CN102684337A - 分段斜极式永磁同步电机转子 - Google Patents

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Abstract

分段斜极式永磁同步电机转子，包括转轴和沿转轴的轴向均匀分布的多个转子单元，每个转子单元均包括沿转轴轴向连续的永磁体和导磁部，相邻转子单元的永磁体的磁极中心线之间有磁极夹角θ；永磁体和导磁部间隔分布，导磁部之间相互独立；磁极夹角θ=360°/[N*LCM(Z1,2p)]；其中，N为转子分段数，Z1为定子槽数，p为电机极对数，LCM(Z1,2p)为Z1和2p的最小公倍数。本发明提供了一种既能削弱齿槽效应，又能避免发生分段端部轴向漏磁，同时在隔板式转子结构中加入导磁部，引导磁场降低磁路磁阻，提高永磁体利用率的分段斜极式永磁同步电机转子。

Description

分段斜极式永磁同步电机转子
技术领域
本发明涉及一种永磁同步电机转子。
背景技术
永磁电机与传统励磁电机相比具有结构简单、损耗小、功率因数高、效率高、功率密度高、起动力矩大、温升低、轻量化等显著特点。随着稀土永磁材料（特别是钕铁硼永磁材料）磁性能的不断提高和完善以及价格的逐步降低，永磁电机研究开发逐步成熟，使永磁电机在国防、工农业生产和日常生活等方面获得了越来越广泛的应用。
永磁电机是依靠安装在转子上的永久磁铁产生磁场的电机，其定子结构与普通同/异步电机基本相同，即由硅钢片叠压构成的定子铁心和嵌在定子铁心槽内的定子线圈组成，并通以三相交流电从而在定子线圈内产生旋转磁场。永磁电机转子主要由转子铁心和永磁体构成，这是永磁电机与其他类型电机的主要区别，转子磁路结构是永磁电机的关键技术所在。转子采用的磁路结构不同，则电动机的运行性能、控制策略、制造工艺和使用场合也不同。
与其他类型的电机不同，永磁同步电机的主磁场由固定在转子上按一定规律分布的永磁体产生，为提高永磁体的利用效率，制造结构紧凑的电机，往往气隙较小，因此气隙磁密分布受定子槽的影响较大。这对电机运行而言引来了齿槽转矩，使输出转矩不平稳；对电机供电而言造成反电势谐波加重，导致功率因素降低。
为了削弱齿槽效应的影响，电机制造时常采用定子斜槽形式，但定子斜槽会导致定子槽有效面积减少，影响绕组线圈嵌线。而且在大功率永磁同步电机制造中，定子绕组常采用成型绕组，成型绕组在定子斜槽中嵌装难度高，不宜大规模生产。另一种削弱齿槽效应的方法是采用转子斜极，考虑到转子连续斜极时转子冲片、永磁体的加工难度，因此采用转子分段错位的方法等效转子斜极。
分段斜极的效果受转子分段数、分段斜极角的影响，除此之外由于转子分段连接时旋转错位相连，还存在分段连接端部轴向漏磁的问题。中国专利申请201110330939.0号披露了一种分段斜极的永磁电机转子，转子铁心采用同一种转子冲片组成，在轴向分为长度相等的两段，两段转子铁心叠压后各自对应永磁体的磁极中心线之间有夹角θ3。这种永磁电机转子由于分段连接面上没有限制分段端部轴向漏磁的措施，无法避免漏磁，导致永磁体利用率差。
此外，由于高速列车牵引电机具有速度高、功率大的特点，致使电机转子需承受极大的离心力作用。《分段式永磁同步电机转子结构》发明专利中所述的在轴向上间隔添加隔板的方法虽然使得所述转子结构能承受极大离心力，且能确保电机的有效轴长，但由于隔板所在的平面没有硅钢片等导磁材料，造成了该部分永磁体所提供的磁场需要经过磁阻近似与空气的隔板，因此所述结构的转子降低了永磁体的利用率。
