CN104300713B - 一种电机转子及采用其的永磁同步电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及永磁磁阻电机技术领域，尤其涉及一种电机转子及采用其的永磁同步电机。电机转子包括转子铁芯，所述转子铁芯上均匀的分布有多个永磁体槽组，且每个永磁体槽组包括至少两层永磁体槽，所述永磁体槽组中靠近转子外圆的永磁体槽为外层永磁体槽，所述外层永磁体槽的外侧具有向内凸起的外层导磁通道，所述外层导磁通道的两端连接有磁桥，所述外层导磁通道的外侧壁与磁桥的两个交点分别与转子中心的连线形成的夹角为a，其中，夹角a的取值为3°～(120/2p)°，其中，P为转子的极对数。通过对外层导磁通道与磁桥的两个交点的设置，实现了削弱感应电动势谐波的作用，进而实现了减小电机的转矩脉动。

Description

一种电机转子及采用其的永磁同步电机

技术领域

本发明涉及永磁磁阻电机技术领域，尤其涉及一种电机转子及采用其的永磁同步电机。

背景技术

永磁磁阻电机为了更加充分的利用磁阻转矩，通常设计成多层磁钢结构，但同时也加剧了气隙磁密分布的不均匀程度，导致电机的转矩脉动增大。因此，相比于其他类型电机，多层磁钢的磁阻电机的振动噪声往往更突出。

专利申请号为200410053929.7的专利公开了一种低谐波的永磁同步电机转子结构，该转子结构并非针对多层磁钢结构的磁阻电机，该专利中的永磁体为方形永磁体，但其采用的永磁体槽为和本专利较为类似的结构。具体的，其永磁体槽设计成凹槽结构，但是该永磁体槽设计成凹槽结构是为了使永磁体与永磁体槽件的气隙沿永磁体表面呈不均匀变化，两边气隙大，中间气隙小，使得气隙中的磁场为正弦波，达到削弱磁场谐波的目的。因此，该专利公开的转子结构并不能解决多层磁钢的磁阻电机振动噪声大的问题。

同时对于我们的磁阻电机，永磁体为弧形，上述专利中的方法不再适用。并且上述专利也没有针对改善电机的转矩脉动提出具体的可实施方案。对于正弦波控制的永磁同步电动机，为了减小电机转矩中的纹波，要求感应电动势为正弦波。对于单层弧形磁钢的电机，通过合理的设计磁钢的弧度，每相绕组中的磁通可以呈正弦规律变化，因此感应出的电动势波形较为正弦。而对于双层或多层磁钢的电机，在转子旋转一对极的过程中，由于增加的永磁体的作用，每相绕组中的磁通变化不再正弦化，在定子绕组中会感应出幅值较高的高次谐波电势，进而增加了电机的转矩脉动。因此相比于单层磁钢结构的电机，多层磁钢电机的振动噪声问题更为突出。目前针对降低多层磁钢磁阻电机转矩脉动的相关技术较少。

针对上述问题，我们需要一种能够有效的改善感应电动势波形，减小电机的转矩脉动，降低噪声的电机转子及采用其的永磁同步电机。

发明内容

本发明的目的在于提出一种电机转子，其能够有效的改善感应电动势波形，减小电机的转矩脉动。

本发明的另一个目的在于提出一种永磁同步电机，其能够有效的改善感应电动势波形，减小电机的转矩脉动。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种电机转子，包括转子铁芯，所述转子铁芯上均匀的分布有多个永磁体槽组，且每个永磁体槽组包括至少两层永磁体槽，所述永磁体槽组中靠近转子外圆的永磁体槽为外层永磁体槽，所述外层永磁体槽的外侧具有向内凸起的外层导磁通道，所述外层导磁通道的两端连接有磁桥，所述外层导磁通道的外侧壁与磁桥的两个交点分别与转子中心的连线形成的夹角为a，其中，夹角a的取值为3°～(120/2p)°，其中，P为转子的极对数。

