CN107196434A - 转子组件和永磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种转子组件和永磁电机。该转子组件包括转子铁芯(1)，转子铁芯(1)上沿周向间隔设置有多个安装槽(2)，安装槽(2)内设置有永磁体(3)，各永磁体(3)面向转子外周缘的极性为同一极性，相邻的安装槽(2)被软磁材料间隔开，安装槽(2)的两端与其周向方向上相邻的软磁材料之间均具有第一空气槽(4)，安装槽(2)靠近转子铁芯(1)外周缘的一侧设置有两个第二空气槽(5)，一个第二空气槽(5)设置在安装槽(2)的第一端，另一个第二空气槽(5)设置在安装槽(2)的第二端，且两个空气槽相向延伸。根据本发明的转子组件，能够在气隙中形成较大的磁通密度，提高电机出力，提升电机效率，并能降低电机运行过程中的转矩波动。

Description

转子组件和永磁电机

技术领域

本发明属于电机设备技术领域，具体涉及一种转子组件和永磁电机。

背景技术

传统永磁电机，例如8极永磁电机，其具有8组永磁体，围绕转子中心沿旋转方向布置，并且相邻的永磁体具有不同的磁化方向。从一块永磁体N极出发的磁力线经过定子铁芯到达相邻永磁体的S极。一条磁力线在回路中至少穿过两个永磁体，因此，永磁体利用不充分，并且因此导致电机成本较高。

现有技术中提出了一种交替极永磁电机，仍以8极电机为例，其上仅有4个永磁极，并且相邻的永磁体具有相同的磁化方向长度。有永磁体安装槽的称为永磁极，两个永磁体安装槽之间的软磁材料被永磁极磁化成与具有与永磁极相反的极性，因此称为交替极永磁电机。

尽管这种电机可以显著降低永磁体使用量，从而大幅降低电机成本，但是由于相邻磁极材料的差异，如果按照常规电机进行设计，那么在交替极上无法形成较大的气隙磁密，导致电机出力不足，并且由于相邻磁极下的气隙磁密的不对称在电机运行过程中产生了很大的转矩脉动。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于提供一种转子组件和永磁电机，能够形成较大的气隙磁密，增加电机出力，并且显著降低电机运行过程中的转矩波动。

为了解决上述问题，本发明提供一种转子组件，包括转子铁芯，转子铁芯上沿周向间隔设置有多个安装槽，安装槽内设置有永磁体，各永磁体面向转子外周缘的极性为同一极性，相邻的安装槽被软磁材料间隔开，安装槽的两端与其周向方向上相邻的软磁材料之间均具有第一空气槽，安装槽靠近转子铁芯外周缘的一侧设置有两个第二空气槽，一个第二空气槽设置在安装槽的第一端，另一个第二空气槽设置在安装槽的第二端，且两个空气槽相向延伸。

优选地，第一空气槽从转子铁芯的外缘向内侧延伸；或，第一空气槽位于转子铁芯的外周缘内侧。

优选地，第二空气槽从转子铁芯的外缘向内侧延伸，第二空气槽与第一空气槽连通且与安装槽相隔开；或，第二空气槽位于转子铁芯外周缘内侧，且与安装槽在端部连通；或，第二空气槽位于转子铁芯外周缘内侧，且与安装槽在隔开。

优选地，安装槽为一字型或V字形。

优选地，位于相邻的两个安装槽之间的软磁材料形成交替极，同一交替极的周向两端的两个第一空气槽与转子铁芯的中心连线形成的最小夹角为b，同一安装槽对应的两个第二空气槽与转子铁芯的中心连线所形成的最小夹角为a，0.8≤b/a≤1.1。

