CN105305670B - 一种用于降低极频和槽频径向电磁激振力的电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于降低极频和槽频径向电磁激振力的电机，它包括定子机座，定子机座内固定设置有定子铁芯，转子轴通过轴承固定设置在定子机座内，转子铁芯固定设置在转子轴上；其特征在于：还包括定子永磁磁极、转子电枢绕组和集电环；定子永磁磁极固定设置在定子铁芯内；转子铁芯位于定子永磁磁极的N极和S极中间，转子铁芯的外圆周上均匀开设若干槽，该槽中设置有转子电枢绕组；位于转子铁芯的一侧或两侧，在转子轴上设置集电环，转子电枢绕组中的各绕组与集电环连接后，再通过电刷与外部静止供电电路连接。本发明能有效减小定子铁芯和定子机座的振动，达到减振降噪的目的。

Description

一种用于降低极频和槽频径向电磁激振力的电机

技术领域

本发明涉及一种电机，特别是关于一种励磁源位于定子的用于降低极频和槽频径向电磁激振力的电机。

背景技术

现代社会已无法离开电机，电机的应用遍及交通运输、工农业生产、信息处理，以及日常生活的各个领域。电机的种类繁多，结构也各有不同，有异步电机、永磁电机、电励磁电机等。各类电机在旋转过程中都会产生振动和噪声，振动噪声是一种环境污染，会对人们健康、日常生活产生不良的影响；在军工领域振动噪声更为重要。因此，降低电机的振动和噪声具有非常重要的意义。

电机的气隙中存在着基波磁场和一系列的谐波磁场。在电机运行过程中，这些气隙磁场之间相互作用，将会产生作用于电机定子铁芯上的切向及径向的电磁力；其中，切向电磁力产生转矩，而径向电磁激振力引起定子铁芯变形。各种周期、各种转速的径向电磁激振力波都分别作用在定子、转子铁芯上，使定子铁芯和机座以及转子出现随时间周期性变化的径向形变，因此产生振动和噪声。

永磁电机因其转子结构简单，坚固耐用，应用广泛。但是永磁电机振动噪声非常复杂。引起永磁电机振动噪声的径向电磁激振力中存在两类主要的分量：一类是与普通电机相似的，频率与电机的极数成正比的分量，该电磁激振力的频率为供电电源频率的2倍，也就是转速与极数的乘积，该类分量还包括频率为其倍数的高次谐波；另一类，为频率与定子槽数成正比的径向电磁激振力，其频率为转速乘以定子槽数，及其倍数次。这两类电磁激振力是电机本质造成的，减小和削弱这些电磁激振力存在极大的困难。目前往往采用降低磁密，斜槽或闭口槽等方法，但是结果要么是电机体积、重量、造价增加，要么是效果不明显。到目前为止，还没有解决电机振动和噪声的较好的方案。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于降低极频和槽频径向电磁激振力的电机，能有效减小定子铁芯和定子机座的振动，达到减振降噪的目的。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种用于降低极频和槽频径向电磁激振力的电机，它包括定子机座、定子铁芯、转子轴、轴承和转子铁芯；所述定子机座内固定设置有所述定子铁芯，所述转子轴通过所述轴承固定设置在所述定子机座内，所述转子铁芯固定设置在所述转子轴上；其特征在于：还包括定子永磁磁极、转子电枢绕组和集电环；所述定子永磁磁极固定设置在所述定子铁芯内；所述转子铁芯位于所述定子永磁磁极的N极和S极中间，所述转子铁芯的外圆周上均匀开设若干槽，该槽中设置有所述转子电枢绕组；位于所述转子铁芯的一侧或两侧，在所述转子轴上设置所述集电环，所述转子电枢绕组中的各绕组与所述集电环连接后，再通过电刷与外部静止供电电路连接。

