CN114640226A - 二极电机转子冲片设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种二极电机转子冲片设计方法，涉及电机技术领域。二极电机转子冲片设计方法包括：S1：将二极电机转子冲片的一个极设计为两个半圆，每个半圆关于Y轴对称；S2：从转子的外圆向内分别偏移r1、r2、r3的距离，得到三个半圆弧基线L1、L2、L3；S3：绘制出C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8共8个鼠笼槽或绘制出C3、C5、C7共3个鼠笼槽，鼠笼槽均由上、下、左、右四根边界线围起来的区域组成；S4：以C3、C5、C7靠近Y轴一侧的径向边界线的延长线与L3的交点分别为P1、P2、P3，以P1、P2、P3为定位，绘制出三层永磁体槽。该方法降低了永磁材料用量，进而降低了电动机总成本。
Description
技术领域
本发明涉及电机技术领域，具体而言，涉及一种二极电机转子冲片设计方法。
背景技术
目前，永磁同步电动机采用变频启动或者异步启动等方法。其中，自启动永磁同步电机(或称为“异步启动永磁同步电机”)可以通过转子上布置的铝或铜制鼠笼，利用异步电动机启动原理直接并网启动，免去了变频器。异步启动永磁同步电机同样是属于永磁同步电机范畴，顾名思义，采用的是异步电机的启动原理。当电机接通电源后，三相电流在定子中产生旋转磁场。由于电机转子与旋转磁场之间存在转速差，所以旋转磁场在鼠笼中感应出电流。而感应出的电流又与旋转磁场相互作用，则产生异步转矩，异步转矩推动电机转子的旋转，使电机开始启动。当电机的转子运行到同步速时，也就是转子与旋转磁场之间的转速差为零时，旋转磁场在转自中感应出的电流为零，电机进入稳定运行状态，此时，电机的转动依靠转子内永磁体产生的磁场与定子中的磁场相互作用。
异步启动永磁同步电动机是在转子上具有鼠笼槽和永磁体的永磁同步电动机，其可以直接并网启动和并网运行；也可以由变频器启动后并网运行。相对于变频器驱动的永磁同步电动机，并网运行的异步启动永磁同步电动机没有变频器损耗以及变频器驱动导致的电动机高频附加损耗，从而异步启动永磁同步电动机效率较高。因其效率高、启动简单等优点被广泛应用于并网定速驱动场景中。为了实现高效率，异步启动永磁同步电机采用较多的钕铁硼稀土材料，稀土材料价格昂贵，导致成本较高。
发明内容
本发明的目的包括提供一种二极电机转子冲片设计方法，其能够降低了永磁材料用量，进而降低了电动机总成本。
本发明的实施例可以这样实现：
本发明提供一种二极电机转子冲片设计方法，二极电机转子冲片设计方法包括：
S1：将二极电机转子冲片的一个极设计为两个半圆，两个半圆关于Y轴对称，二极电机转子冲片的外圆半径为R2；
S2：从转子的外圆向内分别偏移r1、r2、r3的距离，得到三个半圆弧基线L1、L2、L3；
S3：绘制出C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8共8个鼠笼槽或绘制出C3、C5、C7共3个鼠笼槽，鼠笼槽均由上、下、左、右四根边界线围起来的区域组成，上、下两条边界线为L1和L2，左右两条边界线为通过转子圆心的径向发射线；
S4：以C3、C5、C7靠近Y轴一侧的径向边界线的延长线与L3的交点分别为P1、P2、P3，以P1、P2、P3为定位，绘制出三层永磁体槽或二层永磁体槽，永磁体槽内部插入矩形永磁体。
在可选的实施例中，在S1中，外圆半径R2的取值范围为：24mm～180mm。
在可选的实施例中，在S2中，r1、r3为隔磁桥的宽度，取值范围为：0.5mm～3mm，r2的取值范围为外圆半径R2的10％～15％。
在可选的实施例中，在S3中，每个鼠笼槽的左右两条边界线之间的角度为aw，aw的取值范围为3°～6°。
在可选的实施例中，在S3中，C3的靠近中心线一侧的边界线与其Y轴对称位置的边界线之间的角度为a1，a1的取值范围为：(0.29～0.32)×180°，C5的靠近中心线一侧的边界线与其Y轴对称位置的边界线之间的角度为a2，a2的取值范围为：(0.56～0.59)×180°，C7的靠近Y轴一侧的边界线与其Y轴对称位置的边界线之间的角度为a3，a3的取值范围为：(0.79～0.82)×180°。