作为上述电机转子的一种优选方案，所述外层永磁体槽为凹形结构、U形结构或V形。

作为上述电机转子的一种优选方案，外层永磁体槽的导磁通道在D轴方向上最小宽度大于等于磁桥的宽度。

作为上述电机转子的一种优选方案，外层永磁体槽的两端为切边结构，用于防止永磁体的端部与外层永磁体槽对应的磁桥接触。

作为上述电机转子的一种优选方案，所述永磁体槽内设置有与其相匹配的永磁体，所述永磁体嵌入永磁体槽内，所述永磁体槽两端的宽度大于等于永磁体两端的宽度，永磁体槽中间的间距大于等于永磁体中间的厚度，且当所述永磁体偏向永磁体槽一侧最大极限时，永磁体的端部与永磁体槽对应磁桥的位置存在间隙。

作为上述电机转子的一种优选方案，所述永磁体槽由弧形槽和/或矩形槽构成，所述弧形槽内设置的与其相匹配的永磁体为弧形结构，所述矩形槽内设置的与其相匹配的永磁体为长方体结构。

作为上述电机转子的一种优选方案，所述永磁体槽为U形结构，该U形结构的永磁体槽包括中间槽、左侧槽和右侧槽，U形结构的永磁体槽至少在左侧槽和右侧槽内设置有永磁体。

作为上述电机转子的一种优选方案，所述左侧槽和右侧槽呈设定的夹角分布，且只有左侧槽和右侧槽内设置有永磁体，设置在左侧槽和右侧槽内的永磁体延伸至中间槽内。

作为上述电机转子的一种优选方案，所述中间槽为弧形槽或矩形槽，且设置在中间槽、左侧槽和右侧槽内的永磁体为相互独立的永磁体。

作为上述电机转子的一种优选方案，所述外层导磁通道为梯形、方形或弧形结构。

作为上述电机转子的一种优选方案，所述永磁体槽各侧壁的连接处为倒角或圆角结构。

一种永磁同步电机，该电机转子采用如以上所述的电机转子，电机的定子为集中卷绕组，所述定子的齿靴部采用切边结构。

本发明的有益效果为：本发明提供了一种电机转子及采用其的永磁同步电机，通过对外层导磁通道与磁桥的两个交点的设置，实现了削弱感应电动势谐波的作用，进而实现了减小电机的转矩脉动。

附图说明

图1是本发明具体实施方式一提供的电机转子的结构示意图；

图2是本发明具体实施方式一提供的电机转子的结构尺寸示意图；

图3-7是本发明具体实施方式一提供的凹字形结构的外层永磁体槽的中间凹陷部的结构示意图；

图8是本发明具体实施方式一提供的无切边结构的永磁体槽中当永磁体发生位置偏移时的结构示意图；

图9是本发明具体实施方式一提供的有切边结构的永磁体槽中当永磁体发生位置偏移时的结构示意图；

图10是现有技术中磁力线走向示意图；

图11是本发明具体实施方式一提供的本发明的磁力线走向示意图；

图12是本发明具体实施方式一提供的采用现有技术中转子和本发明提供的转子的电机的转矩脉动波形图；

图13是本发明具体实施方式二提供的转子结构示意图；

图14是本发明具体实施方式三提供的永磁同步电机的结构示意图。

其中，

110：转子铁芯；120：永磁体槽组；130：磁桥；140：永磁体；

121：外层永磁体槽；

1211：切边结构；1212：中间凹陷；

221：外层永磁体槽；230：磁桥；240：永磁体。

350：电机转子；360：定子。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

实施方式一

如图1所示，本发明提供了一种电机转子，包括转子铁芯110，转子铁芯110通过硅钢片叠压而成，转子铁芯110上均匀的分布有多个永磁体槽组120，且每个永磁体槽组120包括至少两层永磁体槽，相邻永磁体槽之间在转子的径向方向上间断设置，永磁体槽的两端与转子外圆间的连接部为磁桥130，用于连接相邻铁芯层，铁芯层为转子磁路的导磁通道。

