内置式永磁电机转子及其磁钢结构参数确定方法

摘要

本发明涉及一种高品质高速内置式永磁电机转子及其磁钢结构参数确定方法。它将常规内置式永磁电机转子的每一极的整段磁钢分隔成多段不同宽度的同极性磁钢，分别内置于转子铁心中，各段磁钢之间设置有隔磁作用的加强筋。通过合理调制确定各段磁钢的宽度和分布，使气隙磁密波形逼近正弦分布、尽量减小谐波分量，同时降低磁钢的涡流损耗和电机的转矩脉动，提高电机的电磁性能。另外，沿转子圆周内置分段磁钢，既能在机械上大幅度地提高转子安全运行的最高转速，又能在结构上显著地减小转子磁路要求的径向厚度，降低转子的转动惯量和重量，改善电机的动态响应，满足高速驱动系统对电机性能的要求。

说明书

技术领域

本发明涉及一种内置式永磁电机的转子，特别是一种高品质的高速内置式永磁电机转子及其磁钢结构参数确定方法。

背景技术

随着工业技术和永磁材料的迅速发展，内置式永磁电机在精密数控机床、加工中心、工业机器人等高速伺服系统中有着越来越广阔的应用前景。与此同时，对内置式永磁电机的机械、电磁性能提出了更苛刻的要求。既要追求高刚度、小惯量、轻量化，以满足系统高动态响应、高功率/转矩密度的要求；又要抑制气隙磁场中的谐波分量，以实现系统的低转矩脉动、低噪声、低振动和低铁耗。

常用的永磁电机的转子磁钢结构主要有表贴式和内置式两种。表贴式转子结构的磁钢通常呈瓦片形，粘贴于转子铁心的外表面。在高速运行时，为了防止磁钢因离心力抛散，常需在磁钢外包裹不锈钢等非磁性金属材料制成的高强度护套。但是，在高速运行时，定子内圆表面的齿槽会在护套表层产生严重的涡流损耗。另外，护套又增加了电磁气隙的长度，且其隐极性不提供磁阻转矩，使电机的功率/转矩密度难以提高。内置式转子结构的磁钢直接嵌入在转子铁心中，毋需护套，故电磁气隙的长度很小，且其凸极性提供很大的磁阻转矩，使电机的功率/转矩密度得以提高。但是，在高速运行时，常规的内置式转子结构永磁电机也有明显的缺点，以“I”型内置式转子为例，主要表现为：1）由于转子离心力分布载荷的力臂很长，大弯矩造成隔磁桥处的大应力和相邻隔磁桥的中间位置处的大形变，且应力与形变随转速的增加而迅速增加。受转子硅钢片屈服强度和电机气隙长度的制约，电机的最大安全运行转速难以提高；2）气隙磁密波形的正弦度难以调节，谐波分量较大，影响了电机的转矩脉动、振动噪声、效率等性能指标；3）结构上和磁路上的原因制约了硅钢片各处的最小尺寸，转子的径向厚度较大，增加了转子的重量和转动惯量。所以，表贴式和常规的内置式转子结构永磁电机难以满足高速运行工况下驱动系统对电机的要求。

发明内容

本发明的目的在于提出一种高品质高速内置式永磁电机转子及其磁钢结构参数确定方法，克服已有技术存在的缺点，提高电机的最大安全运行转速，改善磁场波形、抑制磁场谐波分量，降低转矩脉动和振动噪声，减小损耗、提高电机效率。同时，最大限度地降低转子所占用的空间，实现小惯量和轻量化，以提高电机的功率/转矩密度和动态响应性能。

为了达到上述目的，本发明的构思是：每一极的磁钢由多段不同宽度的同极性磁钢组成，通过调制各段磁钢的宽度和分布，使气隙磁密波形逼近正弦分布。同时，各段磁钢之间设置有隔磁作用的加强筋。分段磁钢减小了转子离心力分布载荷的力臂，降低了弯矩造成的应力和形变。