优选地，永磁体的磁化方向的厚度为t，第一空气槽的深度为d，深度为从第一空气槽的最靠近转子转轴中心的位置到转子铁芯外周缘的径向距离，其中，0.5t≤d≤2t。

优选地，第二空气槽具有沿径向方向上的宽度w1，第二空气槽靠近安装槽一侧的边缘与转子铁芯的外周缘之间的距离为w2，其中0.9≤w1/w2≤1.1。

优选地，同一安装槽内的永磁体靠近第二空气槽一侧的两个最外端与转子中心连线形成夹角c，其中0.7≤a/c≤1。

优选地，第二空气槽内填充有非导磁材料。

优选地，各安装槽内的永磁体数量大于或等于1。

优选地，永磁体内含有稀土元素。

根据本发明的另一方面，提供了一种永磁电机，包括转子组件，该转子组件为上述的转子组件。

优选地，永磁电机还包括定子，定子套设在转子组件外，定子的内周侧具有沿着定子的周向排布的齿，转子组件设置在齿围成的圆形空隙内，并可以相对齿不接触地旋转。

本发明提供的转子组件，包括转子铁芯，转子铁芯上沿周向间隔设置有多个安装槽，安装槽内设置有永磁体，各永磁体面向转子外周缘的极性为同一极性，相邻的安装槽被软磁材料间隔开，安装槽的两端与其周向方向上相邻的软磁材料之间均具有第一空气槽，安装槽靠近转子铁芯外周缘的一侧设置有两个第二空气槽，一个第二空气槽设置在安装槽的第一端，另一个第二空气槽设置在安装槽的第二端，且两个空气槽相向延伸。由于永磁体安装槽靠近转子铁芯外周缘的一侧两端开有第二空气槽，此第二空气槽一方面改变了永磁极面向气隙时的磁通面宽度，另一方面在永磁极的两端形成了空气槽，通过调整交替极面向气隙的磁通面宽度与永磁极面向气隙的磁通面宽度使二者达到最佳配合，不仅可以提升电机的输出转矩，提升性能，而且可以改善相邻磁极磁密波形的不对称，降低转矩波动，增加电机出力，提高电机工作性能。

附图说明

图1是本发明第一实施例的转子组件的结构示意图；

图2是本发明第二实施例的转子组件的结构示意图；

图3是本发明第三实施例的转子组件的结构示意图；

图4是本发明第四实施例的转子组件的结构示意图；

图5是本发明实施例的永磁电机的结构示意图；

图6是现有技术中的一对磁极下的气隙磁密波形与本实施例中的一对磁极下的气隙磁密波形比较图；

图7是电磁转矩与转矩脉动随a/b变化的曲线图；

图8和图9是不同d值对应的交替极磁力线分布图；

图10和图11是不同d值对应的磁密分布图。

附图标记表示为：

1、转子铁芯；2、安装槽；3、永磁体；4、第一空气槽；5、第二空气槽；6、交替极；7、定子；8、齿；9、开口。

具体实施方式

结合参见图1至图11所示，根据本发明的实施例，转子组件包括转子铁芯1，转子铁芯1上沿周向间隔设置有多个安装槽2，安装槽2内设置有永磁体3，各永磁体3面向转子外周缘的极性为同一极性，相邻的安装槽2被软磁材料间隔开，安装槽2的两端与其周向方向上相邻的软磁材料之间均具有第一空气槽4，安装槽2靠近转子铁芯1外周缘的一侧设置有两个第二空气槽5，一个第二空气槽5设置在安装槽2的第一端，另一个第二空气槽5设置在安装槽2的第二端，且两个空气槽相向延伸。

由于永磁体的安装槽2靠近转子铁芯1外周缘的一侧两端开有两个第二空气槽5，此第二空气槽5一方面改变了安装槽2内的永磁体3所形成的永磁极面向气隙时的磁通面宽度，另一方面在永磁极的两端形成了空气槽，通过调整交替极面向气隙的磁通面宽度与永磁极面向气隙的磁通面宽度使二者达到最佳配合，不仅可以提升电机的输出转矩，提升性能，而且可以改善相邻磁极磁密波形的不对称，降低转矩波动，增加电机出力，提高电机工作性能。

在本实施例中，位于相邻的两个安装槽2之间的软磁材料形成交替极6，同一交替极6的周向两端的两个第一空气槽4与转子铁芯1的中心连线形成的最小夹角为b，同一安装槽2对应的两个第二空气槽5与转子铁芯1的中心连线所形成的最小夹角为a，0.8≤b/a≤1.1。当b/a的范围满足上述要求时，可以保证转子铁芯1的转矩保持在一个较高的数值上，同时永磁电机的电磁转矩波动非常小，能够降低电机运行过程中产生的噪音，同时提高电机的输出功率。

