CN105305684B - 一种降低极频和槽频径向电磁激振力的永磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种降低极频和槽频径向电磁激振力的永磁电机，它包括定子机座，定子机座内固设有定子铁芯，定子铁芯上设置有定子绕组；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，转子铁芯上布置有永磁体。永磁体由轴向一致布置永磁体和轴向交替布置永磁体构成；轴向一致布置永磁体与轴向交替布置永磁体的充磁方向为径向，轴向一致布置永磁体的极性交替布置，形成磁极与定子作用，产生转矩和径向电磁力；轴向交替布置永磁体由沿轴向分段的若干小块永磁体构成，小块永磁体沿圆周方向上布置在相邻两轴向一致布置永磁体之间，沿轴向各段小块永磁体为极性交替排列的方式布置。本发明能够减小极频径向电磁激振力，降低机械振动和噪声。

Description

一种降低极频和槽频径向电磁激振力的永磁电机

技术领域

本发明涉及一种永磁电机，特别是关于一种能够降低极频和槽频径向电磁激振力的永磁电机。

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。

电机的电磁激振力中最主要的包括三类：第一类是与极数相关的极频电磁激振力；第二类是与齿槽数相关的槽频电磁激振力；第三类是与电力电子装置开关频率相关的高频激振力。这三类电磁激振力是电机与电力电子装置本质造成的，减小和削弱这些电磁激振力存在极大的困难。对于第一类电磁激振力，现有方法只能通过降低电机的气隙磁通密度来实现，但是该方法会降低电机的转矩和功率密度。对于第二类电磁激振力，往往采用斜槽或闭口槽，然而斜槽效果不明显，且工艺复杂；闭口槽会增加槽漏抗，且效果也不明显。对于第三类电磁激振力，现有方法是增加滤波电路、降低与开关频率相关的谐波或者提高开关频率，但是增加滤波电路增大了设备重量，并降低了可靠性；提高开关频率会增加损耗，降低效率。由此可见，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能够降低极频和槽频电磁激振力的永磁电机，从而实现电机系统减振降噪的目的。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种降低极频和槽频径向电磁激振力的永磁电机，它包括定子机座、定子铁芯、定子绕组、永磁体、转子铁芯、转子轴和轴承；所述定子机座内固设有所述定子铁芯，所述定子铁芯上设置有所述定子绕组；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，所述转子铁芯上布置有所述永磁体；其特征在于：所述永磁体由轴向一致布置永磁体和轴向交替布置永磁体构成；所述轴向一致布置永磁体与所述轴向交替布置永磁体的充磁方向为径向，所述轴向一致布置永磁体的极性交替布置，形成磁极与定子作用，产生转矩和径向电磁力；所述轴向交替布置永磁体由沿轴向分段的若干小块永磁体构成，所述小块永磁体沿圆周方向上布置在相邻两所述轴向一致布置永磁体之间，沿轴向各段小块永磁体为极性交替排列的方式布置。

所述定子机座采用具有导磁性的材料制成。

在所述定子铁芯的定子齿对应的铁芯轭部开设有孔，所述孔中插设有导磁棒。

所述定子铁芯内圆上开设有槽，所述槽两边为定子齿，在所述槽内设置有所述定子绕组。

所述定子铁芯采用无槽定子结构，所述定子铁芯的内圆表面光滑，所述定子绕组为无槽绕组，所述无槽绕组经过热固材料固化成型，固定在所述定子铁芯的内圆表面。

将所述轴向一致布置永磁体和轴向交替布置永磁体都进行分段，轴向上相邻的两段永磁体采用错开式结构，先错开再回位形成曲折结构。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明的永磁体由轴向一致布置永磁体和轴向交替布置永磁体构成，轴向一致布置永磁体布置在转子铁芯上，轴向交替布置永磁体布置在轴向一致布置永磁体之间，轴向一致布置永磁体产生周向磁场实现机电能量转换，而轴向交替布置永磁体产生轴向磁场，轴向磁场与周向磁场一起使定子铁芯内表面上的磁密均匀，变化减小，从而实现减小定子铁芯受到径向电磁激振力的变化，达到减小定子铁芯变形和振动的目的。因此本发明能够减小普通永磁电机磁场相对定子铁芯运动带来的极频径向电磁激振力，降低机械振动和噪声。2、本发明由于永磁体采用分段结构，相邻段之间进行周向扭斜，扭斜角度按照定子槽距角进行设置，从而使永磁体在定子铁芯上产生的与槽频相关的径向电磁激振力减小，能够实现转矩的平滑，从而降低电机的振动和噪声。3、本发明采用导磁的定子机座，使轴向交替布置永磁体产生的轴向磁通经过的磁路的磁阻大大减小，轴向磁场得到增强，轴向交替布置永磁体利用效果提高。4、本发明在定子铁芯上开孔布置导磁棒，避免使用导磁机座，同时使轴向交替布置永磁体产生的轴向磁通经过的磁路的磁阻大大减小，轴向磁场得到增强，轴向交替布置永磁体利用效果提高，使电机结构更为紧凑。5、本发明定子采用无槽绕组，定子铁芯不开槽，彻底消除定子受到的槽频径向电磁激振力，与转子轴向交替布置永磁体相配合，达到大大降低电机定子受到的极频和槽频径向电磁激振力的目的，实现完美结合。

