一种降低内置式永磁电机磁钢涡流损耗的电机结构

摘要

本发明提供了一种降低内置式永磁电机磁钢涡流损耗的电机结构，包括转子和定子。其中，所述转子包括周向上分隔开的多个永磁体，每个永磁体的周向侧壁上布置有隔磁桥，其中隔磁桥的周向侧壁上形成有周向延伸的磁阻条。所述定子包括绕组以及在周向上处于绕组之间的齿部，其中所述齿部为偏心齿。

说明书

技术领域

本发明涉及永磁电机领域，更具体地说，本发明涉及一种降低内置式永磁 电机磁钢涡流损耗的电机结构。

背景技术

近年来，内置式永磁同步电机，由于其具有高效率，高功率密度等优点， 已经被广泛运用于新能源汽车行业。但是，对于内置式电机，永磁体一般为全 封闭结构，转子散热条件不好；在高速运行时，由于齿谐波和磁路结构不对称 等原因所产生的永磁体涡流损耗将导致永磁体升温，影响传感器的工作精度和 转子的结构强度，使得电机的效率降低，严重时甚至会造成永磁体的不可逆失 磁，这对于永磁电机来说是致命的。其中集中式绕组的内置式永磁同步电机， 由于其具有较大的定子槽距，因此磁钢涡流损耗问题最为严重。所以有必要探 索降低磁钢涡流损耗的方法。对此，国内外学者都做了不少研究。

对于永磁电机来说，减小转子磁钢涡流损耗最常用的方法就是磁钢分段， 磁钢分段可以分为永磁体的轴向分段和周向分段。然而，定转子结构以及定子 槽数、槽口宽度、气隙长度、屏蔽层、定子齿开辅助槽气隙、转子表面开辅助 槽、永磁体摆放方式等等因素的变化也可以影响转子磁钢涡流损。例如，针对 集中式绕组的内置式永磁电机，可以通过增大定转子之间磁路磁阻的方法来降 低磁钢涡流损耗的办法，但磁路磁阻增大的同时，电机转矩也有所降低。电机 转矩是电机的重要性能之一，转矩降低会影响电机的性能。

所以，现有技术中还没有提出一种特别有效的能够降低内置式永磁电机磁 钢涡流损耗的方案。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在上述缺陷，提供一种能 够在不影响电机的性能的情况下降低内置式永磁电机磁钢涡流损耗的电机结 构，从而使得能够提升电机效率，减少电机转子温升。其中，通过定子偏心齿 设计和转子内部磁阻条设计增大磁路磁阻的方法来降低磁钢涡流损耗，达到减 少电机温升和提升电机效率的目的。

为了实现上述技术目的，根据本发明，提供了一种降低内置式永磁电机磁 钢涡流损耗的电机结构，包括：转子和定子；其中所述转子包括周向上分隔开 的多个永磁体，每个永磁体的周向侧壁上布置有隔磁桥，其中隔磁桥的周向侧 壁上形成有周向延伸的磁阻条。

优选地，所述定子包括绕组以及在周向上处于绕组之间的齿部，其中所述 齿部为偏心齿。

优选地，磁阻条的延伸长度介于永磁体的长度的十分之一至三十分之一之 间。

优选地，磁阻条的延伸长度介于永磁体10的长度的十五分之一至二十分之 一之间。

优选地，磁阻条固定于隔磁桥的周向侧壁的中央位置。

优选地，磁阻条的形状是矩形条状。

优选地，磁阻条的形状是圆柱形状。

优选地，永磁体为矩形结构。

附图说明

结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明有更完整 的理解并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：

图1示意性地示出了电机磁链分布。

图2示意性地示出了根据本发明优选实施例的电机结构的六分之一电机3D 模型。

图3示意性地示出了根据本发明优选实施例的电机结构的部分电机2D模 型。

图4示意性地示出了根据本发明优选实施例的隔磁桥优化的局部平面结构 图。

图5示意性地示出了根据本发明优选实施例的定子齿部偏心设计的局部结 构图。

图6示意性地示出了根据本发明优选实施例的定子齿部偏心设计的原理解 释平面结构图。

图7示意性地示出了根据现有技术的均匀气隙平面结构图。

图8示意性地示出了根据本发明优选实施例的不均匀气隙平面结构图。

需要说明的是，附图用于说明本发明，而非限制本发明。注意，表示结构 的附图可能并非按比例绘制。并且，附图中，相同或者类似的元件标有相同或 者类似的标号。

具体实施方式

为了使本发明的内容更加清楚和易懂，下面结合具体实施例和附图对本发 明的内容进行详细描述。

本发明的发明人根据研究发现，可以通过定子偏心齿设计和转子内部磁阻 条设计以增大磁路磁阻的方法来降低磁钢涡流损耗，并且使得电机转矩没有明 显降低。

具体地，永磁体涡流损耗来源为:(1)PWM(脉冲宽度调制)逆变器所携带的 谐波电流；(2)定子齿谐波；(3)转子旋转造成的永磁体上磁链的变化。对于集中 式绕组的内置式永磁电机来说，磁钢涡流损耗主要来自于转子旋转造成的永磁 体上磁链的变化。如图1所示，其中示出了电机六分之一maxwell 2D模型磁链 分布图，如图1中箭头所示，可以看出磁链从定子穿过永磁体间的隔磁桥进入 转子。因此，考虑可以通过增大这条磁路的磁阻来减小永磁体上的涡流损耗。

