适宜于产业化的内置式永磁电机转子磁场改进设计方法技术

本发明专利技术公开了一种适宜于产业化的内置式永磁电机转子磁场改进设计方法，所述方法包括如下步骤：步骤一、以转子一个磁极为一个单元，根据转子外圆尺寸和转子磁极数，确定阶梯形同心圆弧的阶梯数和每个阶梯形同心圆弧阶梯的半径；步骤二、通过步骤一确定的阶梯形同心圆弧形状，按照转子磁极数依次重复，即构成所有转子极下的凸极表面；步骤三、对转子外表面的每个磁极下的形状进行分段式处理。本发明专利技术能够在保证输出转矩的前提下，有效减小内置式永磁电机的齿槽转矩，促进内置式永磁电机的产业化技术发展。

【技术实现步骤摘要】
适宜于产业化的内置式永磁电机转子磁场改进设计方法
本专利技术涉及一种内置式永磁电机转子磁场设计方法，具体涉及一种满足批量化生产要求，工艺和结构简单、制造方便的凸极转子冲片结构设计方法。
技术介绍
内置式永磁电机，相对于表贴式永磁电机，具有结构坚固、易于加工、弱磁能力强的优点，已经广泛应用于新能源汽车、吸尘器等领域。不过，永磁体内置的结构令转子的交直轴电感不相等。随之而来的凸极效应会影响气隙磁场的正弦度，产生较大的齿槽转矩，降低电机输出转矩的平稳性，对系统的减震降噪也十分不利。现有技术中，定子斜槽、不等宽定子槽口、转子斜极等措施的原理是调整单元齿槽转矩的相位关系，使之相互抵消。但在降低齿槽转矩的同时，也会减小永磁电机的输出转矩，是牺牲输出转矩的方法，综合效果并不理想。在表贴式永磁电机中，最有效的方式是采用不均匀气隙长度设计，通过调整磁钢的外形达到使气隙磁密波形正弦，进而改善电势波形和定位力矩的目的。在内置式永磁电机中，有的人也采用类似的凸极转子来改善转子外表面的极弧分布，如图1所示，效果也比较明显。然而，普通凸极转子技术所采用的圆弧形表面与转子整体不同心。对于多极电机，凸极转子的圆弧形表面共有多个圆心，转子冲片的冲模制造十分困难，加工精度和生产成本很高。因此，现有技术中尚无适合于内置式永磁电机的，满足工艺简单、容易的产业化要求的转子冲片形状优化技术。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种适宜于产业化的内置式永磁电机转子磁场改进设计方法，该方法最大的好处是各个台阶都是同一个圆心的同心圆弧，好设计，好制造，能够在保证输出转矩的前提下，有效减小内置式永磁电机的齿槽转矩，促进内置式永磁电机的产业化技术发展。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种适宜于产业化的内置式永磁电机转子磁场改进设计方法，包括如下步骤：步骤一、以转子一个磁极为一个单元，根据转子外圆尺寸和转子磁极数，确定阶梯形同心圆弧的阶梯数和每个阶梯形同心圆弧阶梯的半径，其中：阶梯形同心圆弧的半径数值从最大值开始依次减小，差值在0.2mm~2.5mm之间，各段同心圆弧间的连接线与转子半径方向可以相同，也可以不同；步骤二、通过步骤一确定的阶梯形同心圆弧形状，按照转子磁极数依次重复，即构成所有转子极下的凸极表面；步骤三、对转子外表面的每个磁极下的形状进行分段式处理，其中：形状以磁极中心线为对称轴，左右对称；磁极中心线处气隙最小半径最大，形成以中心线为对称的阶梯形状；分段数为3~5，中心线处圆弧所占的总角度为总角度的三分之一；N极和S极所对应的表面处理方式完全相同。相比于现有技术，本专利技术具有如下优点：1、本专利技术设计了一种适宜于内置式永磁电机的阶梯弧形的转子冲片结构，可以获得与凸极转子类似的改善气隙磁密波形、降低定位力矩的效果。2、本专利技术可以大大简化转子冲模的制造工艺，提高制造精度，在不降低永磁电机输出转矩的前提下，达到减小电机力矩波动和振动噪声的效果，满足高性能内置式永磁电机的产业化需求。3、本专利技术适用于内置式永磁电机，通过特殊的凸极转子冲片设计达到专利技术目的。4、本专利技术改进优化的对象仅为转子表面形状，不改变转子内部隔磁桥的结构，不改变内置永磁体的排列方式，不受内置永磁体排列方式的限制。5、对于一字型、V字型、W字型、雁阵型等不同的永磁体排列，本专利技术均能起到良好的改善气隙极弧分布、降低齿槽转矩的效果。附图说明图1为圆弧形凸极转子冲片的示意图；图2为阶梯形同心弧的转子冲片示意图；图3为一个转子极下的阶梯形转子冲片设计示意图(na=3)；图4为传统的转子结构和气隙磁场波形，（a）圆柱形磁极表面，（b）气隙磁密波形；图5为阶梯弧形的转子结构和气隙磁场波形，（a）阶梯弧形磁极表面，（b）气隙磁密波形。