本發(fā)明主要涉及永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

背景技術(shù)：

永磁電機(jī)具有體積小、重量輕、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，動(dòng)態(tài)平衡性能好等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)得到廣泛的研究和應(yīng)用。目前常規(guī)的永磁電機(jī)由于定子和轉(zhuǎn)子的齒和槽結(jié)構(gòu)對(duì)磁路的影響，氣隙磁密度分布會(huì)呈現(xiàn)較強(qiáng)的周期波浪特性，氣隙磁密波含有大量高次諧波，對(duì)電機(jī)性能產(chǎn)生不利影響。同時(shí)，由于永磁電機(jī)通常采用id＝0控制，磁阻轉(zhuǎn)矩沒有得到充分利用，造成能量損耗。因此需要對(duì)永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高電機(jī)的有效轉(zhuǎn)矩密度，達(dá)到節(jié)能效果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供了一種貼片式雙層磁通槽永磁同步電機(jī)，相對(duì)傳統(tǒng)永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度得到明顯增加，且能充分有效利用永磁轉(zhuǎn)矩分量和磁阻轉(zhuǎn)矩分量，提高了電機(jī)性能。

技術(shù)方案：為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了以下技術(shù)方案：一種貼片式雙層磁通槽永磁同步電機(jī)，包括殼體，設(shè)在殼體內(nèi)壁的定子和設(shè)在定子中心軸處的電機(jī)轉(zhuǎn)子，所述電機(jī)轉(zhuǎn)子包括中心轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子鐵芯、和永磁體，所述轉(zhuǎn)子鐵芯的外表面均勻的設(shè)有多個(gè)扇形凹槽，所述永磁體為扇形且永磁體的寬度小于扇形凹槽的寬度，所述永磁體分別設(shè)在扇形凹槽內(nèi)并與轉(zhuǎn)子鐵芯的外徑平齊，且所述永磁體分別處于各自扇形凹槽同一側(cè)；所述轉(zhuǎn)子鐵芯還內(nèi)設(shè)有與扇形凹槽對(duì)應(yīng)數(shù)量和對(duì)應(yīng)位置的均為U形結(jié)構(gòu)的內(nèi)層通槽和外層通槽，且所述內(nèi)層通槽和外層通槽均包括直底邊，以及與直底邊兩端分別連接的兩個(gè)對(duì)稱的直側(cè)翼，且內(nèi)層通槽和外層通槽的兩個(gè)直底邊相互平行，所述內(nèi)層通槽和外層通槽設(shè)置有用于導(dǎo)通磁通的磁橋。

對(duì)上述技術(shù)方案進(jìn)行改進(jìn)，還包括前端蓋和后端蓋，所述前端蓋和后端蓋設(shè)在外殼的兩端，且所述中心轉(zhuǎn)軸的兩端通過軸承設(shè)在前端蓋和后端蓋上。

進(jìn)一步的，還包括兩個(gè)永磁體固定筒，所述永磁體固定筒包括固定環(huán)和筒體，所述固定環(huán)設(shè)在筒體的一端，且兩者為一體設(shè)計(jì)，所述筒體的內(nèi)壁直徑與電極轉(zhuǎn)子的外包絡(luò)直徑一致，所述固定環(huán)的環(huán)寬大于筒體的壁厚，且固定環(huán)上設(shè)有用于與轉(zhuǎn)子鐵芯固接的安裝孔，所述兩個(gè)永磁體固定筒套接固定在再電機(jī)轉(zhuǎn)子的兩端。

對(duì)上述技術(shù)方案進(jìn)行改進(jìn)，在轉(zhuǎn)子鐵芯的截面并以轉(zhuǎn)子鐵芯的中心點(diǎn)為原點(diǎn)建立x-y二維坐標(biāo)系，使y軸與內(nèi)層通槽和外層通槽垂直并穿過內(nèi)層通槽和外層通槽的中心點(diǎn)，

所述內(nèi)層通槽的直側(cè)翼中心線端部與坐標(biāo)系原點(diǎn)的連線與y軸的夾角為a_in，且外層通槽的直側(cè)翼中心線端部與坐標(biāo)系原點(diǎn)的連線與y軸的夾角為a_out，且內(nèi)層通槽的直側(cè)翼中心線與y軸的夾角為a′_in，外層通槽的直側(cè)翼中心線與y軸的夾角為a'_out，扇形凹槽兩端線與y軸的夾角為a_air，且扇形凹槽底部弧線所占圓心角為θ_air，且扇形永磁體所占圓心角為θ_pm，且扇形永磁體遠(yuǎn)離扇形凹槽一側(cè)的端線與y軸的夾角為a_pm，且

所述內(nèi)層通槽的直底邊和直側(cè)翼的寬度分別為h1和q1,外層通槽的直底邊和直側(cè)翼的寬度分別為h2和q2，且他們滿足h₂＜h₁，0.5h₁＜q₁＜h₁，0.5h₂＜q₂＜h₂；