在可选的实施例中，在S3中，C1和C2的对应径向边界线之间的角度为ax1，C2和C3的对应径向边界线之间的角度为ax2，C4和C5的对应径向边界线之间ax3，C6和C7的对应径向边界线之间为ax4，C8的径向中心线位于X轴和-X轴上，ax1～ax4的取值范围为：10°～12.5°。
在可选的实施例中，在S4中，三层永磁体槽的第一层为M1、第二层为M21和M22、第三层为M31和M32，所述二层永磁体槽包括第二层M21和M22、第三层M31和M32，三层的厚度分别为h1、h2、h3，h1≤h2≤h3，M21和M22平行对齐且中间有宽度为d2的加强筋隔开，d2的取值范围为：0～3mm，M31和M32平行对齐且中间有宽度为d4的加强筋隔开，d4的取值范围为：0～3mm。
在可选的实施例中，在S4中，h1不小于1.2mm，h3为外圆半径R2的4％～6.5％，每个永磁体槽上、下两条长边相互平行；三层永磁体槽的长边与X轴的夹角分别为b1、b2、b3，b1、b2、b3的取值范围为0～30°；M1、M21、M31三个永磁体槽的左侧边界不超过C3、C5、C7远离Y轴一侧的径向边界线的延长线；M1、M22、M32与其Y轴对称的永磁体槽之间的加强筋宽度为d1、d3、d5，d1、d3、d5的取值范围为：0～3mm。
在可选的实施例中，在S4中，M1、M21、M22、M31、M32内插入的永磁体的宽度分别为y1、y21、y22、y31、y32，永磁体用于卡位的凸起台阶的宽度为c1，高度为c2，c1的取值范围为：1mm～3mm，c2的取值范围为：0.5mm～2mm；所有永磁体槽不相互干涉，并均位于弧线L3和内圆之间的区域；永磁体槽与永磁体之间的平均间隙为e1，e1的取值范围为：0.1mm～0.2mm。
在可选的实施例中，在S4中，M31和M32之间的加强筋与Y轴之间的夹角为b4，b4的取值范围为：0～15°；d1、d2、d3、d4、d5的取值为0时，表示没有加强筋，两侧的槽型相通；y21与y22相同，y31与y32相同。
本发明实施例提供的二极电机转子冲片设计方法的有益效果包括：
1.本发明融合了笼型异步电动机、同步磁阻电动机和永磁同步电动机的特征，所绘制的冲片可增加螺栓孔或铆钉孔等固定结构后叠制成转子铁芯，并通过铸铝工艺在鼠笼槽内注入铸铝，形成启动和阻尼用的鼠笼，再在永磁体槽内插入永磁体，形成自启动永磁电动机的转子；
2.利用本发明所绘制冲片所制成的转子具有和同步磁阻电动机一样的多层磁障，转子具有较大的凸极比，组成的永磁同步电动机具有较大比例的磁阻转矩，降低了永磁转矩占总转矩的比例，从而降低了永磁材料用量，进而降低了电动机总成本；
3.利用本发明所绘制冲片所制成的永磁同步电动机，由于永磁体用量减小使磁密降低，铁耗下降，额定负载和低载时的效率得到提高；
4.利用本方法绘制冲片所制成的永磁同步电动机，由于鼠笼槽不再采用类似笼型异步电动机转子槽型，而采用类梯形槽型，形成的鼠笼槽为磁障槽的延伸，使得空载齿槽转矩和负载时转矩波动较小。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1～图3为转子冲片设计过程的结构示意图；
图4为80-2永磁同步电动机定子和转子冲片的结构示意图；
图5为355-2永磁同步电动机定子和转子冲片的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。
本实施例提供了一种二极电机转子冲片设计方法，包括以下步骤：
S1：将所述二极电机转子冲片的一个极设计为两个半圆，所述两个半圆关于Y轴对称，所述二极电机转子冲片的外圆半径为R2。
具体的，请参考图1，根据对称性，按二极电机转子冲片的一个极进行设计，为第一、第二象限的半圆，且一个极下的转子结构关于Y轴左右对称，转子冲片的外圆半径为R2，外圆半径R2的取值范围为：24mm～180mm，内圆半径为Ri2。
