CN105429329A - 一种永磁转子磁瓦及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种永磁转子磁瓦及其设计方法。所述永磁转子磁瓦在周向上的外轮廓线为多段线结构，所述多段线结构相对于位于多段线中间的曲率半径线呈轴对称结构，所述外轮廓线的周向方向上位于中间部分的曲率半径大于其它部分的曲率半径。本申请中，由于所述永磁转子磁瓦的外轮廓线为多段线结构，使电机的气隙长度呈正弦变化趋势，应用该永磁转子磁瓦的电机反电动势正弦度更高，谐波含量少，转矩脉动小，降低了噪音，同时提高了电机及控制器的平稳性和可靠性。

Description

一种永磁转子磁瓦及其设计方法

技术领域

本发明涉及电机技术，更具体地涉及一种永磁转子磁瓦及其设计方法。

背景技术

磁瓦主要应用在永磁直流电机中，以永磁材料产生恒定磁势源。

现有技术中的磁瓦由于其外轮廓线设计不合理等原因，使得所述磁瓦在随电机转动的过程中，电机的气隙长度不能呈正弦规律变化，因而不能产生正弦波形的磁场，这使得电机控制器必须通过软硬件进行电流波形的控制，增加了控制器软硬件的设计难度，且电机的转矩脉动大，同时也具有较大的功率损耗和噪音。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种使气隙长度呈正弦变化的永磁转子磁瓦及其设计方法。

本发明的另一目的在于提供一种能够产生较小转矩脉动的永磁转子磁瓦及其设计方法。

根据本发明的第一方面，提供一种永磁转子磁瓦，所述永磁转子磁瓦在周向上的外轮廓线为多段线结构，所述多段线结构相对于位于多段线中间的曲率半径线呈轴对称结构，所述外轮廓线的周向方向上位于中间部分的曲率半径大于其它部分的曲率半径。

优选的，所述外轮廓线由多段圆弧或者多段直线或者圆弧和直线的组合依次连接形成。

优选的，所述外轮廓线由三段圆弧依次连接形成。

优选的，所述外轮廓线包括第一弧段、第二弧段和中心弧段，所述第一弧段和第二弧段沿着所述永磁转子磁瓦的周向对称的设置在所述中心弧段的两侧，其中所述第一弧段和第二弧段朝向所述中心弧段的一端分别与所述中心弧段的两端连接，形成光滑过渡的多弧段结构。

优选的，所述第一弧段和第二弧段的曲率半径相等。

优选的，所述第一弧段和第二弧段的曲率半径r₁满足下列公式：

$r_1=\sqrt{R^2+{d_{11}}^2+{d_{12}}^2-{\mathrm{Hd}}_{11}-2d_{12}\sqrt{R^2-\frac{H^2}{4}}}$

其中，R为所述中心弧段的曲率半径；d₁₁、d₁₂分别为所述第一弧段和第二弧段相对于位于所述多段线中间的曲率半径在Y方向和X方向的偏心距离，其中所述X方向为位于所述中心弧段中间的曲率半径所在的方向，所述Y方向与所述X方向垂直；H为所述永磁转子磁瓦的中心弧段的高度。

根据本发明的第二方面，提供一种所述的永磁转子磁瓦的设计方法，其特征在于，

包括以下步骤：

S1)、确定永磁转子磁瓦的中心弧段的曲率半径R，以及沿着周向对称设置于所述中心弧段的两侧的待设计弧段在X方向和Y方向的偏心距离d_x和d_y的值，其中所述X方向为位于所述中心弧段中间的曲率半径R所在的方向，所述Y方向与所述X方向垂直；

S2)、根据公式

$r=\sqrt{R^2+{d_y}^2+{d_x}^2-{\mathrm{Hd}}_y-2d_x\sqrt{R^2-\frac{H^2}{4}}}$

计算得出所述永磁转子磁瓦待设计的两个弧段的曲率半径r的值，其中H为所述永磁转子磁瓦的中心弧段的高度值。

优选的，所述永磁转子磁瓦的中心弧段的高度H取为h/(n-1)，其中h为各段圆弧总高度的值，n为总弧段段数。

本发明提供的所述永磁转子磁瓦，由于其外轮廓线为多段线结构，使电机的气隙长度呈正弦变化趋势，应用该永磁转子磁瓦的电机反电动势正弦度更高，谐波含量少，转矩脉动小，降低了噪音，同时提高了电机及控制器的平稳性和可靠性。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1为本发明中永磁转子的结构示意图；

