CN105958691B - 一种分段斜极转子及其电机 - Google Patents
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Abstract
一种分段斜极转子及电机，其关键技术在于，将电机在转子轴向方向上分成两段长度相同的转子段，第一转子段与第二转子段之间圆周方向上的夹角为α1=β×180/LCM(Z1,2p)机械角度；其中，β为分段倾斜比，且0.53≥β≥0.4；所述分段斜极转子为表面式永磁体转子结构且其永磁体采用瓦片式结构，其截面积具有瓦片型，共有4条边，两条直线边L1，L2和两条弧线边，两条弧线半径分别为R1和R2，且R2大于R1；且永磁体为中间厚两边薄，其最大厚度为h，电机的每极每相槽数为1，每段极弧角度相同，且大于等于π‑πp/LCM(Z1,2p)电角度。本发明的分段斜极转子，倾斜角小于传统推荐值与优化齿槽转矩同时兼顾。
Description
技术领域
本发明涉及永磁电机的表面式永磁转子技术领域，尤其是一种分段斜极转子及其电机。
背景技术
通常永磁电机可通过定子斜槽或转子斜极的方式削弱齿槽转矩和提高磁场及反电动势的正弦性，然而无论是采用定子斜槽还是转子磁极整体倾斜一定角度（连续斜极），都会增加电机批量生产的复杂性及电机的制造成本，电机转子如图1a所示。因此转子分段斜极以其制造简单以及低成本而备受关注。
为了有效地削弱齿槽转矩及反电动势谐波，通常可根据公式获得分段斜极的最佳倾斜角。其中，α为分段斜极的最佳倾斜角（机械角度），n为磁极所分的段数；Z1为定子槽数；2p为电机转子极数；LCM(Z1,2p)为定子槽数与转子极数的最小公倍数。根据公式可以看出，该最佳角还取决于磁极所分的段数。图1b至图1c给出了电机转子轴向分成两段后的相对位置示意图。
然而对于轴向长度受限的电机来说，铁心长度较短，且考虑到大批量生产及加工情况，其转子仅能分成两段。为了满足较高功率密度的要求，其通常采用较大的磁极极弧角度。然而此时按上述传统的最佳倾斜角倾斜转子就会出现图2a至图2b所示的情况，即前后两段转子，第一段的N极与第二段的S极出现重合接触的部分；这样会增加电机轴向的极间漏磁，从而降低电机的输出功率。
为了解决上述问题，通常在两段转子之间放置不导磁的盖板将两段转子分开，且盖板的厚度通常大于等于电机定转子间的气隙长度，这样会增加电机的整体长度，电机功率密度将会降低。如图3所示。
此外，虽然上述传统的最佳倾斜角可获得较低的齿槽转矩，但是对于每极每相槽数为1的电机来说，该倾斜角仍然较大，这会降低输出转矩，影响功率密度。然而为了提高输出转矩，采用较小的非最佳倾斜角，又起不到优化齿槽转矩的目的。
发明内容
为了解决由于极弧角度过大，出现轴向异性磁极重叠从而影响输出功率的问题，本发明提供一种分段斜极转子及其电机，可有效减小最优分段斜极角度且同时获得较低的齿槽转矩。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明提供一种分段斜极转子，其将电机在转子轴向方向上分成两段长度相同的转子段，第一转子段与第二转子段之间圆周方向上的夹角为α1=β×180/LCM(Z1,2p)机械角度；其中，β为分段倾斜比，且0.53≥β≥0.4。
本发明还提供一种分段斜极转子，其将电机在转子轴向方向上分成第一段转子和两段第二段转子，其每段第二段转子长度为第一段转子长度的二分之一，且两段第二段转子前后安装到第一段转子两侧，两段第二段转子与第一段转子在圆周方向上的夹角相同，均为α1=β×180/LCM(Z1,2p)机械角度；其中，β为分段倾斜比，且0.53≥β≥0.4。
作为优选方案，上述两种所述分段斜极转子为表面式永磁体转子结构且其永磁体采用瓦片式结构，其截面积具有瓦片型，共有4条边，两条直线边L1，L2和两条弧线边，两条弧线半径分别为R1和R2，且R2大于R1。