根据上述发明构思，本发明的技术方案是：

一种高品质的高速内置式永磁电机转子，包括转子铁心(3)及内置于其中的磁钢(1)，其特征在于：

a.每一极的磁钢(1)由同极性的奇数段磁钢组成；

b.每一极的奇数段磁钢沿转子圆周分别内置于转子铁心(3)中；中间一段磁钢的中心线与极中心线重合，其余偶数段磁钢在其两侧对称分布，两侧对称位置处的磁钢尺寸相同；各相邻两段磁钢之间设置有隔磁作用的加强筋(2)；

c.每一极奇数段磁钢(1)的宽度按照气隙磁密波形正弦分布的原则调制确定，从而得到中间一段磁钢的宽度最大，向两侧磁钢的宽度依次减小。

上述的高品质高速内置式永磁电机转子的磁钢结构参数确定方法，其特征在于所述各段磁钢宽度和分布位置确定的具体步骤为：

用2n+1段阶梯波逼近正弦波磁密分布：θ=π/2的极中心处段记为n，其余n±i，i=1~n，共2n段关于极中心对称分布，n为除零外的自然数；

(a) 各段的宽度（电弧度）为：

   (1)

中间段的宽度w_n决定于结构和磁路需要，取

   (2)

(b) 阶梯波各节点的位置：

   (3)

(c) 各段的高度为：

    (4)

中间段的间隙的最小值δ_nmin≥0决定于结构和磁路，则

(5)

(d) 各磁钢段的空隙计算：

  (6)

(e) 各段磁钢间的间隙计算：

   (7)

(f) 各段磁钢的宽度为：

  (8)

(g) 各段磁钢宽度的修正：

考虑磁钢漏磁、铁心饱和的影响，各段磁钢的实际宽度需要略有补偿：

   (9)

式中Δb_i，i=0~2n，且Δb_i=Δb_2n-i，i=n+1~2n的具体数值需通过磁场精确计算得到，使气隙磁密波形逼近正弦波，各段磁钢间的间隙需相应地调整为：

                (10)

其原理如下：

从力学角度分析，分段磁钢降低了隔磁桥处的应力和相邻隔磁桥的中间位置处的形变，最大应力点由隔磁桥分散到多个承载能力很强的加强筋上，各加强筋的宽度由电机的最高转速决定，使转子安全运行的最高转速显著增强。

从结构和磁路角度分析，分段磁钢沿转子圆周内置，可以减小转子的径向厚度，重量和转动惯量明显下降。

从电磁性能角度分析，用2n+1段阶梯波逼近正弦波磁密，采用各段阶梯波与正弦波面积相等的方法调制各段磁钢的宽度，改进气隙磁密波形，使其逼近正弦分布，减小谐波分量。由于分段磁钢内置于转子铁心中，受磁钢漏磁、铁心饱和的影响，各段磁钢的宽度需要采用精确计算补偿修正。

本发明与现有技术相比，具有如下实质性特点和显著优点：

(1)   分段磁钢降低了隔磁桥处的应力和相邻隔磁桥的中间位置处的形变，最大应力点由隔磁桥分散到多个设置在同极性的分段磁钢间的承载能力很强的加强筋上，增加了转子的机械强度和刚度，使电机最大安全运行转速明显提高。