所述外層通槽上磁橋的寬度為w₂，所述內(nèi)層通槽上磁橋的寬度為w₁，w₂和w₁的取值范圍通過公式(1)和(2)獲?。?/p>

w₁＝K₁w₂ (2)

式中，B_r為永磁體剩磁，B_air為轉(zhuǎn)子鐵芯材料飽和磁通密度值，K₂為外層磁橋?qū)挾认禂?shù)；K_pm為永磁體工作點(diǎn)系數(shù)，K₁為內(nèi)層通槽上磁橋的寬度系數(shù)，l_PM為扇形凹槽的徑向厚度，l_rib為內(nèi)層通槽直側(cè)翼上的磁橋與直側(cè)翼中心線端部的距離，b為內(nèi)層通槽的直側(cè)翼與扇形凹槽最近端的距離，且內(nèi)層通槽直側(cè)翼與轉(zhuǎn)子鐵芯的外壁的距離也為b。

作為優(yōu)選，所述內(nèi)層通槽上磁橋的寬度系數(shù)的取值范圍為1＜K₁≤1.5，，，l_rib＞l_pm。

作為優(yōu)選，所述外層磁橋?qū)挾认禂?shù)的取值范圍為0.7≤K₂≤1。

作為優(yōu)選，所述永磁體工作點(diǎn)系數(shù)的取值范圍為0.8≤K_pm≤1。

作為優(yōu)選，所述內(nèi)層通槽直側(cè)翼上的磁橋與直側(cè)翼中心線端部的距離l_rib大于扇形凹槽的徑向厚度l_PM。

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：采用雙層U型通槽結(jié)構(gòu)和表面扇形凹槽，增大了電機(jī)磁阻轉(zhuǎn)矩，與此同時(shí)對(duì)永磁體和雙層U型通槽和凹槽之間的相對(duì)位置和尺寸大小進(jìn)行優(yōu)化，使永磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩最大疊加獲得最高的有效轉(zhuǎn)矩密度；

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述永磁同步電機(jī)的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明所述永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明所述永磁體固定筒的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明所述永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子雙層通槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖；

圖5為本發(fā)明所述永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子的端面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為普通永磁電機(jī)的間隙距離與磁場(chǎng)強(qiáng)度的曲線圖；

圖7為本發(fā)明所述永磁同步電機(jī)的間隙距離與磁場(chǎng)強(qiáng)度的曲線圖；

圖8為本發(fā)明所述永磁同步電機(jī)與普通永磁電機(jī)在不同功率角下電磁轉(zhuǎn)矩特性曲線圖；

圖9為本發(fā)明具體實(shí)施方式中所述普通永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。

其中，定子1、電機(jī)轉(zhuǎn)子2、中心轉(zhuǎn)軸3、轉(zhuǎn)子鐵芯4、永磁體5、扇形凹槽6、內(nèi)層通槽7、外層通槽8、磁橋9、前端蓋10、后端蓋11、永磁體固定筒12、固定環(huán)13、筒體14、安裝孔15。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定的范圍。

如圖1～8所示，本發(fā)明的貼片式雙層磁通槽永磁同步電機(jī)，主要包括殼體、前端蓋、后端蓋、設(shè)在殼體內(nèi)壁的定子和設(shè)在定子中心軸處的電機(jī)轉(zhuǎn)子，其中：定子固定在殼體的內(nèi)壁上，所述電機(jī)轉(zhuǎn)子的中心轉(zhuǎn)軸的兩端架設(shè)在前端蓋和后端蓋上，并通過軸承進(jìn)行承托。

本發(fā)明的電機(jī)轉(zhuǎn)子包括中心轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子鐵芯、和永磁體，所述轉(zhuǎn)子鐵芯的外表面均勻的設(shè)有多個(gè)扇形凹槽，所述永磁體為扇形且永磁體的寬度小于扇形凹槽的寬度，所述永磁體分別設(shè)在扇形凹槽內(nèi)并與轉(zhuǎn)子鐵芯的外徑平齊，且所述永磁體分別處于各自扇形凹槽同一側(cè)；所述轉(zhuǎn)子鐵芯還內(nèi)設(shè)有與扇形凹槽對(duì)應(yīng)數(shù)量和對(duì)應(yīng)位置的均為U形結(jié)構(gòu)的內(nèi)層通槽和外層通槽，且所述內(nèi)層通槽和外層通槽均包括直底邊，以及與直底邊兩端分別連接的兩個(gè)對(duì)稱的直側(cè)翼，且內(nèi)層通槽和外層通槽的兩個(gè)直底邊相互平行，所述內(nèi)層通槽和外層通槽設(shè)置有用于導(dǎo)通磁通的磁橋。由于轉(zhuǎn)子在高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會(huì)發(fā)熱，設(shè)在扇形凹槽表面的扇形永磁體與鐵芯之間通常采用粘膠劑粘結(jié)，在受熱膨脹時(shí)可能出現(xiàn)永磁體偏移甚至松動(dòng)脫落，因此本發(fā)明進(jìn)一步在電機(jī)轉(zhuǎn)子的兩端分別套接永磁體固定筒，該永磁固定筒包括固定環(huán)和筒體，所述固定環(huán)設(shè)在筒體的一端，且兩者為一體設(shè)計(jì)，所述筒體的內(nèi)壁直徑與電極轉(zhuǎn)子的外包絡(luò)直徑一致，所述固定環(huán)的環(huán)寬大于筒體的壁厚，且固定環(huán)上設(shè)有用于與轉(zhuǎn)子鐵芯固接的安裝孔，通過螺栓將永磁體固定筒安裝套接在電機(jī)轉(zhuǎn)子的兩端，隨電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。

