一种新型扁线永磁同步电机定转子冲片结构

1.本发明涉及永磁电机技术领域，具体涉及一种新型扁线永磁同步电机定转子冲片结构。


背景技术：

2.目前，绝大部分新能源汽车的驱动电机使用了永磁电机，其永磁体设置较高的剩磁密度，同时电机的定子槽数普遍偏多，因此引起了齿槽转矩等一系列问题。这些问题不仅使汽车的稳定运行性能降低，甚至使汽车驱动系统的可靠性下降、使用寿命降低。因此在设计驱动电机时，削弱齿槽转矩是必须考虑的电机设计环节和设计规范。
3.在永磁电机中，永磁体产生电机内部的永磁磁场。由于圆形转子与定子之间的均匀气隙磁密在空间分布近似呈平顶波，因此在气隙磁密中含有较丰富的谐波。这些谐波在电机运行中引起转矩脉动，影响电机的运行效率以及驱动系统的控制精度。因此，优化气隙磁密波形、削弱气隙磁密的谐波含量，对抑制永磁电机的转矩脉动具有重要意义。


技术实现要素：

4.本发明提供一种新型扁线永磁同步电机定转子冲片结构，可达到削弱齿槽转矩、优化电机转矩脉动的目的。
5.本发明的基础设计方案如下：在扁线电机的定子齿上开辅助槽，同时将每极下的转子外径调整为与定子冲片不同心的圆弧形外径，结合定子冲片内径形成不均匀气隙结构，并通过扇形凹槽连接每极下的不同心转子外径。
6.本方案的原理及优点。(1)原理：当永磁电机不通电、定转子存在相对运动时，处在永磁磁极间的大部分极弧下的定子齿和磁极之间的磁导几乎不变，而位于永磁磁极边缘的定子齿所形成的区域内，磁导变化大，引起磁场能量的变化，从而产生齿槽转矩，磁场能量w表达式和齿槽转矩t
cog
表达式见式(1)和式(2)。表达式见式(1)和式(2)。式中，v为气隙中引起磁场能量变化的体积，θ为磁极中心线位置，α为定子齿中心线和磁极中心线夹角，μ0为真空磁导率，b为气隙磁密沿定子表面的分布参数，q为定子槽数，la为定转子铁心长度，r1和r2分别为转子铁心内半径和定子铁心内半径，f为永磁体磁动势，δ(θ，α)为气隙长度，f
nq/2p
为f2(θ)的傅里叶展开项，gn为1/δ2(θ，α)的傅里叶展开项，n为使nq/2p为整数的整数。在电机的定子齿上开设辅助槽，使定转子之间的气隙变大、磁阻变大和磁导变小，因磁导变小所引起磁场能量的变化程度也减小，进而削弱齿槽转矩；在内置式永磁电机中，因永磁体内置于转子铁心中，忽略铁磁材料的磁压降，则在一极下的定子内
表面和转子外表面分别是等磁位面，两者间的磁位差就是气隙磁动势f。设气隙沿圆周分布的变量为δ(θ)，则气隙磁密的在电机中的分布b(θ)见式(3)。通过调节不均匀气隙结构的气隙比(δ1/δ2)，可以优化气隙磁密波形和削弱对齿槽转矩起作用的磁势谐波分量，进而削弱齿槽转矩和抑制转矩脉动过大。(2)优点：通过上述的定子开辅助槽及不均匀气隙结构，不仅可以有效地削弱齿槽转矩和优化输出转矩脉动，而且方法容易实现和对原材料的损耗较小。
7.进一步，定子辅助槽为矩形槽和半圆形槽。选择这样形状的辅助槽对电机的气隙磁密和磁动势谐波分量有很好的优化作用，同时使气隙磁密的分布更接近正弦分布。
8.进一步，每个定子齿上开设的辅助槽个数和位置均相同，且单个齿开槽个数应≤3个。
9.进一步，定子辅助槽的开槽位置取决于在定子单个齿上的开槽个数。当开槽个数为1时，开槽位置为定子齿主中心线位置；当定子辅助槽个数为2时，开槽位置为两侧齿的副中心线位置；当开槽个数为3时，开槽位置为齿主中心线及两侧齿的副中心线位置。