图2为本发明中永磁转子与定子的配合示意图；

图3为本发明中由三个圆弧段形成外轮廓线的永磁转子磁瓦的结构示意图；

图4为本发明中由五个圆弧段形成外轮廓线的永磁转子磁瓦的结构示意图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。

如图3和图4所示，本发明中将位于中心弧段5中间的曲率半径R所在的方向称为X方向，与所述X方向垂直的方向称为Y方向。

如图1-4所示，本发明中的永磁转子100，包括至少一个转子单元10和转轴6，所述转子单元10依次固定在所述转轴6上，每个所述转子单元10包括多个永磁转子磁瓦1和转子铁芯2，所述多个永磁转子磁瓦1按照N-S极性相间隔的方式交替设置的固定在所述转子铁芯2的外周上，所述转子铁芯2固定在所述转轴6上，在所述转轴6的带动下，可以实现转轴6相对定子20的转动。所述永磁转子磁瓦1由永磁材料形成。

多段线结构是工程设计中常用的一种结构，可以是直线，也可以是弧线，或者是直线或者弧线等不同形状的线依次连接形成的一个整体的线段，可以是闭合结构，也可以是非闭合结构，本发明中为非闭合结构。

本发明中的永磁转子磁瓦1在周向上的外轮廓线200为多段线结构，可由多段圆弧或者多段线段或者圆弧和直线的组合依次连接形成，该多段线结构相对于位于多段线中间的曲率半径线呈轴对称结构，所述外轮廓线200的周向方向上位于中间部分的曲率半径大于其它部分曲率半径，这种结构设计使得电机的气隙长度呈正弦规律变化，从而形成正弦波磁场。

参考图3，在一个优选的实施例中，所述多段线结构由三个弧段依次连接形成，包括第一弧段3、第二弧段4和中心弧段5，所述第一弧段3和第二弧段4的曲率半径相等，并沿着所述永磁转子磁瓦1的周向对称的设置在所述中心弧段5的两侧，其中所述第一弧段3和第二弧段4朝向所述中心弧段5的一端分别与所述中心弧段5的两端连接，形成光滑过渡的多弧段结构，并且所述中心弧段5的曲率半径大于所述第一弧段3和第二弧段4的曲率半径。

所述三个弧段式永磁转子磁瓦结构的设计方法如下：

S1)、根据电机使用情况确定永磁转子磁瓦1中心弧段5的曲率半径R，第一弧段3和第二弧段4相对于位于所述多段线中间的曲率半径在Y方向和X方向的偏心距离分别为d₁₁、d₁₂，永磁转子磁瓦1的中心弧段的高度H可近似取h₁/(n-1)，其中h₁为三段圆弧的总高度值，n＝3；

S2)、根据公式

$r_1=\sqrt{R^2+{d_{11}}^2+{d_{12}}^2-{\mathrm{Hd}}_{11}-2d_{12}\sqrt{R^2-\frac{H^2}{4}}}$

计算得出所述永磁转子磁瓦1的第一弧段3和第二弧段4的曲率半径r₁的值；

将所述经过上述设计方法得到的多个永磁转子磁瓦1按照N-S极性相间隔的方式交替设置并固定在所述转子铁芯2的外周上，形成转子单元10；然后将所述转子单元10依次固定在所述转轴6上，形成本发明中的永磁转子。

参考图4，在另一个优选的实施例中，在所述三个弧段线结构的永磁转子磁瓦1的沿着周向的两端还对称的设置有第三弧段6和第四弧段7，其中所述第三弧段6与所述第一弧段3相连接，所述第四弧段7与所述第二弧段4相连接，第三弧段6和第四弧段7的曲率半径和弧高相同。

所述五弧段式永磁转子磁瓦结构的设计方法如下：

S1)、在上述三弧段式永磁转子磁瓦结构的基础上，根据电机使用情况确定永磁转子磁瓦1的中心弧段5的曲率半径R，第三弧段6和第四弧段7相对于位于所述多段线中间的曲率半径在Y方向和X方向的偏心距离分别为d₂₁、d₂₂，圆弧圆心坐标选取需满足设计，永磁转子磁瓦1的中心弧段的高度H可近似取h₂/(n-1)，其中h₂为五段圆弧总高度的值，n＝5；