由上述叙述可知，只要增加磁路磁阻就可以降低永磁体涡流损耗，但磁阻 增大的同时电机转矩也随之降低了。

图2示意性地示出了根据本发明优选实施例的电机结构的六分之一电机3D 模型，图3示意性地示出了根据本发明优选实施例的电机结构的六分之一电机 2D模型。而且图4示意性地示出了根据本发明优选实施例的隔磁桥优化示意平 面结构图。如图2、图3和图4所示，在本发明优选实施例中，可以在原有的隔 磁桥上加了一条磁阻条，解决了转矩降低的问题。

即，根据本发明优选实施例的电机结构包括转子100和定子200，其中所述 转子100包括周向上分隔开的多个永磁体10，每个永磁体10的周向侧壁上布置 有隔磁桥20，其中隔磁桥20的周向侧壁上形成有周向延伸的磁阻条30。

优选地，如图2、图3和图4所示，永磁体10为矩形结构。

其中,对于磁阻条30的具体结构，磁阻条30和隔磁桥20，其内部都是空 气或者真空，没有硅钢片。

针对图3的结构的有限元计算结果显示电机转矩并未降低，而涡流损耗却 大大降低了。且经过有限元仿真分析，磁阻条越长、越宽，涡流损耗越小，但 是考虑到转子的应力分析，要合适选取磁阻条的长度和宽度，否则转子硅钢片 可能会甩飞。优选地，磁阻条30的延伸长度介于永磁体10的长度的十分之一 至三十分之一之间。进一步优选地，磁阻条30的延伸长度介于永磁体10的长 度的十五分之一至二十分之一之间。

本发明的上述增加磁阻条30的结构改进可适用于各种电机型号，因此本发 明并不限于具体的磁阻条尺寸。对于磁阻条的位置，为实现最大的对称效应， 优选地磁阻条固定于隔磁桥的周向侧壁的中央位置。而且，例如，磁阻条30的 形状可以是矩形条状的磁阻条或者圆柱形状的磁阻条。

另一方面，气隙长度越大，涡流损耗越小，因此可以通过增大气隙来增加 磁阻，但相应的电机转矩也降低很多。由此，本发明的发明人考虑对定子齿部 利用偏心距设计来间接增大气隙长度的方法进行优化。

具体地，如图2、图3所示，所述定子200包括绕组40以及在周向上处于 绕组40之间的齿部50，其中所述齿部50为偏心齿。

在具体实施例中，定子齿部偏心设计可以如图5中原齿表示的现有技术以 及偏心齿所表示本发明实施例之间的比较所示；而且如图6所示，A为圆心，B 为偏心圆圆心，AB为偏心距，C和D为定子齿端部，以B为圆心，C为起点，D 为终点画圆弧即为偏心齿。原理上，偏心距越大，降耗效果越好，但要保证电 机转矩不能降低太多，要选择合适的偏心距。针对具体的电机，可以选择适当 的具体尺寸。

如图7，图7为直接增大气隙长度方案(下文统称方案1)，因此气隙是均匀 的，图8为偏心齿设计方案(下文统称方案2)，气隙为不均匀气隙。可以明显看 出，当图8中最大气隙长度与图7中的均匀气隙长度相同时，方案2的平均气 隙长度是小于方案1的均匀气隙长度的，而有限元所计算的涡流损耗值却小于 方案1(气隙长度越大，涡流损耗越小)，或接近相等(偏心程度很小时近似于均 匀气隙)，转矩也略大于方案1，可见方案2效果更佳。

本发明在原有的隔磁桥上加了一条磁阻条，解决了转矩降低的问题，对定 子齿部利用偏心距设计来间接增大气隙长度的方法进行优化，较直接增大气隙 长度的方法，转矩降低的较少。由此，本发明的有益技术效果至少包括：(1) 降低了磁钢上涡流损耗；(2)保证了单机转矩不降低或者仅仅轻微降低；(3) 提升了电机效率，降低了电机温升。

本发明利用增大磁路磁阻降低损耗的原理，对转子内部磁钢隔磁桥和定子 齿部进行了改进，在降低磁钢涡流损耗的同时保证了电机的转矩不变或者降低 的很小。由此，本发明克服了集中式绕组的内置式永磁电机磁钢涡流损耗问题， 提出定子偏心齿设计和转子内部磁阻条设计来增大磁路磁阻，从而降低磁钢涡 流损耗，并达到降低电机温升提升电机效率的目的。

此外，需要说明的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语“第 一”、“第二”、“第三”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤 等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。

可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并 非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技 术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多 可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发 明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、 等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。