10.进一步，上述确定了定子辅助槽形状和位置，开槽的槽宽和槽深设计值须结合仿真软件的参数化扫描功能，筛选出在保证输出转矩额定输出的条件下，对削弱齿槽转矩和优化转矩脉动效果最好的参数组合。
11.进一步，将每个磁极下的转子外径调整成与定子冲片不同心、原转子的圆形外径变为圆弧形外径，从而使定转子之间的均匀气隙结构变为不均匀气隙结构。通过调整偏心距(k)和气隙最小长度(δ2)，并确定最优气隙比(δ1/δ2)，可以改善气隙磁密波形、削弱磁动势谐波分量，达到削弱齿槽转矩和优化转矩脉动的目的。
12.进一步，在转子交轴的外径位置设有扇形凹槽，既起到连接圆弧形外径的作用，同时防止两磁极之间的磁密过大，影响电机性能。
附图说明
13.图1为本发明所述实施例1的示意图；
14.图2为图1中a部分的放大图；
15.图3为本发明所述实施例2的示意图；
16.图4为图3中b部分的放大图；
17.图5为定子齿主中心线与副中心线的示意图；
18.图6为不均匀气隙结构的示意图；
具体实施方式
19.通过下述的实施方式进一步详细说明：
20.说明书附图中标记包括：定子冲片1、定子槽2、定子辅助槽3、转子冲片4、轴5、减重孔6、磁钢孔7、上矩形定位孔8、圆形定位孔9、下矩形定位孔10、不均匀气隙11、扇形凹槽12、主中心线13、副中心线14、单个定子齿水平长度l、两侧齿水平长度l1和l2、直轴d、交轴q、偏心距k、最小气隙长度δ1、最大气隙长度δ2、原转子外径x1、不同心转子外径x2。
21.实施例1，如图1、图2、图5所示：在定子冲片1的每个定子齿上开设两个矩形辅助槽3，在两侧齿的副中心线位置作为开设辅助槽的位置，其中主中心线13在l的中间位置，副中心线14在l1、l2的中间位置，l、l1、l2之间的关系为：
22.l＝l1+l2；
23.l1＝l2。
24.转子冲片4上开设八个减重孔6，其位置被轴孔5和三种定位孔所包围且减重孔均布在转子冲片4上。通过上矩形定位孔8、圆形定位孔9、下矩形定位孔10对转子冲片4定位，便于转子冲片4叠压成型。如图6所示，不均匀气隙11由转子冲片4的不同心转子外径x2和定子冲片1的内径两部分构成，其中转子每段不同心转子外径x2的中心位置对应直轴d的位置，此位置的气隙长度最小为δ1。在转子冲片4的外径上设计八个扇形凹槽12，其中心位于两个磁极的中间位置即q轴位置，并连接两磁极下的不同心转子外径x2。扇形凹槽两端位置定义为气隙长度最大的位置，即δ2。偏心距k末端为不同心转子外径x2的圆心位置且通过改变其长度，可以改变最大气隙长度δ2。不同心转子外径x2所对应转子直轴d的位置与原转子外径x1对应转子直轴d位置重合，因此转子外径调整前后最小气隙长度δ1相同。
25.具体实施过程如下：实施例1中对定子冲片1采取每个齿上开两个矩形辅助槽处理，开槽位置在两侧齿的副中心线位置上，辅助槽的槽宽和槽深设计长度通过仿真软件maxwell的参数化扫描功能优化选取，观察多组齿槽转矩曲线、输出转矩脉动幅值和相应的气隙磁密曲线，在保证电机额定的输出转矩前提下，确定最优的槽宽、槽深。转子冲片4上的上矩形定位孔8、圆形定位孔9、下矩形定位孔10对转子冲片4定位，便于对转子冲片4叠压，同时结合八个均布在转子冲片4上的减重孔6，它们内部的的空气起到了规范电机内部的磁密曲线走向的作用，防止局部磁密出现过大的情况。原转子每极下的圆形外径调整为不同心转子外径x2，结合定子冲片1内径形成不均匀气隙结构，使原电机定转子之间的磁位差发生改变，调整偏心距k、气隙最小长度δ1及确定最优气隙比δ1/δ2，从而改善气隙磁密波形和削弱齿槽转矩，进而达到优化电机负载运行的转矩脉动的目的。
