CN201219227Y - 一种永磁同步电机转子 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种永磁同步电机转子，以提高电机的性能。该转子，包括转子铁芯以及设置在转子铁芯外表面的多个永磁体，其特征在于：所述永磁体间隔设置在转子铁芯外表面，相邻的两永磁体之间设有永磁体固定机构，永磁体通过所述固定机构紧压在转子铁芯表面。本实用新型中，永磁体固定方式从机械结构上合理考虑到结构应力的影响，一方面改进了永磁体的结构，另一方面优化了永磁体的固定方式，避免了电机选装过程中，永磁体由于离心力的作用而脱落；再结合合理设计的定子槽型及绕组排列，气隙磁密及定子线反电动势分布接近正弦分布，从而降低了损耗，提高效率，并减少电机运转中的电磁噪声。
Description
技术领域
本实用新型涉及永磁电机，具体地说，涉及一种永磁同步电机转子。
背景技术
能源短缺是当今世界的重要问题，事关全球环境与人类生存的改善。节能技术被公认为绿色技术，节能技术的研究及相关产品的开发将成为21世纪工业发展的主题。目前各国都在积极开展节能技术的研究和应用。电力能源是二次能源，作为电力消耗的最大对象-电机，高效节能是世界各国追求的目标。异步电机是目前应用最广泛的电机，据报导中国大陆消耗在异步电机上的电力占整个电力的65％。异步电机具有结构简单，工作可靠，寿命长和保养维修方便等优点，但它具有机械特性差，效率低，调速性能差，起动转矩小，运行在空载时功率因子低，增加线路和电网损耗等缺点。所以开发和推广节能，高效，高性能的电机势在必行。目前国内外相关电机厂商都开发出永磁电机的相关产品，如ABB已完成IC416和IC411两种不同冷却方式永磁同步电动机的系列化设计，并以推向市场。
永磁同步电动机是目前高效电机研究的重要方向，相对于电励磁同步电动机，具有结构简单，体积小，功率密度高，效率高等优点。与电励磁同步电动机相比，在线起动永磁同步电动机具有起动方式简单(不需要附加的起动装置，具有自起动能力)。永磁同步电动机将逐渐替代异步感应电机和电励磁同步电机，成为高效电机的主力机种。从以下五个方面可以说明对永磁同步电动机研究与开发的重要性。
1.明显的节能效果
永磁同步电动机用永磁体励磁替代电励磁，无励磁损耗；在同步运行时，转子绕组无感应电流，就没有铜耗，由于定转子同步，转子铁芯中也没有铁耗。因此，永磁同步电动机比传统异步电机和同步机效率高，且不需要从电网吸取滞后的励磁电流，从而大大节约了无功，极大的提高了电网的功率因子。永磁同步电动机在25％-120％额定负载范围内均可以保持较高的效率和功率因子，使轻载时节电效果更为明显。
2.结构简单，运行可靠
与电励磁同步电动机相比，采用NeFeB的同步电动机，转子上不需要电励磁装置，消除了转子的滑环、电刷，大大简化了转子结构，实现了无刷结构，缩小了转子体积提高了电机运行的稳定性。
3.体积小，重量轻
NeFeB永磁材料具有很高的磁能积，它的剩磁Br，矫顽力Hc都较大，现钕铁硼永磁材料最高的工作温度已可达180℃，一般也可达150℃，已足以满足绝大多数电机的使用要求用较少的永磁磁钢就能产生足够的电机磁能积，因此电机体积，尺寸可以大为减小，成为高效率，高密度的电机。采用稀土永磁电机可以明显减轻电机的重量，如10kW普通发电机，重量为220kg，而稀永磁发电机为92kg。德国西门子研制的1095kW、230rpm六级永磁同步电动机，用于舰船推进，与过去使用的直流电动机相比，体积减少60％左右，总损耗降低20％。
