CN107147227A - 一种含非对称磁极的永磁电机转子 - Google Patents

一种含非对称磁极的永磁电机转子 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种含非对称磁极的永磁电机转子，包括转子铁心和永磁体；转子铁心为导磁材料，转子铁心的圆周外表面或内表面沿周向均匀布设有2i个铁心凸极，其中，i=p/3，p为电机极对数，且p为3的倍数；相邻两个铁心凸极之间的转子铁心的圆周外表面或内表面均设置有两个永磁体槽，每个永磁体槽内各嵌套一个永磁体；每个永磁体的圆心角均小于或等于对应永磁体槽的圆心角；位于相邻两个铁心凸极之间的两个永磁体的充磁方向相反，且位于同一个铁心凸极两侧的两个永磁体的充磁方向相同。本发明能在降低电机成本和保证转矩输出能力的同时，削弱转轴端部的漏磁及其磁化，并降低转矩脉动。

Description

一种含非对称磁极的永磁电机转子
技术领域
本发明涉及一种电机设计领域，特别是一种含非对称磁极的永磁电机转子。
背景技术
近些年，由于永磁电机具有高转矩密度、高效率，被广泛应用于家电、电动汽车、风力发电和航空航天等场合。高能量密度的稀土永磁材料在永磁电机的设计和产品化中备受青睐。
传统的永磁电机使用大量价格较高的稀土永磁材料，是其生产成本较高的主要原因。为了解决这一问题，发明专利200710010915.0提供了交替极永磁电机，永磁体的数量仅为传统永磁电机的一半，降低了电机的总成本。
但是，交替极永磁电机的转轴端部会有单极性漏磁，使得电机的转轴发生磁化，这将对整个电机系统的可靠性和安全性产生影响。
发明专利201611011019.1提出采用转子分段的方法，在转子和转轴内部提供漏磁路径，削弱了转轴端部的磁化。
然而，仍存在着如下不足：
1.会使得气隙中产生轴向漏磁，降低了电机的转矩输出能力。
2.交替极永磁电机在q＝0.5(q为每极每相槽数)时，其反电势中含有大量偶次谐波，这会增加电机的转矩脉动。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种含非对称磁极的永磁电机转子，该含非对称磁极的永磁电机转子能在降低电机成本和保证转矩输出能力的同时，削弱转轴端部的漏磁及其磁化，并降低转矩脉动。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种含非对称磁极的永磁电机转子，包括转子铁心和永磁体。
转子铁心为导磁材料。
转子铁心的圆周外表面或内表面沿周向均匀布设有2i个铁心凸极，其中，i＝p/3，p为电机极对数，且p为3的倍数。
相邻两个铁心凸极之间的转子铁心的圆周外表面或内表面均设置有两个永磁体槽，每个永磁体槽内各嵌套一个永磁体。
每个永磁体的圆心角均小于或等于对应永磁体槽的圆心角。
位于相邻两个铁心凸极之间的两个永磁体的充磁方向相反，且位于同一个铁心凸极两侧的两个永磁体的充磁方向相同。
每个永磁体的圆心角均小于对应永磁体槽的圆心角，每个永磁体与相邻铁心凸极之间均设置有周向隔磁槽。
周向隔磁槽的系数其中θb为周向隔磁槽的圆心角，θm为永磁体的圆心角，kc取值范围在0-0.2之间。
永磁体的极弧系数αp＝θmp/π，其中θm为永磁体的圆心角；p为电机极对数，且p为3的倍数；αp取值范围在0.6-1.0之间。
永磁体的充磁方式为径向充磁或平行充磁。
还包括转轴，转子铁心同轴固定套装在转轴外周，2i个铁心凸极均匀布设在转子铁心的圆周外表面。