效果较佳的，所述分段斜极转子的永磁体为中间厚两边薄，其最大厚度为h，电机的每极每相槽数为1，每段极弧角度相同，且大于等于π-πp/LCM(Z1,2p)电角度。
作为优选方案，上述两种所述分段斜极转子具有8个磁极，且0.53≥ β ≥0.5，0.74×R2≥R1≥0.64×R2，每段极弧角度等于π-πp/LCM(Z1,2p)电角度，R2大于等于H，其中，H为原点O到永磁体内弧边中心的距离。
作为优选方案，上述两种所述分段斜极转子的两段转子之间采用铆钉或螺栓连接，且第一段转子的铆钉孔中心位于电机d轴上，第二段转子的铆钉孔中心位于与电机d轴相差α1的M线上，且第一段转子和第二段转子的铆钉孔中心半径一致。
作为优选方案，上述两种所述分段斜极转子的第二段转子的铆钉孔成钥匙孔形状。
本发明还提供一种电机，其包括上述的两种分段斜极转子。
本发明的有益效果是，本发明可减小两段斜极电机转子的倾斜角度，其小于传统最佳倾斜角。与传统最佳倾斜角的效果相比，可获得更低的齿槽转矩。而且较小的倾斜角度减小了对电机输出转矩的削弱作用，减小了轴向不同磁极的重合部分，减小了轴向漏磁，进一步提高了输出转矩和功率密度。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1a是电机转子示意图；
图1b是现有技术中两段转子磁极轴向方向相对位置示意图；
图1c是现有技术中两段转子圆周方向相对位置及最佳倾斜角示意图；
图2a是现有技术中两段转子磁极重合接触示意图；
图2b是现有技术中两段转子磁极重合及轴向漏磁通示意图；
图3是现有技术中两段转子磁极设置盖板示意图；
图4为本发明的分段转子永磁体磁极尺寸示意图；
图5a为现有技术的8极24槽表面式永磁电机剖面图；
图5b为现有技术的8极24槽表面式永磁电机的齿槽转矩波形图；
图6a为本发明的8极24槽表面式永磁电机剖面图；
图6b为本发明的8极24槽表面式永磁电机的齿槽转矩波形图；
图7a为本发明的两段转子圆周方向相对位置及最佳倾斜角示意图；
图7b为本发明的两段转子磁极之间无重合部分实体图；
图7c为本发明的两段转子磁极相对位置及磁极之间无重合部分示意图；
图7d为本发明的永磁电机的反电动势波形示意图；
图8为本发明的另一台8极24槽表面式永磁电机的齿槽转矩波形图；
图9a为本发明的一台4极12槽表面式永磁电机剖面图；
图9b为本发明的一台4极12槽表面式永磁电机的齿槽转矩波形图；
图10为本发明的另一台4极12槽表面式永磁电机的齿槽转矩波形图；
图11为本发明的另一台8极24槽表面式永磁电机的齿槽转矩波形图；
图12a为本发明的一台8极24槽表面式永磁电机剖面图；
图12b为本发明的一台8极24槽表面式永磁电机永磁体磁极尺寸示意图；
图13为本发明的一台8极24槽表面式永磁电机的齿槽转矩波形图；
图14为本发明的齿槽转矩与分段倾斜比关系图；
图15a为本发明的第二段转子及其与电机d轴的位置示意图；
图15b为本发明的第一段转子及其与电机d轴的位置示意图；
图16a为采用本发明铆钉孔的第二段转子的磁场分布图；
图16b为采用现有技术铆钉孔的第二段转子的磁场分布图；
图17为本发明的另一种第二段转子与第一段转子位置关系示意图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图4及图7a至图7c所示，本发明提供一种分段斜极转子，其在转子轴向方向分成两段长度相同的转子段，第一转子段与第二转子段之间圆周方向上的夹角为α1=β×180/LCM(Z1,2p)，β为小于1的小数，其典型值为0.53≥β≥0.4，所述β为分段倾斜比（当β=1时α1为传统的最佳倾斜角）。其转子为表面式永磁体转子结构且其永磁体采用瓦片式结构，其截面积具有瓦片型，共有4条边，两条直线边L1，L2和两条弧线边，两条弧线半径分别为R1和R2，且R2大于R1，从而产生不均匀气隙。其中，永磁体为中间厚两边薄，其最大厚度为h，电机的每极每相槽数为1，每段极弧角度相同，且大于等于π-πp/LCM(Z1,2p)电角度。