如圖4和5所示，本發(fā)明轉(zhuǎn)子鐵芯沖片在軸向疊合形成轉(zhuǎn)子鐵芯，對(duì)鐵芯沖片上扇形凹槽、U型內(nèi)層通槽和外層通槽的尺寸和相對(duì)方位進(jìn)行優(yōu)化：在轉(zhuǎn)子鐵芯的截面并以轉(zhuǎn)子鐵芯的中心點(diǎn)為原點(diǎn)建立x-y二維坐標(biāo)系，使y軸與內(nèi)層通槽和外層通槽垂直并穿過內(nèi)層通槽和外層通槽的中心點(diǎn)，以磁極對(duì)數(shù)為2對(duì)為例，扇形凹槽、永磁體、雙層通槽的相對(duì)位置和尺寸關(guān)系如下：

所述內(nèi)層通槽的直側(cè)翼中心線端部與坐標(biāo)系原點(diǎn)的連線與y軸的夾角為a_in，且外層通槽的直側(cè)翼中心線端部與坐標(biāo)系原點(diǎn)的連線與y軸的夾角為a_out，且a_out＝22.5°，n為磁極對(duì)數(shù)；內(nèi)層通槽的直側(cè)翼中心線與y軸的夾角為a′_in，外層通槽的直側(cè)翼中心線與y軸的夾角為a′_out，扇形凹槽兩端線與y軸的夾角為a_air，且a′_in＝a'_out＝a＝a_air＝45°；扇形凹槽底部弧線所占圓心角為θ_air，且θ_air＝67.5°；扇形永磁體所占圓心角為θ_pm，且θ_pm＝22.5°；扇形永磁體遠(yuǎn)離扇形凹槽一側(cè)的端線與y軸的夾角為a_pm，且a_pm＝11.25°；

內(nèi)層通槽的直底邊和直側(cè)翼的寬度分別為h₁＝4.25mm,q₁＝2.9mm；外層通槽的直底邊和直側(cè)翼的寬度分別為h₂＝2.83mm,q₂＝2mm；內(nèi)層通槽的直側(cè)翼與扇形凹槽最近端的距離以及內(nèi)層通槽直側(cè)翼與轉(zhuǎn)子鐵芯的外壁的距離相同均為b＝0.5mm。

所述外層通槽上磁橋的寬度為w₂，所述內(nèi)層通槽上磁橋的寬度為w₁，w₂和w₁的取值范圍通過公式(1)和(2)獲?。?/p>

w₁＝K₁w₂ (2)

式中，B_r為永磁體剩磁，取值為1.25T，B_air為轉(zhuǎn)子鐵芯材料飽和磁通密度值，取值為2T，K₂為外層磁橋?qū)挾认禂?shù)；K_pm為永磁體工作點(diǎn)系數(shù)，K₁為內(nèi)層通槽上磁橋的寬度系數(shù)，l_PM為扇形凹槽的徑向厚度，取值為3.5mm，l_rib為內(nèi)層通槽直側(cè)翼上的磁橋與直側(cè)翼中心線端部的距離，取值為5mm，b為內(nèi)層通槽的直側(cè)翼與扇形凹槽最近端的距離，且內(nèi)層通槽直側(cè)翼與轉(zhuǎn)子鐵芯的外壁的距離也為b。其中：所述內(nèi)層通槽上磁橋的寬度系數(shù)的取值范圍為K₁＝1.2；所述外層磁橋?qū)挾认禂?shù)的取值范圍為K₂＝0.72；所述永磁體工作點(diǎn)系數(shù)的取值范圍為K_pm＝0.85，計(jì)算得到外層通槽上磁橋的寬度為w₂＝1.5mm，內(nèi)層通槽上磁橋的寬度為w₁＝1.8mm。得到電機(jī)轉(zhuǎn)子的永磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩具有最大程度疊合，提高了電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度。

如圖6～8所示，通過ANSYS軟件對(duì)本發(fā)明的永磁同步電機(jī)進(jìn)行電機(jī)模型建立，然后經(jīng)過有限元分析得到電機(jī)間隙距離與磁場(chǎng)強(qiáng)度的曲線圖，從中可知本發(fā)明轉(zhuǎn)子氣隙磁密波形的正弦度明顯提升意味著磁極中心的磁密度有了顯著提高如圖6和7。從圖8可知，本發(fā)明永磁體利用率相對(duì)傳統(tǒng)永磁電機(jī)更高，即有效提高了電磁轉(zhuǎn)矩密度。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，并不限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。