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是现有的普通永磁电机的轴向横截面示意图，也是本发明的永磁电机的横截面示意图，是图2的A-A切面图；

图2是现有的普通永磁电机的截面示意图，是图1的B-B切面图；

图3是图2电机转子的展开为平面的示意图；

图4是图3的C-C截面上的磁密分布和径向电磁激振力密度波分布图；

图5是本发明永磁电机的截面示意图，是图1的B-B切面图；

图6是图5中电机转子展开为平面的示意图，以及磁力线分布示意图；

图7是图6的D-D截面上的磁密分布和径向电磁激振力密度波分布图；

图8是本发明减小槽频径向电磁激振力的转子永磁体布置示意图；

图9是本发明定子铁芯开孔加轴向导磁棒的方案示意图；

图10是本发明减小槽频径向电磁激振力的定子无槽绕组方案示意图；

图11是本发明采用连续斜边永磁体实施例一的示意图；

图12是本发明采用连续斜边永磁体实施例二的示意图。

具体实施方式

如图1～图3所示，永磁电机包括定子机座1、定子铁芯2、定子绕组3、永磁体7、转子铁芯6、转子轴4和轴承5。定子机座1内固定设置有定子铁芯2，在定子铁芯2上设置有定子绕组3；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，定子绕组3一般为三相绕组。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，并在转子铁芯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。其中，在定子铁芯2内圆上还可以开设有槽8，槽8两边为定子齿9，在槽8内设置有定子绕组3。

电机内部永磁体产生的磁场由永磁体7的N极出发，经过定子与转子之间的气隙、定子齿9，再沿圆周方向经过定子铁芯2，再经过定子齿9、定转子之间的气隙，最后回到永磁体7的S极(如图3的磁力线10所示)，图3是将转子切开展开成平面得到的，磁力线以二维的形式表示。该电机的磁场只存在径向和圆周方向的磁场，不存在轴向的磁场。

电机运行时，定子绕组通三相交流电，形成旋转磁场，与转子永磁体相互吸引产生转矩带动电机转子与旋转磁场方向一致旋转。此时电机气隙径向磁密波形如图4的b_δ1所示，该气隙磁密波b_δ1为平顶波。该磁场作用在定子铁心内圆上，产生径向电磁激振力，该激振力是引起定子铁心振动的根源。磁密波产生的径向电磁激振力与磁密的平方成正比，径向电磁激振力以径向电磁激振力密度衡量，此时的径向电磁激振力密度波如图4的σ₁所示。可见径向电磁激振力密度波σ₁变化的次数为磁密波变化次数的两倍，其引起的振动的频率等于极数与转速的乘积，故称之为极频。正是这样变化的激振力在定子上引起振动。除了极频的振动，由于电机的定子内圆开有槽，形成了很多小的齿，转子磁极经过齿的时候会对齿产生吸引力，也会产生径向电磁力，该电磁力的频率等于槽数与转速的乘积，称之为槽频。

由前述极频和槽频产生的原理可见，两者是电机内固有的电磁激振力，电机产生转矩需要磁场，该磁场必然产生径向电磁激振力。前人对减小径向电磁激振力进行了很多研究，都没有很好的方法减小。有些方法只能是降低电机性能来实现减小径向电磁激振力，其中较为简单的方法就是减小气隙磁密，径向电磁激振力将平方倍的减小。但是这样做的直接后果就是电机的体积重量会增大，所以也不是很好的解决方案。下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图5、图6所示，本发明提供一种降低极频和槽频径向电磁激振力的永磁电机，其结构与现有技术中的永磁电机结构类似，也包括定子机座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。其特征在于，本发明的永磁体7由轴向一致布置永磁体11和轴向交替布置永磁体12构成。轴向一致布置永磁体11与轴向交替布置永磁体12的充磁方向仍为径向，轴向一致布置永磁体11的极性交替布置，形成与普通电机一样的磁极，与定子作用，产生转矩和径向电磁力。轴向交替布置永磁体12由沿轴向分段的若干小块永磁体构成，小块永磁体的个数根据需要进行设置；这些小块永磁体沿圆周方向上布置在相邻两轴向一致布置永磁体11之间，沿轴向各段小块永磁体为极性交替排列的方式布置。此时，本发明的永磁电机与普通电机中只存在径向和周向磁场不同，本发明的永磁电机除了存在径向和周向磁场之外，还存在用于减小径向电磁激振力的由轴向交替布置永磁体12产生的轴向磁场。