永磁体槽组120中靠近转子外圆的永磁体槽为外层永磁体槽121，外层永磁体槽121的外侧具有向内凸起的外层导磁通道，外层导磁通道的两端连接有磁桥130，外层导磁通道的外侧壁与磁桥130的两个交点分别与转子中心的连线形成的夹角为a，其中，夹角a的取值为3°～(120/2p)°，其中，P为转子的极对数。其中P为2、4、6或8等。

需要说明的是：上述外层、外侧指的是靠近转子外圆的一侧。

上述结构可以有效的削弱感应电势谐波，进而减小电机的转矩脉动。磁桥部分由于磁路饱和，磁阻较大，导磁通道部分作为导磁通路，磁阻较小。由于磁力线回路是沿磁阻最小的路径，因此，通过上述结构可以使部分磁力线的走向发生改变，进而改变了绕组中的磁通变化情况，可以达到削弱感应电动势谐波的作用。通过图10和图11的对比可以更加直观的得出磁力线的改变情况。同时如图12所示，本实施方式还提供了采用现有技术中转子和本发明提供的转子的电机的转矩脉动波形图，通过两者波形图的对比可以直观的得出采用本实施方式提供的转子的电机的具有更小的转矩脉动。

具体的，参照图1、图2，本实施方式提供的外层永磁体槽121为凹字形结构，凹字形结构的中间凹陷1212(即外层导磁通道)位于靠近转子外圆的两个端点A和B与转子中心的连线形成的夹角为a，夹角a的取值为3°～(120/2p)°，其中，P为转子的极对数。凹字形结构具体指的是：外层永磁体槽121的主体为弧形槽，在弧形槽的两端设置有相互平行或近似平行的矩形槽或类矩形槽，中间凹陷1212指的是相互平行或近似平行的矩形槽或类矩形槽之间的结构。

外层永磁体槽121的导磁通道在D轴方向上最小宽度b大于等于该层磁桥的宽度c。该宽度的设置只是从尺寸上进一步说明凹字结构。

需要说明的是：对于不同槽极数的电机，感应电动势中的主要的谐波次数是不同的，而对于削弱不同次数的感应电动势谐波，需要选取的a的角度也不同，上述范围已经基本考虑了常用的电机结构，在这个范围之外，对于削弱谐波没什么作用。

如图9所示，外层永磁体槽121的两端为切边结构1211，用于防止永磁体140的端部与外层永磁体槽121的侧壁接触，即用于防止永磁体140的端部与外层永磁体槽121对应的磁桥130接触。

在转子旋转时，永磁体140会受到离心力的作用而偏向永磁体槽的一侧，如图8所示，没有切边结构1211的外层永磁体槽121，当永磁体发生偏移时，永磁体140会直接与磁桥130接触，接触点为E点，铁芯的磁桥130会受到永磁体140的作用力，而由于磁桥130的机械强度较弱，很容易发生变形。而本发明外层永磁体槽121的两端为切边结构1211，当永磁体140偏向永磁体槽一侧的极限时，永磁体140与外层永磁体槽121的接触位置为图中的F点，永磁体140与外层永磁体槽对应磁桥130的位置仍保留间隙H，铁芯的受力部位在导磁通道处，此处的机械强度较好，可避免转子铁芯的变形。也就是说切边结构1211可以对永磁体140起到限位的作用，防止永磁体140在发生偏移时与外层永磁体槽121靠近转子外圆的侧壁接触而导致的转子铁芯110变形。

永磁体槽内设置有与其相匹配的永磁体140，永磁体140嵌入永磁体槽内，且永磁体槽能够便于永磁体140嵌入，并能对永磁体140进行限位。便于永磁体140嵌入，并能对永磁体140进行限位，指的是永磁体140可以容易的嵌入永磁体内，且永磁体140在永磁体槽内不会有大范围滑动，即当永磁体140偏向永磁体槽一侧最大极限时，永磁体140的端部与永磁体槽对应的磁桥130之间存在间隙。