所述定子铁芯上设置有磁极铁芯区域，所述磁极铁芯区域是由凸起部和凹陷部构成的具有均匀磁场变化的磁轭结构，所述凸起部与所述凹陷部沿圆周方向和轴向交替排列布置。

所述凹陷部与所述凸起部的宽度和应与所述转子铁芯上的槽距相同，，所述磁极铁芯区域的轴向长度为所述定子永磁磁极的长度。

所述凹陷部采用正方形、矩形、菱形、圆形或椭圆形结构。

所述凹陷部的形状为旋转45度，斜着排布。

所述磁极铁芯区域位于所述定子永磁磁极与所述定子铁芯之间的区域，或者定子永磁磁极的极靴内表面上。

所述电机采用电励磁电机，所述磁极铁芯区域位于所述定子电励磁磁极的内表面上。

电机为永磁电机或电励磁电机时，在所述定子永磁磁极或所述电励磁磁极内圆表面固定设置一个铜环，所述铜环长度与所述定子铁芯相同，或比所述定子铁芯略长。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用永磁磁极布置在定子铁芯上，不再像普通永磁电机那样布置在转子上，从而使定子铁芯遇到的磁场为大小不变的磁场，即磁场相对于定子铁芯静止，达到减振降噪的目的。2、本发明的定子铁芯不再采用圆环结构，而是在定子铁芯上设置磁极铁芯区域，该区域采用具有均匀磁场变化的磁轭结构，使定子铁芯受到的径向电磁激振力均匀，不随转子齿槽位置变化而变化，减小定子铁芯和机座的振动。3、本发明由于在定子磁极表面采用均匀磁场变化的磁轭结构，使电励磁电机的定子铁芯受到的槽频电磁激振力降低，达到减振目的。4、本发明采用定子磁极内表面布置铜环的方式，减小定子铁芯中因转子齿槽运动导致的磁密变化，起到降低定子电磁激振力的目的。

基于以上优点，本发明可以广泛应用于家用电器、医疗仪器、工业生产、制造业和民用领域的电机系统、航空航天电机电器设备领域、舰船辅助机械和舰船推进等系统领域以及可移动电气系统领域，对系统的减振降噪具有重要意义。

附图说明

图1是已有电机的横截面示意图，是图2的B-B切面图；

图2是已有电机的轴向截面示意图，是图1的A-A切面图；

图3是本发明的电机的横截面示意图，也是图4的B-B切面图；

图4是本发明的电机的轴向截面示意图，是图3的A-A切面图；

图5是本发明电机的磁极下定子磁轭的平面展开图；

图6是本发明电机的磁极下定子磁轭的平面展开图图5的C-C切面图；

图7是本发明电机的磁极下定子磁轭的平面展开图图5的D-D切面图；

图8是本发明电机的磁极下定子磁轭的平面展开图图5的E-E切面图；

图9是本发明电机的磁极下定子磁轭的平面展开图图5的F-F切面图；

图10是当定子铁芯上某一区域正对转子齿时，已有电机的磁极下磁场的磁力线图；

图11是当定子铁芯上某一区域正对着转子槽时，已有电机的磁极下磁场的磁力线图；

图12是当定子铁芯上某一区域正对转子齿时，本发明电机的磁极下磁场的磁力线图；

图13是当定子铁芯上某一区域正对着转子槽时，本发明电机的磁极下磁场的磁力线图；

图14是本发明电机的磁极铁芯区域另一种形式的横截面示意图，也是图4的B-B切面图；

图15是本发明电机内设置有铜环时的横截面示意图。

具体实施方式

如图1、图2所示，已有的普通电机包括定子机座1、定子铁芯2、定子绕组3、转子轴4、轴承5、转子铁芯6和永磁体7；其中，定子机座1可采用常规电机的安装方式固定，定子铁芯2是电机磁路的一部分。在定子机座1内固定设置有定子铁芯2，在定子铁芯2内圆上开设有槽8，槽8内布置定子绕组3，定子绕组3一般为三相绕组，槽8两边为齿9。转子轴4通过轴承5固定设置在定子机座1内，转子铁芯6固定设置在转子轴4上，转子铁芯6上布置有永磁体7，永磁体7充磁方向为径向，永磁体7的极性交替布置，转子轴4能够带动转子铁芯6和永磁体7绕轴心旋转。由于永磁体7布置在转子铁芯6上，当永磁体7每个磁极经过定子铁芯2的某一位置，就会对该处转子铁芯产生吸引力，即径向电磁激振力，该吸引力在每一个永磁体7的一个磁极经过的时候就变化一次，引起定子变形，导致频率与极数成正比的振动。另外，永磁体7的磁极对定子齿9也会产生吸引力，引起频率与槽数成正比的振动。