实施例：
一种具有8个磁极的分段斜极转子，其在转子轴向方向分成两段长度相同的转子段，第一转子段与第二转子段之间圆周方向上的夹角为α1，α1=β×180/LCM(Z1,2p)，且0.53≥ β ≥0.5，其中β为分段倾斜比，并且其转子为表面式永磁体转子结构且其永磁体采用瓦片式结构其截面积具有瓦片型，共有4条边，两条直线边L1，L2和两条弧线边，两条弧线半径分别为R1和R2，其中 0.74×R2≥R1≥0.64×R2。其电机的每极每相槽数为1，每段极弧角度相同，且等于π-πp/LCM(Z1,2p)电角度，R2大于等于H (H为原点O到永磁体内弧边（靠近原点O的弧边）中心的距离)。如图14所示，当0.74×R2≥R1≥0.64×R2，0.53≥ β ≥0.5时，可获得的齿槽转矩小于β =1时的情况，这是本专利所追求的：倾斜角小于传统推荐值且优化了齿槽转矩。还可以看出，本专利并不是转子斜极与不等宽磁极（或不均匀气隙）的简单组合，如R1/R2=0.62 或 R1/R2=0.81，其β <1时是无法获得齿槽转矩的极小值的，为了优化齿槽转矩，其倾斜角度应为传统推荐值，而不会有意减小。换句话说，如果此时选取小于传统推荐值的倾斜角度，就会牺牲对齿槽转矩的优化。 而本专利所提出的转子，其倾斜角小于传统推荐值与优化齿槽转矩是同时兼顾的。
如图15a和15b所示，本发明两段转子之间采用铆钉或螺栓连接，其第一段转子的铆钉孔中心位于电机d轴上，第二段转子的铆钉孔中心位于与电机d轴相差α1的M线上，且他们的铆钉孔中心半径一致。
如图16a和16b所示，第二段转子的铆钉孔大体成钥匙孔形状，为了使电机产生对称的磁路，从而减小或消除由于不对称磁路而产生的磁拉力。
如图17所示，本专利的另一种轴向的连接方式如下图，将电机分成第一段转子，和两段第二段转子，其每段长度为第一段转子的二分之一。且两段第二段转子前后安装到第一段转子两侧，这两段第二段转子相对第一段的夹角角度相同，且这两段第二段转子相对第一段转子的偏移方向一致，其他参数同上述轴向连接方式，再次不再赘述。这样可以削弱或消除由于电机斜极产生的轴向磁拉力。
数据验证：
如图5a和图5b所示，一台8极24槽表面式永磁电机，其R1=R2+h，L1与L2平行，且R2=H，其极弧角度为150°电角度。电机轴向上分成长度都为L的两段，其分段倾斜比β=1时才能获得最优的齿槽转矩。这是传统最佳倾斜角的例子。正如背景技术所述，虽然有效地减小了齿槽转矩 但由于传统的最佳倾斜角较大，导致了轴向存在不同极性磁极 重叠区域，从而增加了轴向极 间漏磁，从而影响输出功率。
如图6a和图6b所示，一台8极24槽表面式永磁电机，其R1/R2=0.67，L1与L2平行，且R2=H，其极弧角度为150°电角度。电机轴向上分成长度都为L的两段，其分段倾斜比取β=0.5。可以看出， β=0.5时的齿槽转矩要小于β=1时的情况，本专利可有效减小传统最优分段倾斜角。如图7a、7b和7c所示，本专利不仅有效地减小了齿槽转矩，而且减小了最佳倾斜角，消除或减小了轴向不同极 性磁极重叠区域，从而减小了 轴向极间漏磁。如图7d和表1所示，对应反电动势波形及波形畸变率，可以看出，本专利转子结构可有效降低反电动势谐波含量，且由于倾斜角较小，其对反电动势（EMF）的削弱作用较小。
•表1
| EMF(RMS)/V | △EMF | 波形畸变率 | |
| 未斜极 | 27.788 | 0% | 2.11% |
| β=0.5 | 27.546 | -1% | 1.29% |
| β=1 | 26.838 | -3% | 1.39% |
如图8所示，另一台8极24槽表面式永磁电机的齿槽转矩曲线，其R1/R2=0.74，分段倾斜比取β=0.53，R2=H，且其极弧角度为150°电角度 。可以看出， β=0.53时的齿槽转矩要小于β=1时的情况，本专利可有效减小传统最优分段倾斜角（电机相关向示意图未给出）。