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本专利技术技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本专利技术技术方案的精神和范围，均应涵盖在本专利技术的保护范围中。本专利技术提供了一种适宜于批量化生产的内置式永磁电机转子磁场改进设计方法，所述方法包括如下关键技术：关键技术一：通过一系列的阶梯形同心弧来构成所有转子极下的凸极表面，如图2所示。其主旨思想是，由一系列的阶梯形同心弧来构成圆弧形凸极转子的表面形状，造成类似于表贴式永磁电机不均匀气隙的效果。关键技术二：对转子外表面一个磁极下的形状进行分段式处理，如图3所示。核心要点，一是形状以磁极中心线为对称轴，左右对称；二是磁极中心线处气隙最小半径最大，往两边经过一个台阶，半径就小一点，形成以中心线为对称的阶梯形状。关键技术三：分段数na越多，所得到的气隙磁密形状越接近于正弦波。同时，每个分段对应的角度可以是等距的，也可以是不等距的，应根据关键技术二灵活确定。对于任何的分段数na或角度分布，均在本专利技术的保护范围之内。考虑到电机性能和工艺的复杂性，na一般取3~5比较合理，中心线处的总角度一般为总角度的三分之一左右。关键技术四：阶梯形同心圆弧的半径数值，依次减小，差值一般0.2mm~2.5mm之间，具体与转子外圆尺寸和转子磁极数有关。各段同心圆弧间的连接线，可以与转子半径方向相同，也可以不同，以构成封闭图形为最终目的。关键技术五：内置式永磁电机转子外表面形状的改进设计。以转子一个磁极为一个单元，总体设计只是与转子磁极数目有关，与磁极极性无关，即N极和S极所对应的表面，处理方式完全相同。同时，改进设计要充分考虑转子的结构强度，即永磁体隔磁桥的宽度应保证转子在离心力的作用下不会发生明显形变。本专利技术的基本原理具体说明如下：（1）一个传统的内置式永磁电机的转子外表面是一个圆柱面，形成的气隙磁密波形近似是平顶波（以V字型磁钢排列为例），如图4所示。（2）根据电机转子外圆尺寸和转子磁极数，确定同心圆弧形凸极参数（圆弧阶梯数和每个圆弧阶梯的半径），由此得到阶梯弧形的转子冲片的所有尺寸。阶梯弧形的转子的结构和气隙磁密波形如图5所示。实施例：如图3所示，本实施例所设计的内置式永磁电机定子外径为190mm，转子外径为110mm，轴向长度为100mm，气隙长度为2mm。转子8个磁极，采用2段V形磁钢设计。当转子采用圆柱形冲片设计时，气隙磁密幅值为0.69T，波形呈平顶波，基波幅值为0.85T，相电势幅值为97.5V，定位力矩为102mNm。当转子采用三段式阶梯弧形冲片设计时，气隙磁密幅值为0.73T，波形呈近似的正弦波，基波幅值为0.84T。相电势幅值为110.5V，较圆柱形冲片上升了13.3%。定位力矩为14.2mNm，较圆柱形冲片时下降了86.1%。计算结果证明，在输出转矩未减小的前提下，本专利技术可以有效改善内置式永磁电机的齿槽转矩，达到了预期的设计效果。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适宜于产业化的内置式永磁电机转子磁场改进设计方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：/n步骤一、以转子一个磁极为一个单元，根据转子外圆尺寸和转子磁极数，确定阶梯形同心圆弧的阶梯数和每个阶梯形同心圆弧阶梯的半径；/n步骤二、通过步骤一确定的阶梯形同心圆弧形状，按照转子磁极数依次重复，即构成所有转子极下的凸极表面；/n步骤三、对转子外表面的每个磁极下的形状进行分段式处理。/n

【技术特征摘要】
1.一种适宜于产业化的内置式永磁电机转子磁场改进设计方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
步骤一、以转子一个磁极为一个单元，根据转子外圆尺寸和转子磁极数，确定阶梯形同心圆弧的阶梯数和每个阶梯形同心圆弧阶梯的半径；
步骤二、通过步骤一确定的阶梯形同心圆弧形状，按照转子磁极数依次重复，即构成所有转子极下的凸极表面；
步骤三、对转子外表面的每个磁极下的形状进行分段式处理。


2.根据权利要求1所述的适宜于产业化的内置式永磁电机转子磁场改进设计方法，其特征在于所述步骤一中，阶梯形同心圆弧的半径数值从最大值开始依次减小，差值在0.2mm~2.5mm之间。


3.根据权利要求1所述的适宜于产业化的内置式永磁电机转子磁场改进设计方法，其特征在于所述步骤一中，各段同心圆...

【专利技术属性】
技术研发人员：李勇，刘飞，胡建辉，王骞，赵猛，刘承军，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23