4、电力电子技术的发展大大促进了永磁同步电动机的开发应用
电力电子技术是信息产业和传统产业间重要的接口，是弱电与被控强电之间的桥梁。自58年世界上第一个功率半导体开关晶闸管发明以来，电力电子组件已经历了第一代半控式晶闸管，第二代有自关断能力的半导体器件(大功率晶体管GTR、可关断晶闸管GTO、功率场效应管MOSFET)的三代复合场控器件(绝缘栅功率晶体管IGBT、静电感应式晶体管SIT、MOS控制的晶体管MCT等)直至90年代出现的第四代功率集成电路IPM。半导体开关器件性能不断提高，容量迅速增大，成本大降低，控制电路日趋完美，它极大地推动了各类电机的控制。70年代出现了通用变频器的系列产品，可将工频电源转变为频率连续可调的变频电源，这就为交流电机的变频调速创造了条件。这些变频器在频率设定后都有软起动功能，频率会以一定速率从零上升设定的频率，而且此上升速率可以在很大的范围任意调整，这对同步电动机而言就是解决了起动问题。对最新的自同步永磁同步电动机，高性能电力半导体开关组成的逆变电路是其控制系统的必不可少的功率环节。
5.规模集成电路和计算机技术的发展完全改观了现代永磁同步电动机的控制集成电路
向量控制是将交流电机电枢绕组的三相电流通过坐标变换分解成励磁电流分量和转矩电流分量，从而将交流电动机模拟成直流电动机来控制，可获得与直流电动机一样良好的动态调速特性。近年来各种集成化的数字信号处理器(DSP)发展很快，性能不断改善，软件和开发工具越来越多，出现了专门用于电机控制的高性能、低价位的DSP。集成电路和计算技术的发展对永磁同步电动机控制技术起到了重要的推动作用。
综合上述所述，永磁同步电动机是目前动力系统的发展前景。特别是表贴式永磁同步电动机，由于其控制方法简单可靠，更是占据市场的主流。
目前，从不同的出发点出发，有多种表贴式永磁体固定方式：
1)永磁电机转子表面永磁体相互紧挨，表面用一层薄的不导磁材料固定。这样对表面不导磁材料焊接要求较高，否则电机在高速旋转过程中，永磁体将产生较大的离心力，如果该离心力超出不导磁材料的承受范围，将导致永磁体飞出，永磁体相互紧靠，既永磁电机的极弧系数为1，两块永磁体(NS极)之间没有足够的隔磁距离，会产生较大的漏磁通，降低永磁电机的性能，同时浪费了永磁材料。
2)转子铁芯外表面开有凹槽，将永磁体直接放在凹槽里面，然后外面用不导磁材料固定。在转子表面开槽，一方面永磁体之间是转子铁芯，是导磁材料，将会增加漏磁，降低电机性能，浪费材料；另一方面，该结构导致电机交直轴不对称，表贴式电机控制方式不在适用，如果要充分体现该电机的性能，必须采用新的复杂的控制方式，增加了工作量。
3)永磁体放在转子表面，永磁体之间用不锈钢压板加紧，通过径向螺钉固定在转子铁芯上。由于电机在旋转过程中，将会产生离心力，特别对于大型永磁电机，该离心力特别大，通过径向螺钉固定不锈钢压板的方式来固定永磁体，在旋转过程中，该螺钉受离心力的作用，将会容易脱落，产生事故。
因此，还鲜有一种解决方案，在降低漏磁的同时能够简单并牢固地将永磁体固定在转子表面。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种永磁同步电机转子，通过优化永磁体的结构、在转子铁芯表面的排布方式以及其在转子表面固定方式，使气隙磁密及定子线反电动势分布尽量接近正弦分布，以提高电机的性能。
本实用新型所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：