发明内容
为克服现有的分段斜极永磁电机转子无法避免漏磁，导致永磁体利用率低的缺点，本发明提供了一种既能削弱齿槽效应，又能避免发生分段端部轴向漏磁，永磁体利用率高的分段斜极式永磁同步电机转子。
分段斜极式永磁同步电机转子，包括转轴和沿转轴的轴向均匀分布的多个转子单元，每个转子单元均包括沿转轴的圆周分布的永磁体和导磁部，相邻转子单元的永磁体的磁极中心线之间有磁极夹角θ；
其特征在于：永磁体和导磁部间隔分布，导磁部之间相互独立；
磁极夹角θ=360°/[N*LCM(Z1,2p)]；其中，N为转子分段数，Z1为定子槽数，p为电机极对数，LCM(Z1,2p)为Z1和2p的最小公倍数。
进一步，相邻的转子单元之间设有由非导磁材料制成的单元隔板，转子单元和单元隔板上均设有将所有转子单元和单元隔板轴向锁紧的拉紧螺栓。单元隔板隔断相邻转子单元之间的磁力线。
进一步，每个转子单元均设有导磁片，永磁体的靠近转轴的内侧设有内侧导磁片，永磁体的远离转轴的外侧设有外侧导磁片，内侧导磁片和外侧导磁片设置于永磁体的充磁方向上。
进一步，转子单元的导磁部包括套接于转轴的铁心部和与永磁体一一对应的极靴部，永磁体的内端面贴紧铁心部，永磁体的外端面贴紧极靴部，极靴部与铁心部之间相互独立，相邻的极靴部之间相互独立。所谓的极靴部与铁心部之间相互独立是指极靴部与铁心部之间有间隔，即极靴部与铁心部之间未连通。相邻的极靴部之间相互独立是指相邻的极靴部之间未连通，每个极靴部是独立的部件。
铁心部和极靴部分别由多片硅钢片叠片叠合而成，转子隔板和单元隔板均由多片隔板叠片叠合而成。
铁心部设有允许转轴贯穿的轴孔，铁心部与转轴键连接，铁心部上开设键槽，转轴上设有平键。
锁紧转子单元和单元隔板的拉紧螺栓包括锁紧铁心部的铁心螺栓和锁紧极靴部的极靴螺栓；极靴部设有允许极靴螺栓贯穿的极靴螺栓孔，极靴螺栓孔圆心与轴孔圆心的连线与永磁体的磁极中心线呈极靴螺孔夹角，各个转子单元的极靴螺孔夹角沿转轴轴向依次递增，极靴螺孔夹角递增的方向与转轴的转动方向相反；
铁心部设有允许铁心螺栓贯穿的铁心螺栓孔，铁心螺栓孔圆心与轴孔圆心的连线与永磁体的磁极中心线呈铁心螺孔夹角，各个转子单元的铁心螺孔夹角沿转轴轴向依次递增，铁心螺孔夹角递增的方向与转轴的转动方向相反；
转子隔板和单元隔板上分别设有与铁心螺栓孔对应的第一螺孔和与极靴螺栓孔对应的第二螺孔；
铁心部的键槽的中心线与永磁体的磁极中心线呈键槽夹角，各个转子单元的键槽夹角沿转轴依次递增，键槽夹角递增的方向与转轴的转动方向相反。
或者，转子单元的导磁部为沿转轴周向布置的磁轭部，相邻的磁轭部围成一个容纳永磁体的容纳槽，相邻的磁轭部之间相互独立，磁轭部与转轴之间设有隔磁环；磁轭部的内端面和永磁体的内端面均与隔磁环固定连接。
磁轭部呈扇形，永磁体呈梯形，永磁体的两个斜面分别贴紧于相邻的磁轭部。
磁轭部的外端面设有向相邻磁轭部延伸的凸缘，凸缘起到阻止永磁体脱离转子单元的作用。
磁轭部由多片硅钢片叠片叠合而成，磁轭部设有允许拉紧螺栓贯穿的拉紧螺栓孔，拉紧螺栓孔圆心与隔磁环圆心的连线与永磁体的磁极中心线呈拉紧螺孔夹角，各个转子单元的拉紧螺孔夹角沿转轴轴向依次递增，拉紧螺孔夹角递增的方向与转轴的转动方向相反。