为克服上述问题，本发明提供了一种用于降低极频和槽频径向电磁激振力的永磁电机，下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图3、图4所示，本发明的电机结构与现有技术中的电机结构类似，也包括定子机座1、定子铁芯2、转子轴4、轴承5和转子铁芯6。本发明的特征在于还包括定子永磁磁极10、转子电枢绕组11和集电环12。定子永磁磁极10固定设置在定子铁芯2内；位于定子永磁磁极10的N极和S极中间，转子铁芯6固定设置在转子轴5上，转子铁芯6的外圆周上均匀开设若干槽(图中未示出)，槽中设置有转子电枢绕组11；转子电枢绕组11采用交流电机的绕组形式。位于转子铁芯6的一侧或两侧，在转子轴5上设置集电环12，转子电枢绕组11中的各绕组与集电环12连接后，再通过电刷(图中未示出)与外部静止供电电路连接。

上述实施例中，本发明采用的定子永磁磁极10不再布置在转子铁芯6上，而是布置在定子铁芯2上。这样处理带来的优势为：对于已有永磁电机，其定子铁芯2中的磁场交变的频率是供电电源的频率，也是转子永磁磁极经过定子铁芯2的频率，比如，当采用市电供电时，电源频率为50Hz，定子铁芯2中的磁场变化的频率也为50Hz，该磁场在定子铁芯2上引起的径向电磁激振力的频率为磁场变化频率的2倍，即100Hz，该磁场是电机进行机电能量转换的必要条件，且该磁场幅值最大，因此引起的振动力最大。该电源频率倍频的电磁激振力是减振的困难所在，本发明目的就是针对这一难题，本发明的电源进行供电的绕组为转子电枢绕组11，其电流的频率为电源频率，仍以50Hz为例，其产生的磁场相对于转子铁芯6的变化频率仍为50Hz。但是由于转子自身在同步旋转，导致磁场相对定子铁芯2的变化频率不再是50Hz，而是恒定的不变化的。定子铁芯2会受到吸引力，但是恒定的力只引起变形，不引起振动，从而实现减振的目的。

上述各实施例中，如图5所示，定子铁芯2上设置有磁极铁芯区域13，该磁极铁芯区域13是位于定子永磁磁极10与定子铁芯2之间的区域。磁极铁芯区域13是由凸起部14和凹陷部15构成的具有均匀磁场变化的磁轭结构，定子铁芯2其余区域仍可采用光滑结构，这样可以使定子铁芯受2到的径向电磁激振力均匀，不随转子齿槽位置变化而变化，减小定子铁芯2和定子机座1的振动。凸起部14与凹陷部15沿圆周方向和轴向交替排列布置，在周向的间距为转子铁芯6上的槽距，磁极铁芯区域13轴向长度为定子永磁磁极10的长度，即电机的轴向长度。

上述实施例中，凹陷部15可以采用正方形、矩形、菱形、圆形或者椭圆形等结构。如图6～图9所示，沿轴向或者周向的直线看，定子铁芯2的表面有很多凹陷。如图5所示，每个凹陷部15与凸起部14的宽度和应与转子铁芯6上的槽距相同。凹陷部15和凸起部14各自的宽度可根据需要设置。如图5～图9所示，凹陷部15的形状还可以旋转一个角度，如45度，斜着排布。

如图10、图11所示，已有永磁电机转子电枢在两个不同位置时，定子永磁磁极10和定子铁芯2，以及转子铁芯6区域的磁力线分布图，这里关心由转子电枢槽引起的定子铁芯2表面的磁密变化。如图10所示，标出的定子铁芯2上区域16由于正对着转子的齿，因此磁路磁阻小，区域16的磁密较高；相比之下，当转子转过半个转子槽距后，如图11所示，此时定子铁芯2上区域16由于正对着转子的槽，因此磁路磁阻大，区域16的磁密较低，可见，转子转过一个齿距，定子铁芯2表面的磁密会发生变化，正是这个变化导致定子铁芯2表面受到的径向电磁激振力也发生周期变化，当转子电枢转过一个齿距，定子铁芯2表面的受力就发生一个周期。也正是这个力，将导致定子铁芯2和定子机座3发生形变，产生振动。