26.实施例2，如图3、图4所示，本实施例与实施例1的区别仅在于定子辅助槽的形状优矩形槽改为半圆形槽，通过两个实施例对比可观察两种定子辅助槽对齿槽转矩的削弱程度以及对气隙磁密波形的改善程度的效果，选择最优的辅助槽型。
27.上述内容为本发明的基本原理和主要特征。上述的一些实施例，不是全部的实施例。在不脱离本发明精神和范围及本领域普通技术人员没有作出创造性劳动前提下，本发明还会有各种改进，这些改进都属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种新型扁线永磁同步电机定转子冲片结构，其特征在于：在定子齿上开辅助槽(3)，同时将每极下的转子外径做成与定子冲片不同心的圆弧形外径、结合定子冲片内径形成不均匀气隙(11)结构，并以扇形凹槽(12)连接每极下的圆弧形外径。2.根据权利要求1所述的一种新型扁线永磁同步电机定转子冲片结构，其特征在于设计辅助槽形状为矩形槽、半圆形槽。3.根据权利要求1所述的一种新型扁线永磁同步电机定转子冲片结构，其特征在于定子齿上开设辅助槽时，在每个齿上开设的辅助槽个数与位置都相同，且考虑到单个定子齿的长度以及辅助槽的槽宽裕量，单个齿辅助槽开设个数应≤3。4.根据权利要求1所述的一种新型扁线永磁同步电机定转子冲片结构，其特征在于当定子单个齿上辅助槽个数为1时，开槽位置为齿主中心线(l)位置，单个齿上辅助槽个数为2时，开槽位置为两侧齿副中心线(l1、l2)位置，单个齿上辅助槽个数为3时，开槽位置为齿主中心线位置及两侧齿副中心线位置。5.根据权利要求1-4所述的一种新型扁线永磁同步电机定转子冲片结构，其特征在于当定子辅助槽形状、开槽位置及开槽个数确定后，调整辅助槽的槽深和槽宽，筛选出削弱齿槽转矩与抑制转矩脉动的最优参数组合。6.根据权利要求1所述的一种新型扁线永磁同步电机定转子冲片结构，其特征在于不均匀气隙，使每极下的转子外径，调整为与定子冲片不同心的圆弧形外径，并结合定子冲片内径形成不均匀气隙结构。7.根据权利要求1、6所述的一种新型扁线永磁同步电机定转子冲片结构，其特征在于不均匀气隙结构，在转子交轴(q)的外径位置开设扇形凹槽，连接每磁极下的圆弧形外径。8.根据权利要求1、6、7所述的一种新型扁线永磁同步电机定转子冲片结构，其特征在于不均匀气隙结构，调整偏心距(k)与最小气隙长度(δ2)并确定最优气隙比(δ1/δ2)，达到削弱齿槽转矩与抑制转矩脉动的目的。

技术总结
发明名称一种新型扁线永磁同步电机定转子冲片结构摘要本发明提供了一种新型扁线永磁同步电机定转子冲片结构，属于电机技术领域。本发明的定转子结构可以有效削弱内置式永磁电机的齿槽转矩，同时优化电机在负载运行时转矩脉动过大的问题。其技术方案为：在定子齿上开设辅助槽处理，每个磁极下的转子外径做成与定子冲片不同心的圆弧形外径、结合定子冲片内径形成不均匀气隙结构，并在转子交轴的外径位置开扇形凹槽连接每极下的圆弧形外径。本发明的有益效果为：削弱内置式永磁电机齿槽转矩和优化转矩脉动，优化电机的气隙磁场分布和气隙磁密波形。隙磁密波形。隙磁密波形。


技术研发人员：梁艳萍 李满雪 陈明慧 张海洋 绳亚辉
受保护的技术使用者：哈尔滨理工大学
技术研发日：2023.05.19
技术公布日：2023/8/23