与永磁体槽相匹配的永磁体140指的是永磁体140和永磁体槽的形状大体相同，且本发明中的永磁体槽和永磁体140均采用弧形结构。永磁体140设计成永磁体槽的形状，当永磁体140嵌入到永磁体槽时，永磁体140填满永磁体槽，可以提高电机的转矩输出能力，弥补了由于凹形槽对磁场的削弱作用而导致的转矩略微下降。

永磁体140的设置方式为：每组永磁体140为同一极性，相邻的永磁体组极性相反，沿圆周方向N、S极交替分布。永磁体槽两端的宽度大于等于永磁体140两端的宽度，永磁体槽中间的间距大于等于永磁体140中间的厚度，作为优选的，永磁体140略小于相应的永磁体槽，使得永磁体140可插入到相应的永磁体槽中，并且不易发生相对滑动。

具体的，参照图2，以外层永磁体槽221和设置在外层永磁体槽221内为例进行说明，外层永磁体槽221两端的宽度W2应略大于永磁体140两端的宽度W1，外层永磁体槽221中间的间距D2应略大于永磁体140中间的厚度D1，由此，可以防止永磁体140嵌入到外层永磁体槽221中后发生上下、左右的滑动，略大于是考虑到永磁体140可以容易的嵌入到永磁体槽中，而又不至于永磁体140在外层永磁体槽221中有较大的滑动。

参照图3-图7，中间凹陷1212为梯形、方形或弧形结构。梯形还包括上边靠近转子外缘的梯形和上边靠近转子中心的梯形，需要说明的是：本发明的效果主要决定于中间凹陷与磁桥连接点A、B的位置，凹陷形状影响较小，但比较而言，从降低电机转矩脉动的效果来讲，上边靠近转子外缘的梯形>方形>上边靠近转子中心的梯形>弧形。

永磁体槽各侧壁的连接处为倒角或圆角结构。此种结构的永磁体槽，在生产过程中，可以增加加工模具的寿命。

实施方式二

在此实施方式中，如图13所示，电机转子的外层永磁体槽221为U形结构，且至少位于U型结构两侧的凹槽内设置有永磁体240。

该U形结构的永磁体槽包括中间槽、左侧槽和右侧槽，左侧槽和右侧槽呈设定的夹角分布或平行分布。

当左侧槽和右侧槽呈设定夹角分布时，U形结构的永磁体槽至少在左侧槽和右侧槽内设置有永磁体240。当只有左侧槽和右侧槽内设置有永磁体240时，设置在左侧槽和右侧槽内的永磁体240延伸至中间槽内。

具体的，该实施例中U形永磁体槽的中间槽可以为弧形槽，也可以为矩形槽，永磁体槽内的永磁体240相应的可以为弧形结构，也可以为长方体结构。

在此实施方式中，外层永磁体槽221内永磁体的设置形式为：中间槽、左侧槽和右侧槽内均设置有相互独立的永磁体240。

且外层永磁体槽221两端的磁桥230与其中间连接的铁芯层(即外层导磁通道)的最下层交点A、B(即外层导磁通道的外侧壁与磁桥的两个交点)与铁芯中心O连线的夹角a为3°～(120/2p)°其中，P为转子的极对数。该实施例可以在增大输出转矩的同时减小电机的转矩脉动。

更进一步的，U形永磁体槽的中间槽内可以不设置永磁体240，而将位于左侧槽和右侧槽内的永磁体加长(此种情况需要两侧的永磁体之间呈设定的夹角设置)，形成类似V形的结构，相比于上述设置情况，可以在保证总永磁体240用量不变，甚至永磁体240用量更少的情况下，有效的增加电机的气隙磁密，提高电机的输出转矩，降低电机的工作电流，进而提升电机效率，实现永磁磁阻电机的高效低噪设计。