S2)、根据公式

$r_2=\sqrt{R^2+{d_{21}}^2+{d_{22}}^2-{\mathrm{Hd}}_{21}-2d_{22}\sqrt{R^2-\frac{H^2}{4}}}$

计算所述永磁转子磁瓦1的第三弧段6和第四弧段7的曲率半径r₂的值；

将经过上述设计方法得到的多个永磁转子磁瓦1按照N-S极性相间隔的方式交替设置并固定在所述转子铁芯2的外周上，形成转子单元10；然后将所述转子单元10依次固定在所述转轴6上，形成本发明中的永磁转子。

依次类推，具有个圆弧段形成的所述永磁转子100的外轮廓线的设计方法与所述三弧段式永磁转子磁瓦结构和五弧段式永磁转子磁瓦结构的设计方法原理相同，这里不再赘述。

本申请中，由于所述永磁转子磁瓦1的外轮廓线为多段线结构，使气隙长度呈正弦变化趋势，应用该永磁转子磁瓦的电机反电动势正弦度更高，谐波含量少，转矩脉动小，降低了噪音，同时提高了电机及控制器的平稳性和可靠性。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种永磁转子磁瓦，其特征在于，所述永磁转子磁瓦(1)在周向上的外轮廓线(200)为多段线结构，所述多段线结构相对于位于多段线中间的曲率半径线呈轴对称结构，所述外轮廓线(200)的周向方向上位于中间部分的曲率半径大于其它部分的曲率半径。

2.根据权利要求1所述永磁转子磁瓦，其特征在于，所述外轮廓线(200)由多段圆弧或者多段直线或者圆弧和直线的组合依次连接形成。

3.根据权利要求2所述永磁转子磁瓦，其特征在于，所述外轮廓线(200)由三段圆弧依次连接形成。

4.根据权利要求3所述永磁转子磁瓦，其特征在于，所述外轮廓线(200)包括第一弧段(3)、第二弧段(4)和中心弧段(5)，所述第一弧段(3)和第二弧段(4)沿着所述永磁转子磁瓦(1)的周向对称的设置在所述中心弧段(5)的两侧，其中所述第一弧段(3)和第二弧段(4)朝向所述中心弧段(5)的一端分别与所述中心弧段(5)的两端连接，形成光滑过渡的多弧段结构。

5.根据权利要求4所述永磁转子磁瓦，其特征在于，所述第一弧段(3)和第二弧段(4)的曲率半径相等。

6.根据权利要求5所述永磁转子磁瓦，其特征在于，所述第一弧段(3)和第二弧段(4)的曲率半径r₁满足下列公式：

$r_1=\sqrt{R^2+{d_{11}}^2+{d_{12}}^2-{\mathrm{Hd}}_{11}-2d_{12}\sqrt{R^2-\frac{H^2}{4}}}$

其中，R为所述中心弧段(5)的曲率半径；d₁₁、d₁₂分别为所述第一弧段(3)和第二弧段(4)相对于位于所述多段线中间的曲率半径在Y方向和X方向的偏心距离，其中所述X方向为位于所述中心弧段(5)中间的曲率半径所在的方向，所述Y方向与所述X方向垂直；H为所述永磁转子磁瓦(1)的中心弧段(5)的高度。

7.一种权利要求4所述的永磁转子磁瓦的设计方法，其特征在于，

包括以下步骤：

S1)、确定永磁转子磁瓦(1)的中心弧段(5)的曲率半径R，以及沿着周向对称设置于所述中心弧段(5)的两侧的待设计弧段在X方向和Y方向的偏心距离d_x和d_y的值，其中所述X方向为位于所述中心弧段(5)中间的曲率半径R所在的方向，所述Y方向与所述X方向垂直；

S2)、根据公式

$r=\sqrt{R^2+{d_y}^2+{d_x}^2-{\mathrm{Hd}}_y-2d_x\sqrt{R^2-\frac{H^2}{4}}}$

计算得出所述永磁转子磁瓦(1)待设计的两个弧段的曲率半径r的值，其中H为所述永磁转子磁瓦(1)的中心弧段(5)的高度值。

8.根据权利要求7所述的永磁转子磁瓦的设计方法，其特征在于，所述永磁转子磁瓦(1)的中心弧段的高度H取为h/(n-1)，其中h为各段圆弧总高度的值，n为总弧段段数。