S2：从转子的外圆向内分别偏移r1、r2、r3的距离，得到三个半圆弧基线L1、L2、L3。
具体的，从转子的外圆向内分别偏移r1、r2、r3距离，得到三个半圆弧基线L1、L2、L3。r1、r3为隔磁桥的宽度，取值范围为：0.5mm～3mm，r2的取值范围为外圆半径R2的10％～15％。
S3：绘制出C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8共8个鼠笼槽，所述鼠笼槽均由上、下、左、右四根边界线围起来的区域组成，上、下两条边界线为L1和L2，左右两条边界线为通过转子圆心的径向发射线，其中，C1、C2、C4、C6、C8均可以单独选择不绘出，从而只绘制出C3、C5、C7共3个鼠笼槽。
具体的，绘制出C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8共8个鼠笼槽，在转子制造时在鼠笼槽内填入铸铝。上述鼠笼槽均由上、下、左、右四根边界线围起来的区域组成，上、下两条边界为L1和L2，左右两条边界为通过转子圆心的径向发射线，且每个槽的左右两条边界线之间的角度为aw，aw的取值范围为3°～6°。
C3的靠近中心线一侧的边界线与其Y轴对称位置的边界线之间的角度为a1，a1的取值范围为：(0.29～0.32)×180°，C5的靠近中心线一侧的边界线与其Y轴对称位置的边界线之间的角度为a2，a2的取值范围为：(0.56～0.59)×180°，C7的靠近Y轴一侧的边界线与其Y轴对称位置的边界线之间的角度为a3，a3的取值范围为：(0.79～0.82)×180°。
C1和C2的对应径向边界线之间的角度为ax1，C2和C3的对应径向边界线之间的角度为ax2，C4和C5的对应径向边界线之间ax3，C6和C7的对应径向边界线之间为ax4，C8的径向中心线位于X轴和-X轴上，ax1～ax4的取值范围为：10°～12.5°。
S4：以C3、C5、C7靠近Y轴一侧的径向边界线的延长线与L3的交点分别为P1、P2、P3，以P1、P2、P3为定位，绘制出三层永磁体槽，永磁体槽内部插入矩形永磁体。
具体的，请参考图1～图3，所述三层永磁体槽的第一层为M1、第二层为M21和M22、第三层为M31和M32，三层的厚度分别为h1、h2、h3，h1≤h2≤h3，M21和M22平行对齐且中间有宽度为d2的加强筋隔开，d2的取值范围为：0～3mm，M31和M32平行对齐且中间有宽度为d4的加强筋隔开，d4的取值范围为：0～3mm，其中，M1可以选择不绘出，从而只绘制出二层永磁体槽。
h1不小于1.2mm，h3为外圆半径R22的4％～6.5％，每个永磁体槽的上、下两条长边相互平行；三层永磁体槽的长边与X轴的夹角分别为b1、b2、b3，b1、b2、b3的取值范围为0～30°；M1、M21、M31三个永磁体槽的左侧边界不超过C3、C5、C7远离Y轴一侧的径向边界线的延长线；M1、M22、M32与其Y轴对称的永磁体槽之间的加强筋宽度为d1、d3、d5，d1、d3、d5的取值范围为：0～3mm。
M1、M21、M22、M31、M32内插入的永磁体的宽度分别为y1、y21、y22、y31、y32，永磁体用于卡位的凸起台阶的宽度为c1，高度为c2，c1的取值范围为：1mm～3mm，c2的取值范围为：0.5mm～2mm；所有永磁体槽不相互干涉，并均位于弧线L3和内圆之间的区域；永磁体槽与永磁体之间的平均间隙为e1，e1的取值范围为：0.1mm～0.2mm。
M31和M32之间的加强筋与Y轴之间的夹角为b4，b4的取值范围为：0～15°；d1、d2、d3、d4、d5的取值为0时，表示没有加强筋，两侧的槽型相通为了节约永磁体规格，y21和y22可以相同，y31和y32可以相同；当启动或阻尼能力足够时，M1可选择不绘制出，以减少鼠笼槽的个数。
以一台80-2(机座号80，极数2)的永磁同步电动机为例，其设计参数如表1所示，其定转子冲片如图4所示。
表1 80-2转子冲片设计参数