如图11所示，另一台8极24槽表面式永磁电机的齿槽转矩曲线，其R1/R2=0.67，分段倾斜比取β=0.5，R2=H，且其极弧角度为153°电角度 。可以看出， β=0.5时的齿槽转矩要小于β=1时的情况，本专利可有效减小传统最优分段倾斜角（电机相关向示意图未给出）。
如图12a和图12b所示，一台8极24槽表面式永磁电机，其R1/R2=0.67，L1与L2平行，且R2>H，其极弧角度为150°电角度。电机轴向上分成长度都为L的两段，其分段倾斜比取β=0.5。从图13可以看出， β=0.5时的齿槽转矩要小于β=1时的情况，本专利可有效减小传统最优分段倾斜角。
实施例
如图9a和图9b所示，一台4极12槽表面式永磁电机，其R1/R2=0.96，L1与L2平行，且R2=H，其极弧角度为150°电角度。电机轴向上分成长度都为L的两段，其分段倾斜比取β=0.4。可以看出， β=0.4时的齿槽转矩要小于β=1时的情况，本专利可有效减小传统最优分段倾斜角。
如图10所示，另一台4极12槽表面式永磁电机，其R1/R2=0.99，L1与L2平行，且R2=H，其极弧角度为150°电角度，其h与例子4的电机不同。电机轴向上分成长度都为L的两段，其分段倾斜比取β=0.5。可以看出， β=0.5时的齿槽转矩要小于β=1时的情况，本专利可有效减小传统最优分段倾斜角（电机相关向示意图未给出）。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (5)
1.一种分段斜极转子，其特征在于，将电机在转子轴向方向上分成两段长度相同的转子段，第一转子段与第二转子段之间圆周方向上的夹角为α1＝β×180/LCM(Z1,2p)机械角度；其中，β为分段倾斜比，且0.53≥β≥0.4；
所述分段斜极转子为表面式永磁体转子结构且其永磁体采用瓦片式结构，其截面积具有瓦片型，共有4条边，两条直线边L1，L2和两条弧线边，两条弧线半径分别为R1和R2，且R2大于R1、0.74×R2≥R1≥0.64×R2；
所述分段斜极转子的永磁体为中间厚两边薄，其最大厚度为h，电机的每极每相槽数为1，每段极弧角度相同，且大于等于π-πp/LCM(Z1,2p)电角度。
2.一种分段斜极转子，其特征在于，将电机在转子轴向方向上分成第一段转子和两段第二段转子，其每段第二段转子长度为第一段转子长度的二分之一，且两段第二段转子前后安装到第一段转子两侧，两段第二段转子与第一段转子在圆周方向上的夹角相同，均为α1＝β×180/LCM(Z1,2p)机械角度；其中，β为分段倾斜比，且0.53≥β≥0.4；
所述分段斜极转子为表面式永磁体转子结构且其永磁体采用瓦片式结构，其截面积具有瓦片型，共有4条边，两条直线边L1，L2和两条弧线边，两条弧线半径分别为R1和R2，且R2大于R1、0.74×R2≥R1≥0.64×R2；
所述分段斜极转子的永磁体为中间厚两边薄，其最大厚度为h，电机的每极每相槽数为1，每段极弧角度相同，且大于等于π-πp/LCM(Z1,2p)电角度。
3.如权利要求1或2任一权利要求所述的分段斜极转子，其特征在于，所述分段斜极转子具有8个磁极，且0.53≥β≥0.5，0.74×R2≥R1≥0.64×R2，每段极弧角度等于π-πp/LCM(Z1,2p)电角度，R2大于等于H，其中，H为原点O到永磁体内弧边中心的距离。
4.如权利要求1或2任一权利要求所述的所述分段斜极转子，其特征在于，所述分段斜极转子的两段转子之间采用铆钉或螺栓连接，且第一段转子的铆钉孔中心位于电机d轴上，第二段转子的铆钉孔中心位于与电机d轴相差α1的M线上，且第一段转子和第二段转子的铆钉孔中心半径一致。
5.一种电机，其特征在于，包括：如权利要求1或2任一权利要求所述的分段斜极转子。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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