，还可以降低电机运行的温升，避免电机部件绝缘层老化，谐波降低还可以降低电机本体的损耗，提高电机效率；可减少电机运行产生高次谐波，避免在车内产生谐波磁场对周围的其他通讯造成电磁干扰，提升整车运行安全。
谐波降低可减少气隙谐波磁场在转子表面产生的损耗，避免转子出现温升高的情况，降低永磁体工作温度，保证永磁体磁性能更高，电机可达到更高的输出性能以及带来效率的提升。
根据本申请的实施例，电动汽车包括永磁电机，该永磁电机为上述的永磁电机。
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。
以上仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。以上仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本申请的保护范围。

Claims (8)

1.一种电机转子，其特征在于，包括转子铁芯(1)，所述转子铁芯(1)上设置有安装槽(2)，所述安装槽(2)形成V形结构，形成V形结构的两个所述安装槽(2)之间的夹角为△，所述安装槽(2)内设置有永磁体(3)，所述永磁体(3)的厚度为L4，所述永磁体(3)的宽度为L5，其中110°≤△≤140°，△＝(18～20)*L4，L5≥2L4；
在垂直于所述转子铁芯(1)的中心轴线的截面内，沿着所述转子铁芯(1)的径向方向，所述安装槽(2)内侧的所述转子铁芯(1)上沿周向设置有多个减重槽(12)；
沿着所述转子铁芯(1)的径向方向，所述安装槽(2)与转子铁芯(1)的中心轴线之间的最小距离为R5，所述减重槽(12)的外侧边与所述转子铁芯(1)的中心轴线之间的最大距离为R6，所述减重槽(12)的内侧边与所述转子铁芯(1)的中心轴线之间的最小距离为R7，相邻的两个所述减重槽(12)之间的距离为L6，所述转子铁芯(1)的中心轴孔的半径为R8，所述转子铁芯(1)的最大转速为ω，单位为万转，所述转子铁芯(1)的半径为R9，
R6＝R5-(0.6～0.7)*ω2*R9，
R7＝R8+(0.07～0.1)*ω2*R9，
L6＝(0.8～0.11)*ω2*R9。
2.根据权利要求1所述的电机转子，其特征在于，所述安装槽(2)与所述转子铁芯(1)的外周壁之间形成隔磁桥(4)，所述隔磁桥(4)的周向长度为L3，其中L3≥L4。
3.根据权利要求1所述的电机转子，其特征在于，所述安装槽(2)与所述永磁体(3)配合的至少一个侧壁上设置有避让槽(5)，所述避让槽(5)对应于所述永磁体(3)的边角位置，所述避让槽(5)为弧形槽，所述避让槽(5)的半径R1满足0.2mm≤R1≤0.5mm。
4.根据权利要求1所述的电机转子，其特征在于，在垂直于所述转子铁芯(1)的中心轴线的截面内，所述安装槽(2)包括相邻的第一侧边(6)和第二侧边(7)，所述第一侧边(6)形成所述V形结构的外侧边，所述第二侧边(7)位于所述安装槽(2)靠近所述转子铁芯(1)的外周壁的一侧，所述第一侧边(6)和所述第二侧边(7)之间通过第一圆弧(9)和第二圆弧(10)过渡连接，所述第一圆弧(9)的圆心和所述第二圆弧(10)的圆心错开。
5.根据权利要求4所述的电机转子，其特征在于，所述第一圆弧(9)的圆心和所述第二圆弧(10)的圆心之间的距离为L2，其中0.2mm≤L2≤0.4mm。
6.根据权利要求1所述的电机转子，其特征在于，在垂直于所述转子铁芯(1)的中心轴线的截面内，所述安装槽(2)包括相邻的第二侧边(7)和第三侧边(8)，所述第二侧边(7)位于所述安装槽(2)靠近所述转子铁芯(1)的外周壁的一侧，所述第三侧边(8)形成所述V形结构的内侧边，所述第二侧边(7)和所述第三侧边(8)之间通过第三圆弧(11)过渡连接，所述第三圆弧(11)的半径R4取值为R4＝(0.5～0.6)*L4。
7.一种永磁电机，包括电机转子，其特征在于，所述电机转子为权利要求1至6中任一项所述的电机转子。
8.一种电动汽车，包括永磁电机，其特征在于，所述永磁电机为权利要求7所述的永磁电机。
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