(2)   合理设计磁钢、加强筋、隔磁桥的关键尺寸，使气隙磁密波形逼近正弦波分布，有效地抑制谐波分量，降低转矩脉动和振动噪声，减小铁心损耗，提高电机效率。

(3)   由于分段磁钢沿转子圆周分别内置于转子铁心中，可以减小转子径向厚度，实现电机的轻量化和高功率/转矩密度；同时可以减小转动惯量，提高动态响应的性能。

(4)   磁钢分段后，磁钢的涡流损耗显著下降；转子铁心采用硅钢片后，定子齿槽引起的转子表面损耗被抑制在最小范围；从而转子温升降低，磁钢的磁性能稳定。

(5)   分段磁钢间的各加强筋对电枢反应的去磁磁势的分流作用有效地降低了磁钢不可逆退磁的危险性。

附图说明

图1是本发明的一种磁极分5段的高品质的高速内置式永磁电机转子的磁钢结构示意图。

图2是本发明的一种磁极分5段的磁钢宽度按气隙磁密正弦分布调制的原理图。

具体实施方法

下面结合附图和优先实施实例对本发明作进一步说明：

实施例一：

本高品质的高速内置式4极永磁电机转子，包括转子铁心(3)及内置于其中的磁钢(1)，其特征在于：

(1) 每一极的磁钢(1)由同极性的奇数段磁钢组成；

(2)每一极的奇数段磁钢沿转子圆周分别内置于转子铁心(3)中；中间一段磁钢的中心线与极中心线重合，其余偶数段磁钢在其两侧对称分布，两侧对称位置处的磁钢尺寸相同；各相邻两段磁钢之间设置有隔磁作用的加强筋(2)；

(3)每一极奇数段磁钢(1)的宽度按照气隙磁密波形正弦分布的原则调制确定，从而得到中间一段磁钢的宽度最大，向两侧磁钢的宽度依次减小。

具体见图1。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特征之处是磁极分5段。与常规结构相比，每一极由同极性的5段磁钢（1a、1b、1c、1d、1e）组成，沿转子圆周分别内置于转子铁心（3）中，中间一段磁钢（1c）的中心线与极中心线重合，磁钢（1b、1d）和磁钢（1a、1e）在磁钢（1c）的两侧对称分布，磁钢（1b）与磁钢（1d）、磁钢（1a）与磁钢（1e）的尺寸相同，各段磁钢之间设置有隔磁作用的加强筋（2a、2b、2c、2d），磁钢（1a、1e）与转子外圆之间设有隔磁桥（4a、4b），它们与相邻的异极性磁极间存在有q-轴磁路。加强筋（2a、2b、2c、2d）最窄处的尺寸和隔磁桥（4a、4b）的尺寸需满足电机最高转速运行的机械强度和磁路要求。5段磁钢（1a、1b、1c、1d、1e）的宽度按照气隙磁密正弦分布的原则调制，具体步骤如下：

用5段（n=2，k=1/3）阶梯波逼近正弦波分布，（如图2所示）。θ=π/2的极中心处段记为2，其余4段关于极中心对称分布。

(a) 由式(1)计算各段的宽度（电弧度）：

w₀=0.5236，w₁=0.5236，w₂=1.0472，w₃=0.5236，w₄=0.5236。

(b) 由式(3)计算阶梯波各节点的位置：

θ₀=0，θ₁=0.5236，θ₂=1.0472，θ₃=2.0944，θ₄=2.6180，θ₅=3.1416。

(c) 由式(4)计算各段的高度：

h₀=0.2559，h₁=0.6991，h₂=0.9549，h₃=0.6991，h₄=0.2559。

(d) 取B=1.1，由式(6) 计算各磁钢段的空隙：

g₀=0.4021，g₁=0.1915，g₂=0.1400，g₃=0.1915，g₄=0.4021。

(e) 由式(7) 计算各段磁钢间的间隙：

δ₀=0.2010，δ₁=0.2968，δ₂=0.1658，δ₃=0.1658，δ₄=0.2968，δ₅=0.2010。

(f) 由式(8)计算各段磁钢的宽度：

b₀=0.1215，b₁=0.3321，b₂=0.9072，b₃=0.3321，b₄=0.1215。

(g) 各段磁钢宽度的修正：

考虑磁钢漏磁、铁心饱和的影响，各段磁钢的实际宽度需要略有的补偿，使气隙磁密逼近正弦分布，用有限元精确计算后得各段磁钢的增量为：

Δb₀=0.0460，Δb₁=0.0656，Δb₂=0，Δb₃=0.0656，Δb₄=0.0460。

由式(9)计算各段磁钢的实际宽度：

b^'₀=0.1675，b^'₁=0.3977，b^'₂=0.9072，b^'₃=0.3977，b^'₄=0.1675。

由式(10)计算各段磁钢间的间隙：

δ^'₀=0.1780，δ^'₁=0.2410，δ^'₂=0.1330，δ^'₃=0.1330，δ^'₄=0.2410，δ^'₅=0.1780。