| R2 | Ri2 | r1 | r2 | r3 | aw | a1 |
| 35.67 | 13 | 0.8 | 4.8 | 1.2 | 5° | 0.311×180° |
| a2 | a3 | ax1 | ax2 | ax3 | ax4 | d1 |
| 0.587×180° | 0.807×180° | 11° | 11° | 12.4 | - | - |
| d2 | d3 | d4 | d5 | b1 | b2 | b3 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | - | 15.57° | 20.57° |
| b4 | h1 | h2 | h3 | y1 | y21 | y22 |
| - | - | 1.8 | 1.8 | - | 9.78 | 9.78 |
| y31 | y32 | c1 | c2 | e1 | - | - |
| 12.24 | 12.24 | 1.5 | 0.7 | 0.1 | - | - |
该冲片没有C6、C8、M1，M21和M22因为没有中间加强筋(宽度为0)结合为一个槽，M31和M32因为没有中间加强筋(宽度为0)也结合为一个槽。
另一台355-2(机座号为355，极数为2)的永磁同步电动机为例，其设计参数如表2所示，其定转子冲片如图5所示。
表2 355-2转子冲片设计参数
| R2 | Ri2 | r1 | r2 | r3 | aw | a1 |
| 161.1 | 55 | 1.5 | 22 | 2.6 | 3.9° | 0.313×180° |
| a2 | a3 | ax1 | ax2 | ax3 | ax4 | d1 |
| 0.563×180° | 0.813×180° | 11.25° | 11.25° | 11.25 | 11.25 | 2.6 |
| d2 | d3 | d4 | d5 | b1 | b2 | b3 |
| 2.67 | 2.6 | 3 | 2.6 | 15 | 18° | 18° |
| b4 | h1 | h2 | h3 | y1 | y21 | y22 |
| 10 | 6.8 | 6.8 | 6.8 | 58.42 | 47.80 | 47.80 |
| y31 | y32 | c1 | c2 | e1 | - | - |
| 60.00 | 60.00 | 2 | 1.5 | 0.15 | - | - |
该冲片没有C8。
上述80-2和355-2冲片均由硅钢片冲压而成，其叠压制成转子内的永磁体为钕铁硼或铁氧体永磁材料。采用上述冲片的永磁同步电动机效率得以提高，永磁体用量减少。
本发明实施例提供的二极电机转子冲片设计方法的有益效果包括：
1.本发明融合了笼型异步电动机、同步磁阻电动机和永磁同步电动机的特征，所绘制的冲片可增加螺栓孔或铆钉孔等固定结构后叠制成转子铁芯，并通过铸铝工艺在鼠笼槽内注入铸铝，形成启动和阻尼用的鼠笼，再在永磁体槽内插入永磁体，形成自启动永磁电动机的转子；
2.利用本发明所绘制冲片所制成的转子具有和同步磁阻电动机一样的多层磁障，转子具有较大的凸极比，组成的永磁同步电动机具有较大比例的磁阻转矩，降低了永磁转矩占总转矩的比例，从而降低了永磁材料用量，进而降低了电动机总成本；
3.利用本发明所绘制冲片所制成的永磁同步电动机，由于永磁体用量减小使磁密降低，铁耗下降，额定负载和低载时的效率得到提高；
4.利用本方法绘制冲片所制成的永磁同步电动机，由于鼠笼槽不再采用类似笼型异步电动机转子槽型，而采用类梯形槽型，形成的鼠笼槽为磁障槽的延伸，使得空载齿槽转矩和负载时转矩波动较小。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种二极电机转子冲片设计方法，其特征在于，所述二极电机转子冲片设计方法包括：
S1：将所述二极电机转子冲片的一个极设计为两个半圆，所述两个半圆关于Y轴对称，所述二极电机转子冲片的外圆半径为R2；
S2：从转子的外圆向内分别偏移r1、r2、r3的距离，得到三个半圆弧基线L1、L2、L3；