上述实施例中，为了更清楚说明永磁体7布置方式，如图6所示，除了与普通永磁电机的磁力线相同的磁力线10(如图3所示)，还存在轴向交替布置永磁体12产生的磁力线13，磁力线13由轴向交替布置永磁体12的N极出发，经过定子与转子之间的气隙、定子齿9、定子铁芯2，再沿轴向经过定子机座1，再经过定子铁芯2、定子齿9、定子与转子之间的气隙，最后回到轴向交替布置永磁体12的S极，如磁力线13所示。需要特别说明，图5和图6中的同极性的相邻的永磁体可以合并为一块，本说明为了方便说明采用分开的形式进行说明，合并与分开不影响本发明的效果。

如图7所示，沿图6的D-D截面上一对极下范围内的气隙径向磁密波形图中的径向磁密波形b_δ1为轴向一致布置永磁体11产生的，与图4中相同，其同样产生如图4的径向电磁激振力密度波σ₁。本发明的轴向交替布置永磁体12将产生如图7中b_δ2所示的径向磁密波，该磁密波位于径向磁密波形b_δ1的两极之间，磁力线走向与径向磁密波形b_δ1不同，为轴向。该b_δ2磁密波将产生径向电磁激振力密度波σ₂。此时在D-D截面上一对极下范围内的径向电磁激振力密度波σ_sum为σ₁和σ₂的叠加，σ_sum在图7中画出，径向电磁激振力密度波σ_sum基本不变。这样的效果是定子齿9受到的径向电磁激振力密度波σ_sum为大小基本不变的力，该大小不变化的力作用在定子铁芯2上将产生形变，但不产生振动。实际上径向电磁激振力密度波σ_sum并不是大小完全不变，但其波动已很小，与普通永磁电机相比，定子受到的与极数有关的径向电磁激振力密度波将大幅减小，达到减小径向电磁激振力和减振的目的。

需要说明，电机进行机电能量转换依靠普通电机的永磁体4或者本发明的轴向一致布置永磁体11。由上述结构可以看出，定子绕组3交链的轴向交替布置永磁体12产生的磁通在轴向上是两种极性的综合，定子绕组3交链的轴向交替永磁体12的磁通之和为零，所以对机电能量转换不产生作用。其作用在于在电机的气隙中形成一个附加的磁场，该磁场主要为轴向分布，且轴向交替永磁体12处于两个轴向一致布置永磁体11之间，产生的磁场填补了轴向一致布置永磁体11两极之间的磁场缺口，使定子铁心在转子转动的情况下其径向磁密的平方几乎不变化，因此产生的径向电磁激振力不变，定子不产生振动，从而达到降低极频电磁激振力的作用，此时的圆周方向的气隙磁密分布近似为水平直线。气隙磁密分布变化越小，电磁激振力变化越小，电机振动越小。

上述各实施例中，对于普通永磁电机可以采用斜槽或者斜极来达到削弱齿槽转矩，但是斜槽、斜极一般采用整个电机轴向斜一个齿距，实际上这样做径向电磁激振力并不能很好地在轴向上进行综合叠加，并不能达到降低槽频电磁激振力的效果。因此，为了进一步减小电机的槽频相关的径向电磁激振力，本发明采用多段斜极来削弱槽频电磁激振力，将所有的永磁体(包括轴向交替布置永磁体12和轴向一致布置永磁体11)都进行分段，轴向上相邻的两段永磁体错开一定的角度(例如，本实施例中错开定子半个齿距对应的角度)，一段先错开，下一段再回位，形成曲折结构。例如，本发明将轴向一致布置永磁体11沿轴向分段，轴向的相邻各段永磁体之间错开一个角度θ，该角度可以根据需要进行设置，本实施例中选定为定子槽距角的一半，具体的错开方式如图8所示。定子槽距角为α＝360°/Z，Z为定子槽数，本实施例中Z＝12。θ＝α/2，此时θ＝15°。显然，电机轴向分段的方式可以具有多种形式，段数可以任意选择，错开的角度可以选择，不同组合对槽频径向电磁激振力及其高次谐波的削弱作用不同，可进行优化选择。由于转子永磁体分段错位，定子铁芯2受到的槽频径向电磁激振力的相位不同，不再是代数和，而是相量和，定子铁芯2受到的槽频径向电磁激振力将大幅减小，达到减振的目的。