一种永磁同步电机转子，包括转子铁芯以及设置在转子铁芯外表面的多个永磁体，其特征在于：所述永磁体间隔设置在转子铁芯外表面，相邻的两永磁体之间设有永磁体固定机构，永磁体通过所述固定机构紧压在转子铁芯外表面。
本实用新型中，所述转子铁芯上设有：
圆心与转子铁芯重合的轴孔；
设置在轴孔外侧同一圆周上间隔的多个轴向通风孔；
设置在轴向通风孔间隔处、用于将多个转子铁芯固定在一起的螺纹孔；以及
设置在转子铁芯边缘两相邻永磁体间隔处固定永磁体固定机构的多个固定孔。
所述多个永磁体为等距间隔设置在转子铁芯外表面，以保证转子运转过程中相对平稳。
所述永磁体紧贴转子铁芯外表面一侧的内表面为与转子铁芯外表面相同曲率半径的圆弧，其远离转子铁芯一侧的外表面为曲率半径小于转子铁芯外表面曲率半径的圆弧。
本实用新型中，所述永磁体固定机构为夹状，包括：
一永磁体压板，其内表面紧压永磁体远离转子铁芯一侧的外表面；
从永磁体压板两侧中部延伸出的两永磁体夹体；以及
设置在永磁体压板内表面、两永磁体夹体之间的隔磁块。
所述永磁体压板的外表面为与转子铁芯外表面相同曲率半径的圆弧，永磁体压板被隔磁块分隔的两内表面为与永磁体外表面曲率半径相同的圆弧，永磁体压板如此设置一方面确保了整个转子的平稳运行，另一方使得永磁体的固定更加稳定。
所述两永磁体夹体对称，且均包括一夹腿和设置在夹腿前端的夹片，夹片具有一定的长度和宽度，其与夹腿连接的一侧边缘以及相对的另一侧边缘均为与转子铁芯外表面相同曲率半径的圆弧，同样可确保整个转子运行的平稳。
所述两永磁体夹体的两夹片上设有数量相同、半径相同的通孔，两夹片上相对应的通孔为同轴设置，紧固螺栓穿过转子铁芯上的固定孔以及两夹片上相对应的通孔，以将整个永磁体固定机构固定在转子铁芯上，进而将永磁体固定在转子铁芯外表面，为了使永磁体固定牢固，所述通孔至少为两个。
所述隔磁块的宽度与两相邻永磁体的间隔宽度相同，永磁体固定机构安装在转子铁芯上后，所述隔磁块放置在两相邻永磁体的间隙中，一方面起到隔磁作用，另一方面使得转子运转时永磁体不会晃动。
本实用新型中，永磁体固定方式从机械结构上合理考虑到结构应力的影响，一方面改进了永磁体的结构，另一方面优化了永磁体的固定方式，避免了电机选装过程中，永磁体由于离心力的作用而脱落；再结合合理设计的定子槽型及绕组排列，气隙磁密及定子线反电动势分布接近正弦分布，从而降低了损耗，提高效率，并减少电机运转中的电磁噪声。
附图说明
图1为本实用新型永磁电机转子的结构示意图。
图2为本实用新型永磁电机转子仅安装两个永磁体固定机构的结构示意图。
图3为本实用新型永磁体固定机构的正视图。
图4为本实用新型永磁体固定机构的立体图。
图5为永磁体相互紧靠表贴于转子铁芯外表面的永磁同步电机，定子绕组相反电动势实际波形和定子绕组相反电动势基波波形对比示意图。
图6为永磁体间隔表贴于转子铁芯外表面并且永磁体端部斜削的永磁同步电机，定子绕组相反电动势实际波形和定子绕组相反电动势基波波形对比示意图。
图7为采用本实用新型转子的永磁同步电机，定子绕组相反电动势实际波形和定子绕组相反电动势基波波形对比示意图。
具体实施方式
为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本实用新型。