由于相邻的磁极材料不同，结构不同，如果按照常规永磁电机进行设计，即交替极与永磁极面向气隙的长度一样，那么存在反电势波形不对称的问题。图6中的实线为现有技术中的一对磁极下的气隙磁密波形，该实线幅值存在严重的不对称，电机运行过程中形成较大的转矩波动。而在本实施例中增加了凹槽与缺口，可有效地调整相邻极下的气隙磁密对称性，降低转矩脉动，并可提高电机的电磁转矩，如图中虚线所示。图7为a/b变化时电磁转矩与转矩脉动的变化曲线，其中s2为电磁转矩的变化曲线，s1为转矩脉动的变化曲线，从图中可以看出，在0.91处达到最小的转矩脉动，并在0.96处达到最大的电磁转矩。

永磁体3的磁化方向的厚度为t，第一空气槽4的深度为d，深度为从第一空气槽4的最靠近转子转轴中心的位置到转子铁芯1外周缘的径向距离，由于第一空气槽4存在的位置会较大程度地影响交轴电感，当d的值较大的时候，交轴电感会急剧减小，较小的交轴电感会引起较大的转矩脉动，因此需要合理的设置d值。优选地，在本实施例中，0.5t≤d≤2t。

第一空气槽4具有合适的深度d有利于交替极6整理磁束，在气隙中形成较大的磁力线密度，提高电机出力。图8为d＝1.8t时的交替极磁力线分布，交替极可以把磁力线较好地收集在磁极中，仅有少量的磁力线通过气隙到达定子。图9为d＝0.45t时交替极附近的磁力线分布，可以看到不经过磁极表面而经过气隙到达定子表面的磁力线明显增大，在交替极下很难形成较高的磁密，导致电机出力不足。

另一方面永磁存在端部漏磁，而这一现象可以通过调整d的值来很好的减弱。图10为d＝0.45t时永磁体端部的磁力线分布，可以看到较多的磁力线在永磁体端部闭合而未穿过定子铁芯，这部分称为端部漏磁，不能产生有效的电磁转矩。图11中d＝1.8t时，靠近永磁体表面的空气槽向转子中心扩展时形成了一个由软磁材料构成了并且具有较小宽度的磁桥结构，磁密易饱和，因此可有效限制永磁体端部磁力线闭合。

优选地，第二空气槽5具有沿径向方向上的宽度w1，第二空气槽5靠近安装槽2一侧的边缘与转子铁芯1的外周缘之间的距离为w2，其中0.9≤w1/w2≤1.1。如果w1值过小，那么泄露磁通会增加，如果w1值过大，那么永磁体面向气隙时的磁阻会增加，影响电机出力。将w1与w2进行关联，并限定两者之间的比例关系，就能够有效减少泄漏磁通，同时可以保证电机出力。

优选地，同一安装槽2内的永磁体3靠近第二空气槽5一侧的两个最外端与转子中心连线形成夹角c，其中0.7≤a/c≤1。研究发现，尽管a与b之间存在一个最佳比例，但是假如a的角度过小，在永磁极面向气隙的部分会发生严重的磁饱和，减小电机出力。因此，需要将a的角度通过夹角c进行限定，从而使得a能够更好地满足要求。

优选地，第二空气槽5内填充有例如树脂等非导磁材料，可以增加冲片强度，限制永磁体移动。

优选地，各安装槽2内的永磁体3数量大于或等于1，安装槽2内的永磁体3的数量可以为1、2或者3等。

优选地，永磁体3内含有稀土元素。研究发现，由于含有稀土元素的磁石具有较高的剩磁与矫顽力，因此在交替极电机结构里相比于常规电机一般存在出力不足以及抗退磁能力不足的问题，因此交替极电机更适用于含有稀土元素的磁石。

结合参见图1所示，根据本发明的第一实施例，第一空气槽4从转子铁芯1的外缘向内侧延伸，第二空气槽5位于转子铁芯1外周缘内侧，且与安装槽2在端部连通，第一空气槽4和第二空气槽5之间形成间隔。在本实施例中，安装槽2为一字型，相应的，永磁体3也为整体的一字型。此种结构能够显著降低永磁体使用量，降低电机成本，并且具有较大的出力与较小的转矩脉动。