上述各实施例中，本发明也可以采用普通永磁电机常用的定子斜槽来达到降低槽频电磁激振力的作用。

上述各实施例中，定子机座1采用具有导磁性的材料制成。由于普通永磁电机的机座不需要导磁，因此可以采用铝壳等非导磁材料制造；而本发明的定子机座1可作为轴向交替布置永磁体12产生的轴向磁通的通路，导磁材料可以减小轴向磁路的磁阻。虽然也可以利用定子铁芯2本身进行轴向磁通的导磁，但定子铁芯2是由硅钢片叠压而成，但是硅钢片之间具有小的空隙，会增加磁阻，降低轴向磁路导磁性能。

上述各实施例中，定子铁芯2可以采用设置有槽8的结构，也可以采用无槽定子结构。当采用具有槽8结构时，还可以在定子铁芯2的定子齿9对应的铁芯轭部开设有孔14(如图9所示)，作为定子机座1采用导磁材料制成的一种替换结构；在孔14中紧密地插设有导磁棒，用于对轴向交替布置永磁体12产生的轴向磁场进行导通，减小磁路磁阻。孔14可以采用圆形孔、方形孔等其他形状，改变孔14的形状并不会影响效果，不应排除在本发明的保护范围之外。

如图10所示，当定子铁芯2采用无槽定子结构时，可以彻底消除定子铁芯的槽频电机激振力和振动。定子铁芯2的内圆表面光滑，定子绕组3为无槽绕组，无槽绕组经过热固材料固化成型，固定在定子铁芯2的内圆表面。其中，定子绕组3的加工工艺和固定方法可以采用任何将绕组紧固成型和固定的工艺。由于在定子铁芯2的内圆表面不再开槽，也就不存在齿，不存在与槽数成正比的槽频电机激振力和振动，达到减振的效果。

如图11、图12所示，本发明的永磁体7还可以采用斜边永磁体结构，进而来削弱槽频径向电磁激振力。

本发明中的永磁体充磁方向改为平行充磁也不影响效果，不应排除在本发明的保护范围之外。

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)

1.一种降低极频和槽频径向电磁激振力的永磁电机，它包括定子机座、定子铁芯、定子绕组、永磁体、转子铁芯、转子轴和轴承；所述定子机座内固设有所述定子铁芯，所述定子铁芯上设置有所述定子绕组；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，所述转子铁芯上布置有所述永磁体；其特征在于：所述永磁体由轴向一致布置永磁体和轴向交替布置永磁体构成；所述轴向一致布置永磁体与所述轴向交替布置永磁体的充磁方向为径向，所述轴向一致布置永磁体的极性交替布置，形成磁极与定子作用，产生转矩和径向电磁力；所述轴向交替布置永磁体由沿轴向分段的若干小块永磁体构成，所述小块永磁体沿圆周方向上布置在相邻两所述轴向一致布置永磁体之间，沿轴向各段小块永磁体为极性交替排列的方式布置。

2.如权利要求1所述的一种降低极频和槽频径向电磁激振力的永磁电机，其特征在于：所述定子机座采用具有导磁性的材料制成。

3.如权利要求1所述的一种降低极频和槽频径向电磁激振力的永磁电机，其特征在于：在所述定子铁芯的定子齿对应的铁芯轭部开设有孔，所述孔中插设有导磁棒。

4.如权利要求1或2或3所述的一种降低极频和槽频径向电磁激振力的永磁电机，其特征在于：所述定子铁芯内圆上开设有槽，所述槽两边为定子齿，在所述槽内设置有所述定子绕组。

5.如权利要求1或2所述的一种降低极频和槽频径向电磁激振力的永磁电机，其特征在于：所述定子铁芯采用无槽定子结构，所述定子铁芯的内圆表面光滑，所述定子绕组为无槽绕组，所述无槽绕组经过热固材料固化成型，固定在所述定子铁芯的内圆表面。

6.如权利要求1～3任一项所述的一种降低极频和槽频径向电磁激振力的永磁电机，其特征在于：将所述轴向一致布置永磁体同所述轴向交替布置永磁体一样沿轴向进行分段，轴向上相邻的两段永磁体采用错开式结构，先错开再回位形成曲折结构。

7.如权利要求5所述的一种降低极频和槽频径向电磁激振力的永磁电机，其特征在于：将所述轴向一致布置永磁体同所述轴向交替布置永磁体一样沿轴向进行分段，轴向上相邻的两段永磁体采用错开式结构，先错开再回位形成曲折结构。