还包括固定轴，定子同轴固定套装在固定轴的外周，两者形成为一体结构；固定轴两端分别从定子两端伸出，并且固定轴的两个伸出端各套装一个轴承；转子铁心同轴套设在定子外周，并且转子铁心通过支撑体同轴安装在轴承上；2i个铁心凸极均匀布设在转子铁心的圆周内表面。
本发明采用上述结构后，由于位于相邻两个铁心凸极之间的两个永磁体的充磁方向相反，因而，转轴端部就不会产生单极性漏磁，转轴端部也就不会被磁化。更为重要的是，本发明反电势的谐波含量比传统的表贴式永磁电机和交替极永磁电机少，故转矩脉动较小。另外，本电机即可电动运行，也可发电运行。本发明既可以用于内转子电机，也可以用于外转子电机。
附图说明
图1显示了本发明实施例1中一种含非对称磁极的永磁电机转子的结构示意图。
图2显示了本发明实施例2中一种含非对称磁极的永磁电机转子的结构示意图。
图3显示了实施例1中转轴端部40mm处的磁密对比示意图。
图4显示了实施例1中反电势与转子位置的波形对比示意图。
图5显示了实施例1中反电势与谐波阶次关系的对比示意图。
图6显示了实施例1中电磁转矩对比示意图。
其中有：
1.转子铁心；11.永磁体槽；12.铁心凸极；13.周向隔磁槽；
2.永磁体；3.转轴。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1永磁电机转子为内转子
如图1所示，一种含非对称磁极的永磁电机转子，包括转子铁心1、永磁体2和转轴3。
转子铁心为导磁材料，且转子铁心同轴固定套装在转轴外周。
转子铁心的圆周外表面沿周向均匀布设有2i个铁心凸极12，其中，i＝p/3，p为电机极对数，且p为3的倍数。
相邻两个铁心凸极之间的转子铁心的圆周外表面均设置有两个永磁体槽，也即转子铁心的圆周外表面用布设有4i个永磁体槽11。
每个永磁体槽内各嵌套一个永磁体2。
本发明以6极内转子电机为例，如图1所示，此时，电机极对数p＝3，则i＝1，铁心凸极为两个，永磁体槽为四个。
位于相邻两个铁心凸极之间的两个永磁体的充磁方向相反，且位于同一个铁心凸极两侧的两个永磁体的充磁方向相同。
每个永磁体的圆心角均小于或等于对应永磁体槽的圆心角，本发明中每个永磁体的圆心角优选均小于对应永磁体槽的圆心角，每个永磁体与相邻铁心凸极之间均设置有周向隔磁槽13。
周向隔磁槽的系数其中θb为周向隔磁槽的圆心角，θm为永磁体的圆心角，kc取值范围在0-0.2之间。
永磁体的极弧系数αp＝θmp/π，其中θm为永磁体的圆心角；p为电机极对数，且p为3的倍数；αp取值范围在0.6-1.0之间。
永磁体的充磁方式优选为径向充磁或平行充磁，但可以为其他已知的方式。
由于位于相邻两个铁心凸极之间的两个永磁体的充磁方向相反，因而，转轴端部就不会产生单极性漏磁，转轴端部也就不会被磁化。更为重要的是，本发明反电势的谐波含量比传统的表贴式永磁电机和交替极永磁电机少，故转矩脉动较小。
从图3可以看出，在转轴端部40mm处，本发明的转轴端部磁密小于交替极永磁电机，这表明漏磁得到减少。而且，本发明的转轴端部的磁密有正有负，而交替极永磁电机的转轴端部磁密是单极性的。综合以上两点，本发明转轴端部漏磁减少，且漏磁不是单极性的，故转轴端部不会被磁化。
从图4和图5可以看出，交替极永磁电机的反电势含有大量的偶次谐波，本发明的反电势不含有偶次谐波。
反电势的总谐波畸变率是衡量谐波含量的一个重要指标，如式(1)所示。
式中：n为谐波阶次，H为谐波的最高阶次，其中，ETHD为反电势的总谐波畸变率，En为第n次(n>＝2)谐波反电势的幅值，E1为基波反电势的幅值。