如图12、图13所示，本发明永磁电机转子电枢在两个不同位置时，定子永磁磁极10和定子铁芯2，以及转子铁芯6区域的磁力线分布图。如图12所示，标出的定子铁芯2上区域16由于正对着转子的齿，因此磁路磁阻小，区域16的磁密较高；当转子转过半个转子槽距后，如图13所示，此时虽然定子铁芯2上区域16由于正对着转子的槽，但是由于本发明的定子铁芯2不是光滑表面，而是具有很多凹陷部15，而此时转子齿正对的位置正好是凹陷部15，因此磁力线17总是选择磁阻最小的通道流通，所以磁力线17仍然会通过定子铁芯2上区域16，也就是说，定子铁芯2上区域16的磁密不会变化。正是这一点，使得定子铁芯2上区域16受到的径向电磁激振力不发生变化，从而定子铁芯2和定子机座3不产生振动，达到减振降噪的目的。

上述各实施例中，如图14所示，本发明的电机采用电励磁电机时，定子永磁磁极10可以改为电励磁磁极，电励磁磁极为铁芯结构。此时，具有凹陷部15和凸起部14的磁极铁芯区域13位于定子永磁磁极10的内表面18上。当然，也可以在如图3-4所示的永磁电机的永磁极上加装铁芯结构的极靴，将凹陷部15和凸起部14布置在定子永磁磁极10的极靴内表面。

上述各实施例中，如图15所示，为了削弱定子铁芯2的电磁激振力，在定子永磁磁极10内圆表面固定设置一个铜环19。铜环19具有一定的厚度，其长度与定子铁芯2相同，或比定子铁芯2略长。当转子齿槽相对铜环19运动，导致铜环19中的磁通发生变化，在铜环19中感应涡流，该涡流能起到削弱因转子齿槽而引起的磁通变化。从而减小定子铁芯2受到的径向电磁激振力，实现减振降噪的目的。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (7)

1.一种用于降低极频和槽频径向电磁激振力的电机，它包括定子机座、定子铁芯、转子轴、轴承和转子铁芯；所述定子机座内固定设置有所述定子铁芯，所述转子轴通过所述轴承固定设置在所述定子机座内，所述转子铁芯固定设置在所述转子轴上；其特征在于：还包括定子永磁磁极、转子电枢绕组和集电环；所述定子永磁磁极固定设置在所述定子铁芯内；所述转子铁芯位于所述定子永磁磁极的N极和S极中间，所述转子铁芯的外圆周上均匀开设若干槽，该槽中设置有所述转子电枢绕组；位于所述转子铁芯的一侧或两侧，在所述转子轴上设置所述集电环，所述转子电枢绕组中的各绕组与所述集电环连接后，再通过电刷与外部静止供电电路连接；

所述定子铁芯上设置有磁极铁芯区域，所述磁极铁芯区域是由凸起部和凹陷部构成的具有均匀磁场变化的磁轭结构，所述凸起部与所述凹陷部沿圆周方向和轴向交替排列布置。

2.如权利要求1所述的一种用于降低极频和槽频径向电磁激振力的电机，其特征在于：所述凹陷部与所述凸起部的宽度和应与所述转子铁芯上的槽距相同，所述磁极铁芯区域的轴向长度为所述定子永磁磁极的长度。

3.如权利要求1或2所述的一种用于降低极频和槽频径向电磁激振力的电机，其特征在于：所述凹陷部采用正方形、矩形、菱形、圆形或椭圆形结构。

4.如权利要求1或2所述的一种用于降低极频和槽频径向电磁激振力的电机，其特征在于：所述凹陷部的形状为旋转45度，斜着排布。

5.如权利要求1所述的一种用于降低极频和槽频径向电磁激振力的电机，其特征在于：所述磁极铁芯区域位于所述定子永磁磁极与所述定子铁芯之间的区域，或者定子永磁磁极的极靴内表面上。

6.如权利要求1所述的一种用于降低极频和槽频径向电磁激振力的电机，其特征在于：所述电机采用电励磁电机，所述磁极铁芯区域位于所述定子电励磁磁极的内表面上。

7.如权利要求1或2所述的一种用于降低极频和槽频径向电磁激振力的电机，该电机为永磁电机或电励磁电机，其特征在于：在所述定子永磁磁极或所述电励磁磁极内圆表面固定设置一个铜环，所述铜环长度与所述定子铁芯相同，或比所述定子铁芯长。