本发明的技术构思是：为限制分段端部轴向漏磁，在相邻前后两个转子单元轴向并合时，在前后相邻的转子单元之间设置单元隔板以隔断转子单元之间的磁场传导。单元隔板厚度大于或等于转子单元内的转子隔板，以达到良好的隔磁效果。
当转子单元采用带隔板结构时，转子高速旋转时承受离心力的能力得到了提高，但同时隔板结构也造成了客观上阻碍电机磁路的现实，为避免隔板结构过分影响磁路，导致永磁体利用率降低，本发明在永磁体接触极靴和铁心的两侧设计了导磁片，以此来引导电机磁路。
本发明中，通过拉紧螺栓将转子单元和单元隔板在轴向锁紧，拉紧螺栓不但能使分段的转子单元具有紧凑整体结构，而且能够增大导磁部与转子隔板和单元隔板之间的摩擦力，并依靠该摩擦力克服转子旋转时产生的离心力。
本发明的有益效果是：1、将转子分段斜极的方法通过一种带转子隔板结构的分段式永磁同步电机转子结构来实现，使所述结构转子具有了削弱齿槽效应的能力，且所述结构组转子本身具有分段特点，适用于应用转子分段斜极方法。2、转子单元之间具有单元隔板，有效避免了轴向漏磁，且所述隔板仍具有加固转子结构的功能，同时实现了优化电磁性能和机械性能。3、转子单元内加入导磁部，以此来引导磁路，减小磁路磁阻，提高永磁体利用率。
附图说明
图1是分段斜极无单元隔板径向式永磁转子漏磁情况示意图。
图2是分段斜极无单元隔板切向式永磁转子漏磁情况示意图。
图3是有转子隔板的分段斜极径向式永磁电机转子示意图。
图4是有转子隔板的分段斜极径向式永磁电机转子零部件分解示意图。
图4-1是导磁片对磁路的引导作用示意图。
图5是前一段径向式转子单元转子冲片示意图。
图6是后一段径向式转子单元转子冲片示意图。
图7是前一段径向式转子单元转子隔板的示意图。
图8是后一段径向式转子单元转子隔板的示意图。
图9是无永磁体通孔的径向式转子隔板的示意图。
图10是有单元隔板的分段斜极切向式永磁电机转子示意图。
具体实施方式
实施例一
参照图1、2
分段斜极式永磁同步电机转子，包括转轴1和沿转轴1的轴向均匀分布的多个转子单元2，每个转子单元2均包括沿转轴圆周分布的永磁体3和导磁部4，永磁体3对称分布，导磁部4也对称分布，相邻转子单元的永磁体3的磁极中心线之间有磁极夹角θ；
永磁体3和导磁部4间隔分布，导磁部4之间相互独立；
磁极夹角θ=360°/[N*LCM(Z1,2p)]；其中，N为转子分段数，Z1为定子槽数，p为电机极对数，LCM(Z1,2p)为Z1和2p的最小公倍数。
本实施例的技术构思是：通过拉紧螺栓将转子单元2在轴向锁紧，拉紧螺栓不但能使分段的转子单元具有紧凑整体结构，而且能够增大导磁部与转子隔板之间的摩擦力，并依靠该摩擦力克服转子旋转时产生的离心力。
实施例二
参照图3-9
本实施例与实施例一的区别之处在于：本实施例是分段斜极式转子结构为径向式永磁转子时的具体结构描述，其余结构都相同。
具体来说，参照图4，相邻的转子单元之间设有由非导磁材料制成的单元隔板5，转子单元2和单元隔板5上均设有将所有转子单元2和单元隔板5轴向锁紧的拉紧螺栓6。单元隔板5隔断相邻转子单元之间的磁力线。
参照图5和图6，转子单元2的导磁部4包括套接于转轴1的铁心部23和与永磁体3一一对应的极靴部24，永磁体3的内端面贴紧铁心部24，永磁体3的外端面贴紧极靴部25，极靴部25与铁心部23之间相互独立，相邻的极靴部23之间相互独立。所谓的极靴部23与铁心部24之间相互独立是指极靴部23与铁心部24之间有间隔，即极靴部23与铁心部24之间未连通。相邻的极靴部23之间相互独立是指相邻的极靴部23之间未连通，每个极靴部23是独立的部件。