按照式(1)所示计算公式，对传统永磁电机、交替极永磁电机以及本发明的含非对称磁极的永磁电机转子分别计算反电势的总谐波畸变率，计算结果如下：
传统永磁电机24.4％，交替极永磁电机34.0％，本发明12.4％。
因此，本发明的反电势正弦度优于传统永磁电机和交替极永磁电机，因而本发明有着较低的转矩脉动。
另外，转矩脉动是由反电势中的谐波(n>＝2)与电流相互作用产生的。所以，反电势谐波降低的话，转矩脉动就会降低。反电势的谐波从图5中可以直观看出，也可以通过反电势的总谐波畸变率来量化比较。
从图6可以看出，本发明的转矩脉动低于传统的表贴式永磁电机和交替极永磁电机。
实施例2永磁电机转子为外转子
如图2所示，一种含非对称磁极的永磁电机转子，也包括转子铁心1和永磁体2。
转子铁心1和永磁体2的结构与设计原理与实施例1基本相同，不同点如下：
当永磁电机转子为外转子时，转轴替换为固定轴。
定子同轴固定套装在固定轴的外周，两者形成为一体结构。固定轴两端分别从定子两端伸出，并且固定轴的两个伸出端各套装一个轴承。
转子铁心同轴套设在定子外周，并且转子铁心通过支撑体同轴安装在轴承上。
转子铁心的圆周内表面沿周向均匀布设有2i个铁心凸极12，其中，i＝p/3，p为电机极对数，且p为3的倍数。
相邻两个铁心凸极之间的转子铁心的圆周内表面均设置有两个永磁体槽，也即转子铁心的圆周内表面用布设有4i个永磁体槽11，每个永磁体槽内各嵌套一个永磁体2。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种含非对称磁极的永磁电机转子，其特征在于：包括转子铁心和永磁体；
转子铁心为导磁材料；
转子铁心的圆周外表面或内表面沿周向均匀布设有2i个铁心凸极，其中，i＝p/3，p为电机极对数，且p为3的倍数；
相邻两个铁心凸极之间的转子铁心的圆周外表面或内表面均设置有两个永磁体槽，每个永磁体槽内各嵌套一个永磁体；
每个永磁体的圆心角均小于或等于对应永磁体槽的圆心角；
位于相邻两个铁心凸极之间的两个永磁体的充磁方向相反，且位于同一个铁心凸极两侧的两个永磁体的充磁方向相同。
2.根据权利要求1所述的含非对称磁极的永磁电机转子，其特征在于：每个永磁体的圆心角均小于对应永磁体槽的圆心角，每个永磁体与相邻铁心凸极之间均设置有周向隔磁槽。
3.根据权利要求2所述的含非对称磁极的永磁电机转子，其特征在于：周向隔磁槽的系数其中θb为周向隔磁槽的圆心角，θm为永磁体的圆心角，kc取值范围在0-0.2之间。
4.根据权利要求1所述的含非对称磁极的永磁电机转子，其特征在于：永磁体的极弧系数αp＝θmp/π，其中θm为永磁体的圆心角；p为电机极对数，且p为3的倍数；αp取值范围在0.6-1.0之间。
5.根据权利要求1所述的含非对称磁极的永磁电机转子，其特征在于：永磁体的充磁方式为径向充磁或平行充磁。
6.根据权利要求1所述的含非对称磁极的永磁电机转子，其特征在于：还包括转轴，转子铁心同轴固定套装在转轴外周，2i个铁心凸极均匀布设在转子铁心的圆周外表面。
7.根据权利要求1所述的含非对称磁极的永磁电机转子，其特征在于：还包括固定轴，定子同轴固定套装在固定轴的外周，两者形成为一体结构；固定轴两端分别从定子两端伸出，并且固定轴的两个伸出端各套装一个轴承；转子铁心同轴套设在定子外周，并且转子铁心通过支撑体同轴安装在轴承上；2i个铁心凸极均匀布设在转子铁心的圆周内表面。
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