S3：绘制出C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8共8个鼠笼槽或绘制出C3、C5、C7共3个鼠笼槽，所述鼠笼槽均由上、下、左、右四根边界线围起来的区域组成，上、下两条边界线为L1和L2，左右两条边界线为通过转子圆心的径向发射线；
S4：以C3、C5、C7靠近Y轴一侧的径向边界线的延长线与L3的交点分别为P1、P2、P3，以P1、P2、P3为定位，绘制出三层永磁体槽或二层永磁体槽，永磁体槽内部插入矩形永磁体。
2.根据权利要求1所述的二极电机转子冲片设计方法，其特征在于，在S1中，外圆半径R2的取值范围为：24mm～180mm。
3.根据权利要求1所述的二极电机转子冲片设计方法，其特征在于，在S2中，r1、r3为隔磁桥的宽度，取值范围为：0.5mm～3mm，r2的取值范围为外圆半径R2的10％～15％。
4.根据权利要求1所述的二极电机转子冲片设计方法，其特征在于，在S3中，每个鼠笼槽的左右两条边界线之间的角度为aw，aw的取值范围为3°～6°。
5.根据权利要求1所述的二极电机转子冲片设计方法，其特征在于，在S3中，C3的靠近中心线一侧的边界线与其Y轴对称位置的边界线之间的角度为a1，a1的取值范围为：(0.29～0.32)×180°，C5的靠近中心线一侧的边界线与其Y轴对称位置的边界线之间的角度为a2，a2的取值范围为：(0.56～0.59)×180°，C7的靠近Y轴一侧的边界线与其Y轴对称位置的边界线之间的角度为a3，a3的取值范围为：(0.79～0.82)×180°。
6.根据权利要求1所述的二极电机转子冲片设计方法，其特征在于，在S3中，C1和C2的对应径向边界线之间的角度为ax1，C2和C3的对应径向边界线之间的角度为ax2，C4和C5的对应径向边界线之间ax3，C6和C7的对应径向边界线之间为ax4，C8的径向中心线位于X轴和-X轴上，ax1～ax4的取值范围为：10°～12.5°。
7.根据权利要求1所述的二极电机转子冲片设计方法，其特征在于，在S4中，所述三层永磁体槽的第一层为M1、第二层为M21和M22、第三层为M31和M32，所述二层永磁体槽包括第二层M21和M22、第三层M31和M32，三层的厚度分别为h1、h2、h3，h1≤h2≤h3，M21和M22平行对齐且中间有宽度为d2的加强筋隔开，d2的取值范围为：0～3mm，M31和M32平行对齐且中间有宽度为d4的加强筋隔开，d4的取值范围为：0～3mm。
8.根据权利要求7所述的二极电机转子冲片设计方法，其特征在于，在S4中，h1不小于1.2mm，h3为外圆半径R2的4％～6.5％，每个永磁体槽上、下两条长边相互平行；三层永磁体槽的长边与X轴的夹角分别为b1、b2、b3，b1、b2、b3的取值范围为0～30°；M1、M21、M31三个永磁体槽的左侧边界不超过C3、C5、C7远离Y轴一侧的径向边界线的延长线；M1、M22、M32与其Y轴对称的永磁体槽之间的加强筋宽度为d1、d3、d5，d1、d3、d5的取值范围为：0～3mm。
9.根据权利要求8所述的二极电机转子冲片设计方法，其特征在于，在S4中，M1、M21、M22、M31、M32内插入的永磁体的宽度分别为y1、y21、y22、y31、y32，永磁体用于卡位的凸起台阶的宽度为c1，高度为c2，c1的取值范围为：1mm～3mm，c2的取值范围为：0.5mm～2mm；所有永磁体槽不相互干涉，并均位于弧线L3和内圆之间的区域；永磁体槽与永磁体之间的平均间隙为e1，e1的取值范围为：0.1mm～0.2mm。
10.根据权利要求9所述的二极电机转子冲片设计方法，其特征在于，在S4中，M31和M32之间的加强筋与Y轴之间的夹角为b4，b4的取值范围为：0～15°；d1、d2、d3、d4、d5的取值为0时，表示没有加强筋，两侧的槽型相通；y21与y22相同，y31与y32相同。
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