铁心部24和极靴部23分别由多片硅钢片叠片叠合而成，单元隔板5由多片隔板叠片叠合而成。
铁心部23设有允许转轴1贯穿的轴孔231，铁心部23与转轴键连接，铁心部23上开设键槽232，转轴1上设有平键9。
拉紧螺栓包括锁紧铁心部的铁心螺栓81和锁紧极靴部的极靴螺栓82；极靴部24设有允许极靴螺栓贯穿的极靴螺栓孔241，极靴螺栓孔241圆心与轴孔圆心的连线与永磁体3的磁极中心线呈极靴螺孔夹角，各个转子单元2的极靴螺孔夹角沿转轴轴向依次递增，极靴螺孔夹角递增的方向与转轴1的转动方向相反；
铁心部23设有允许铁心螺栓贯穿的铁心螺栓孔233，铁心螺栓孔圆心与轴孔圆心的连线与永磁体的磁极中心线呈铁心螺孔夹角，各个转子单元的铁心螺孔夹角沿转轴轴向依次递增，铁心螺孔夹角递增的方向与转轴1的转动方向相反；
转子隔板21和单元隔板5上分别设有与铁心螺栓孔233对应的第一螺孔C和与极靴螺栓孔241对应的第二螺孔D；
铁心部23的键槽232的中心线与永磁体3的磁极中心线呈键槽夹角，各个转子单元2的键槽夹角沿转轴依次递增，键槽夹角递增的方向与转轴的转动方向相反。铁心螺孔夹角的递增角度、键槽夹角的递增角度和极靴螺孔夹角的递增角度相等，均为                                               
Figure 2012101480346100002DEST_PATH_IMAGE002
。
同一个转子单元2中的铁心螺栓孔235位置相同，极靴螺栓孔241位置相同以及转子隔板21的第一螺栓孔和第二螺栓孔的位置均相同；相邻转子单元2的铁心部23、极靴部24以及转子隔板21上的第一螺栓孔以及第二螺栓孔的位置按转子单元2绕转轴旋转方向的相反方向旋转错开角度作相应设置；同一个转子单元2中的铁心部23的键槽位置相同，转子隔板21的键槽位置相同；相邻转子单元2的铁心部23和转子隔板21上的键槽位置按转子单元2绕转轴旋转方向的相反方向旋转错开角度作相应设置；以上设置能确保多个转子单元2能通过转轴1上的平键、极靴拉紧螺栓以及铁心拉紧螺栓装配成一个紧凑的转子整体。
每个转子单元7还设有导磁片，永磁体3的内侧和外侧分别设有内侧导磁片171和外侧导磁片172，内侧导磁片171和外侧导磁片172设置于永磁体3的充磁方向上。
每个转子单元2包括沿轴向均匀分布的多个子单元，相邻的子单元之间设有由非导磁材料制成的转子隔板21，转子隔板21上设有允许本转子单元的永磁体3贯穿的磁体通孔22，一个永磁体3对应一个磁体通孔22。转子隔板21的厚度小于单元隔板5的厚度。转子隔板22和单元隔板5上都分布有减小隔板重量的减重孔A和降低应力集中的减应力孔B，参照图7-9。转子隔板21由多片硅钢片叠合而成。
当然，转子单元2中也可以仅包含永磁体3、极靴部24和铁心部23，转子单元2内没有转子隔板21隔磁，极靴部24和铁心部23的两端分别抵紧相邻的单元隔板5，依靠极靴部24与单元隔板5之间的摩擦力来克服转子旋转时造成的离心力。