参见图1、图2，本实用新型的永磁电机转子，其包括转子铁芯1，转子铁芯1中部设有与转子铁芯1同轴的轴孔11，由于表贴永磁体方式的转子通常都运用于大功率电机，为了散热的需要，轴孔11周围设有多个轴向通风孔12，多个轴向通风孔12设置在同一圆周上的圆环的一部分，并且轴向通风孔12的数量一般与电机相数相等，本实施例中的电机转子为六相电机的转子。大功率永磁同步电机的转子一般是由多个永磁体转子连接组成的，因此在轴向通风孔12的间隔处设置了6个螺纹孔13，以便于将多个转子铁芯1固定在一起的，构成大功率永磁同步电机的转子，本实用新型永磁电机转子铁芯1的结构与现有的大功率永磁同步电机转子铁芯的结构相同，在此就不再累述了。
转子铁芯1的外表面14设有多个永磁体2，多个永磁体2之间彼此等距设置，以确保电机转子运行时平稳。永磁体2的内表面21紧贴转子铁芯1的外表面14，其内表面21为曲率半径与转子铁芯1外表面14曲率半径相同的圆弧，永磁体2的外表面22则为曲率半径小于转子铁芯外表面14曲率半径的圆弧。
结合图1、图2并参见图3、图4，本实用新型的永磁体固定机构3为夹状，其包括永磁体压板31，从永磁体压板31两侧中部延伸出的两永磁体夹体32和33，以及设置在永磁体压板31内表面311、永磁体夹体32和33之间的隔磁块34，由此永磁压板31的内表面311也被隔磁块34分为了两部分。
永磁体压板31的内表面311为曲率半径与永磁体外表面22曲率半径相同的圆弧，以确保永磁体压板31可紧密地压在转子铁芯外表面22上，永磁体压板31的外表面312则为与转子铁芯外表面14相同曲率半径的圆弧，这样使得整个转子的外侧边缘仍然保持是一个整圆，确保了整个转子的平稳运行。
永磁体夹体32和33为对称结构，以夹体32为例，其包括以夹腿321和夹片322，夹片322设置在夹腿321前端，夹片322具有一定的长度和宽度，其与夹腿321连接的一侧边缘323以及相对的另一侧边缘324均为与转子铁芯外表面14相同曲率半径的圆弧，这也是为了确保整个转子运行平稳而设计的。
夹片322以及夹体33的夹片332上设有数量相同、半径相同的通孔，本实施例中，夹片322上设置了通孔335和336，夹片332上设置了通孔335和336，通孔325和通孔335对应并且同轴设置，同理通孔326和通孔336对应并且同轴设置。两夹片上的通孔数量可根据实际需要进行选择，但数量至少为2个以确保固定牢固。
隔磁块34宽度与两相邻永磁体的间隔宽度相同，参见图2，永磁体固定机构3安装在转子铁芯1上后，隔磁块34放置在两相邻永磁体的间隙23中，然后使用紧固螺栓依次穿过永磁体固定机构3一侧夹片上的通孔、预先设置在转子铁芯1边缘两相邻永磁体2间隔处的固定孔15和永磁体固定机构3另一侧夹片上的通孔，在通过螺母进行固定，即可将永磁体2牢固地固定在转子铁心1的外表面14。
从图2中我们可以看到，每个永磁体固定机构3固定两相邻永磁体的一侧，多个永磁体固定机构即将全部的永磁体2固定在转子铁心1的外表面14上了。相邻的两个永磁体2之间均通过隔磁块34阻断，隔磁块34既起到隔磁作用，又使得转子运转时永磁体不会晃动，更不会因为离心力的作用使得永磁体2脱落。
为了说明采用本实用新型转子的永磁同步电机的性能得到了大幅的提高，参见图5、图6和图7。图5为永磁体相互紧靠表贴于转子铁心外表面的永磁同步电机，定子绕组相反电动势实际波形和定子绕组相反电动势基波波形对比示意图。图6为永磁体间隔表贴于转子铁心外表面并且永磁体端部斜削的永磁同步电机，定子绕组相反电动势实际波形和定子绕组相反电动势基波波形对比示意图。图7为采用本实用新型转子的永磁同步电机，定子绕组相反电动势实际波形和定子绕组相反电动势基波波形对比示意图，永磁同步电机定子绕组的反向电动势基波越接近正弦波，则说明永磁同步电机的性能越好。