在此实施方式中，除了外层永磁体槽221的具体结构形式和实施方式一不同外，其它结构均匀实施方式一相同，也就是说永磁体槽的结构形式可以根据实际需要进行适当的变形。

实施方式三

在此实施方式中，本发明提供了一种永磁同步电机，其电机转子采用如实施方式一或二中提供的电机转子350，电机的定子360为集中卷绕组。并且定子360的齿靴部采用切边结构。具体的如图14所示，本实施方式中的电机转子350为实施方式一中提供的电机转子350。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种永磁同步电机，其包括：

定子(360)，所述定子(360)为集中卷绕组，所述定子(360)的齿靴部采用切边结构；

电机转子(350)，其包括转子铁芯(110)，所述转子铁芯(110)上均匀的分布有多个永磁体槽组(120)，且每个永磁体槽组(120)包括至少两层永磁体槽，其特征在于，所述永磁体槽组(120)中靠近转子外圆的永磁体槽为外层永磁体槽(121、221)，所述外层永磁体槽(121、221)的外侧具有向内凸起的外层导磁通道，所述外层导磁通道的两端连接有磁桥(130、230)，所述外层导磁通道的外侧壁与磁桥(130、230)的两个交点分别与转子中心的连线形成的夹角为a，其中，夹角a的取值为3°～(120/2p)°，其中，p为转子的极对数。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机，其特征在于，所述外层永磁体槽(121、221)为凹形结构、U形结构或V形。

3.根据权利要求1所述的永磁同步电机，其特征在于，所述外层永磁体槽(121、221)的导磁通道在D轴方向上最小宽度大于等于磁桥(130、230)的宽度。

4.根据权利要求1所述的永磁同步电机，其特征在于，所述外层永磁体槽(121、221)的两端为切边结构(1211)，用于防止所述永磁体槽内设置的与其相匹配的永磁体(140、240)的端部与外层永磁体槽(121、221)对应的磁桥(130、230)接触。

5.根据权利要求1所述的永磁同步电机，其特征在于，所述永磁体槽内设置有与其相匹配的永磁体(140、240)，所述永磁体(140、240)嵌入永磁体槽内，所述永磁体槽两端的宽度大于等于永磁体(140、240)两端的宽度，永磁体槽中间的间距大于等于永磁体(140、240)中间的厚度，且当所述永磁体(140、240)偏向永磁体槽一侧最大极限时，永磁体(140、240)的端部与永磁体槽对应的磁桥(130、230)之间存在间隙。

6.根据权利要求5所述的永磁同步电机，其特征在于，所述永磁体槽由弧形槽和/或矩形槽构成，所述弧形槽内设置的与其相匹配的永磁体(140、240)为弧形结构，所述矩形槽内设置的与其相匹配的永磁体(140、240)为长方体结构。

7.根据权利要求5所述的永磁同步电机，其特征在于，所述永磁体槽为U形结构，该U形结构的永磁体槽包括中间槽、左侧槽和右侧槽，U形结构的永磁体槽至少在左侧槽和右侧槽内设置有永磁体(140、240)。

8.根据权利要求7所述的永磁同步电机，其特征在于，所述左侧槽和右侧槽呈设定的夹角分布，且只有左侧槽和右侧槽内设置有永磁体(140、240)，设置在左侧槽和右侧槽内的永磁体(140、240)延伸至中间槽内。

9.根据权利要求7所述的永磁同步电机，其特征在于，所述中间槽为弧形槽或矩形槽，且设置在中间槽、左侧槽和右侧槽内的永磁体(140、240)为相互独立的永磁体(140、240)。

10.根据权利要求1所述的永磁同步电机，其特征在于，所述外层导磁通道为梯形、方形或弧形结构。

11.根据权利要求1所述的永磁同步电机，其特征在于，所述永磁体槽各侧壁的连接处为倒角或圆角结构。