内侧导磁片171和外侧导磁片172均固定于永磁体3上，永磁体3和导磁片171、172形成一个磁性体，磁性体穿过磁体通孔22。当然，磁体通孔22也可以设置为仅永磁体3贯穿，导磁片171、172设置于相邻的转子隔板21之间。
本实施例的技术构思是：为限制分段端部轴向漏磁，在相邻前后两个转子单元2轴向并合时，在前后相邻的转子单元之间设置单元隔板5以隔断转子单元之间的磁场传导。单元隔板5厚度大于或等于转子单元内的转子隔板，以达到良好的隔磁效果。
极靴部24依靠极靴拉紧螺栓的锁紧作用紧贴于转子隔板21或单元隔板5，转子高速旋转时，依靠极靴部24与转子隔板21或者单元隔板5之间的摩擦力克服极靴部24受到的离心力。极靴拉紧螺栓只承受轴向的拉力，不承受周向的扭矩，极靴拉紧螺栓不易断裂，转子的使用寿命长。
转子单元2内加入导磁部171、172，以此来引导磁路，减小磁路磁阻，提高永磁体利用率。
实施例三
参照图10
本实施例与实施例一的区别在于：本实施例是分段斜极式转子结构为切向式永磁转子时的具体结构描述，并且相邻的转子单元之间增设了由非导磁材料制成的单元隔板，其余结构都相同。
具体来说，转子单元2的导磁部4为沿转轴周向布置的磁轭部，相邻的磁轭部围成一个容纳永磁体的容纳槽，相邻的磁轭部之间相互独立，磁轭部与转轴之间设有隔磁环7；磁轭部的内端面和永磁体3的内端面均与隔磁环7固定连接。
磁轭部呈扇形，永磁体3呈梯形，永磁3体的两个斜面分别贴紧于相邻的磁轭部。
磁轭部的外端面设有向相邻磁轭部延伸的凸缘41，凸缘41起到阻止永磁体3脱离转子单元2的作用。
磁轭部由多片硅钢片叠片叠合而成，磁轭部设有允许拉紧螺栓贯穿的拉紧螺栓孔42，拉紧螺栓孔圆心与隔磁环圆心的连线与永磁体的磁极中心线呈拉紧螺孔夹角，各个转子单元2的拉紧螺孔夹角沿转轴轴向依次递增，拉紧螺孔夹角递增的方向与转轴的转动方向相反。
相邻的转子单元之间设有由非导磁材料制成的单元隔板5，转子单元2和单元隔板5上均设有将所有转子单元2和单元隔板5轴向锁紧的拉紧螺栓6。单元隔板5隔断相邻转子单元之间的磁力线。
本发明的技术构思是：为限制分段端部轴向漏磁，在相邻前后两个转子单元轴向并合时，在前后相邻的转子单元2之间设置单元隔板5以隔断转子单元2之间的磁场传导。单元隔板5厚度大于或等于转子单元内的转子隔板，以达到良好的隔磁效果。
本实施例中，通过拉紧螺栓将转子单元2和单元隔板5在轴向锁紧，拉紧螺栓不但能使分段的转子单元具有紧凑整体结构，而且能够增大导磁部与转子隔板和单元隔板之间的摩擦力，并依靠该摩擦力克服转子旋转时产生的离心力。切向式的转子结构能够承受的离心力更大。
本发明的有益效果是：1、将转子分段斜极的方法通过一种带转子隔板结构的分段式永磁同步电机转子结构来实现，使所述结构转子具有了削弱齿槽效应的能力，且所述结构组转子本身具有分段特点，适用于应用转子分段斜极方法。2、转子单元之间具有单元隔板，有效避免了轴向漏磁，且所述隔板仍具有加固转子结构的功能，同时实现了优化电磁性能和机械性能。 3、转子单元内加入导磁部，以此来引导磁路，减小磁路磁阻，提高永磁体利用率。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (9)

1.分段斜极式永磁同步电机转子，包括转轴和沿转轴的轴向均匀分布的多个转子单元，每个转子单元均包括沿转轴圆周分布的永磁体和导磁部，相邻转子单元的永磁体的磁极中心线之间有磁极夹角θ；