图中，曲线A，C，E指不同永磁体下定子绕组相反电动势实际波形；曲线B，D，F指不同永磁体下定子绕组相反电动势基波波形。
图5中，曲线A在顶部有3个凸起部分与2个下凹部分，而不是一条平滑的曲线，这是由于电机定子槽数与极数共同作用的结果，而图6中曲线C在顶部有两个凸起部分与一个下凹部分，同样是电机定子槽数与极数共同作用的结果。但是由于这两个永磁体所对应的定子槽数不同，所以突变情况也不一样。而图7中，由于本实用新型的永磁体采用了消弧处理(即永磁体外表面22的为曲率半径小于永磁体铁心外表面14曲率半径的圆弧)，导致产生了不均匀气隙，所以能有效的消除凸凹效应，使相反电动势尽可能的接近于正弦。从而降低损耗，提高效率，减少电磁噪声。
以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种永磁同步电机转子，包括转子铁芯以及设置在转子铁芯外表面的多个永磁体，其特征在于：所述永磁体间隔设置在转子铁芯外表面，相邻的两永磁体之间设有永磁体固定机构，永磁体通过所述固定机构紧压在转子铁芯外表面。
2.如权利要求1所述的永磁同步电机转子，其特征在于：所述转子铁芯上设有：
圆心与转子铁芯重合的轴孔；
设置在轴孔外侧同一圆周上间隔的多个轴向通风孔；
设置在轴向通风孔间隔处、用于将多个转子铁芯固定在一起的螺纹孔；以及
设置在转子铁芯边缘两相邻永磁体间隔处固定永磁体固定机构的多个固定孔。
3.如权利要求1所述的永磁同步电机转子，其特征在于：所述多个永磁体为等距间隔设置在转子铁芯外表面的永磁体。
4.如权利要求1或3所述的永磁同步电机转子，其特征在于：所述永磁体紧贴转子铁芯外表面一侧的内表面为与转子铁芯外表面相同曲率半径的圆弧，永磁体远离转子铁芯一侧的外表面为曲率半径小于转子铁芯外表面曲率半径的圆弧。
5.如权利要求1所述的永磁同步电机转子，其特征在于：所述永磁体固定机构为夹状，包括：
一永磁体压板，其内表面紧压永磁体远离转子铁芯一侧的外表面；
从永磁体压板两侧中部延伸出的两永磁体夹体；以及
设置在永磁体压板内表面、两永磁体夹体之间的隔磁块。
6.如权利要求5所述的永磁同步电机转子，其特征在于：所述永磁体压板的外表面为与转子铁芯外表面相同曲率半径的圆弧，永磁体压板被隔磁块分隔的两内表面为与永磁体外表面曲率半径相同的圆弧。
7.如权利要求5所述的永磁同步电机转子，其特征在于：所述两永磁体夹体对称，且均包括一夹腿和设置在夹腿前端的夹片，夹片具有一定的长度和宽度，其与夹腿连接的一侧边缘以及相对的另一侧边缘均为与转子铁芯外表面相同曲率半径的圆弧。
8.如权利要求5或7所述的永磁同步电机转子，其特征在于：所述两永磁体夹体的两夹片上设有数量相同、半径相同的通孔，两夹片上相对应的通孔为同轴设置，紧固螺栓穿过转子铁芯上的固定孔以及两夹片上相对应的通孔，以将整个永磁体固定机构固定在转子铁芯上，进而将永磁体固定在转子铁芯外表面。
9.如权利要求8所述的永磁同步电机转子，其特征在于：所述通孔至少为两个。
10.如权利要求5所述的永磁同步电机转子，其特征在于：所述隔磁块的宽度与两相邻永磁体的间隔宽度相同，永磁体固定机构安装在转子铁芯上后，所述隔磁块放置在两相邻永磁体的间隙中。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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