其特征在于：永磁体和导磁部间隔分布，导磁部之间相互独立；
磁极夹角θ=360°/[N*LCM(Z1,2p)]；其中，N为转子分段数，Z1为定子槽数，p为电机极对数，LCM(Z1,2p)为Z1和2p的最小公倍数。
2.如权利要求1所述的分段斜极式永磁同步电机转子，其特征在于：相邻的转子单元之间设有由非导磁材料制成的单元隔板，转子单元和单元隔板上均设有将所有转子单元和单元隔板轴向锁紧的拉紧螺栓。
3.如权利要求2所述的分段斜极式永磁同步电机转子，其特征在于：每个转子单元均设有导磁片，永磁体的靠近转轴的内侧设有内侧导磁片，永磁体的远离转轴的外侧设有外侧导磁片，内侧导磁片和外侧导磁片设置于永磁体的充磁方向上。
4.如权利要求1-3之一所述的分段斜极式永磁同步电机转子，其特征在于：铁心部设有允许转轴贯穿的轴孔，铁心部与转轴键连接，铁心部上开设键槽，转轴上设有平键；
锁紧转子单元和单元隔板的拉紧螺栓包括锁紧铁心部的铁心螺栓和锁紧极靴部的极靴螺栓；极靴部设有允许极靴螺栓贯穿的极靴螺栓孔，极靴螺栓孔圆心与轴孔圆心的连线与永磁体的磁极中心线呈极靴螺孔夹角，各个转子单元的极靴螺孔夹角沿转轴轴向依次递增，极靴螺孔夹角递增的方向与转轴的转动方向相反；
铁心部设有允许铁心螺栓贯穿的铁心螺栓孔，铁心螺栓孔圆心与轴孔圆心的连线与永磁体的磁极中心线呈铁心螺孔夹角，各个转子单元的铁心螺孔夹角沿转轴轴向依次递增，铁心螺孔夹角递增的方向与转轴的转动方向相反；
转子隔板和单元隔板上分别设有与铁心螺栓孔对应的第一螺孔和与极靴螺栓孔对应的第二螺孔；
铁心部的键槽的中心线与永磁体的磁极中心线呈键槽夹角，各个转子单元的键槽夹角沿转轴依次递增，键槽夹角递增的方向与转轴的转动方向相反。
5.如权利要求4所述的分段斜极式永磁同步电机转子，其特征在于：转子单元的导磁部包括套接于转轴的铁心部和与永磁体一一对应的极靴部，永磁体的内端面贴紧铁心部，永磁体的外端面贴紧极靴部，极靴部与铁心部之间相互独立，相邻的极靴部之间相互独立。
6.如权利要求5所述的分段斜极式永磁同步电机转子，其特征在于：每个转子单元包括沿轴向均匀分布的多个子单元，相邻的子单元之间设有由非导磁材料制成的转子隔板，转子隔板上设有允许本转子单元的永磁体贯穿的磁体通孔，一个永磁体对应一个磁体通孔；转子隔板的厚度小于单元隔板的厚度。
7.如权利要求1-3之一所述的分段斜极式永磁同步电机转子，其特征在于：转子单元的导磁部为沿转轴周向布置的磁轭部，相邻的磁轭部围成一个容纳永磁体的容纳槽，相邻的磁轭部之间相互独立，磁轭部与转轴之间设有隔磁环；磁轭部的内端面和永磁体的内端面均与隔磁环固定连接。
8.如权利要求7所述的分段斜极式永磁同步电机转子，其特征在于：磁轭部呈扇形，永磁体呈梯形，永磁体的两个斜面分别贴紧于相邻的磁轭部；
磁轭部的外端面设有向相邻磁轭部延伸的凸缘，凸缘起到阻止永磁体脱离转子单元的作用。
9.如权利要求8所述的分段斜极式永磁同步电机转子，其特征在于：磁轭部由多片硅钢片叠片叠合而成，磁轭部设有允许拉紧螺栓贯穿的拉紧螺栓孔，拉紧螺栓孔圆心与隔磁环圆心的连线与永磁体的磁极中心线呈拉紧螺孔夹角，各个转子单元的拉紧螺孔夹角沿转轴轴向依次递增，拉紧螺孔夹角递增的方向与转轴的转动方向相反。
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