结合参见图2所示，根据本发明的第二实施例，第一空气槽4从转子铁芯1的外缘向内侧延伸，第二空气槽5从转子铁芯1的外缘向内侧延伸，第二空气槽5与第一空气槽4连通且与安装槽2相隔开。在本实施例中，永磁体两端的第二空气槽5与第一空气槽4连通成为一体，在永磁体3的两端分别与第二空气槽5之间形成一段隔磁桥，并且可以调整永磁极面向气隙的长度。该转子组件的结构更加简单，有利于简化转子组件的加工工艺。

结合参见图3所示，根据本发明的第三实施例，第一空气槽4位于转子铁芯1的外周缘内侧，第二空气槽5位于转子铁芯1外周缘内侧，且与安装槽2隔开。在本实施例中，永磁体3两端的第二空气槽5与永磁体3的安装槽2的连通状态改为不连通，中间由加强筋连接。而在永磁极与交替极之间的第一空气槽4也位于转子外周缘内侧，并未延伸至转子外周缘。根据本实施例的转子组件，能够有效增强转子机械强度，减少转子外周缘气隙磁密的突变。

结合参见图4所示，根据本发明的第四实施例，其与第一实施例基本相同，不同之处在于，在本实施例中，安装槽2为V字形，相应的，永磁体3的安装形式也是V字形。采用V字形的永磁体3安装方式，能够提供更大的永磁体安放空间，以及提高抗退磁能力。

上述的永磁体安装方式、第一空气槽4和第二空气槽5的结构形式可以根据需要进行组合。

结合参见图5所示，根据本发明的实施例，永磁电机包括转子组件，该转子组件为上述的转子组件。

优选地，永磁电机还包括定子7，定子7套设在转子组件外，定子7的内周侧具有沿着定子7的周向排布的齿8，转子组件设置在齿8围成的圆形空隙内，并可以相对齿8不接触地旋转。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种转子组件，其特征在于，包括转子铁芯(1)，所述转子铁芯(1)上沿周向间隔设置有多个安装槽(2)，所述安装槽(2)内设置有永磁体(3)，各所述永磁体(3)面向转子外周缘的极性为同一极性，相邻的所述安装槽(2)被软磁材料间隔开，所述安装槽(2)的两端与其周向方向上相邻的所述软磁材料之间均具有第一空气槽(4)，所述安装槽(2)靠近所述转子铁芯(1)外周缘的一侧设置有两个第二空气槽(5)，一个所述第二空气槽(5)设置在所述安装槽(2)的第一端，另一个所述第二空气槽(5)设置在所述安装槽(2)的第二端，且两个所述空气槽相向延伸。

2.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，所述第一空气槽(4)从所述转子铁芯(1)的外缘向内侧延伸；或，所述第一空气槽(4)位于所述转子铁芯(1)的外周缘内侧。

3.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，所述第二空气槽(5)从所述转子铁芯(1)的外缘向内侧延伸，所述第二空气槽(5)与所述第一空气槽(4)连通且与所述安装槽(2)相隔开；或，所述第二空气槽(5)位于所述转子铁芯(1)外周缘内侧，且与所述安装槽(2)在端部连通；或，所述第二空气槽(5)位于所述转子铁芯(1)外周缘内侧，且与所述安装槽(2)在隔开。

4.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，所述安装槽(2)为一字型或V字形。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的转子组件，其特征在于，位于相邻的两个所述安装槽(2)之间的软磁材料形成交替极(6)，同一交替极(6)的周向两端的两个所述第一空气槽(4)与所述转子铁芯(1)的中心连线形成的最小夹角为b，同一安装槽(2)对应的两个所述第二空气槽(5)与所述转子铁芯(1)的中心连线所形成的最小夹角为a，0.8≤b/a≤1.1。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的转子组件，其特征在于，所述永磁体(3)的磁化方向的厚度为t，所述第一空气槽(4)的深度为d，所述深度为从所述第一空气槽(4)的最靠近转子转轴中心的位置到所述转子铁芯(1)外周缘的径向距离，其中，0.5t≤d≤2t。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的转子组件，其特征在于，所述第二空气槽(5)具有沿径向方向上的宽度w1，所述第二空气槽(5)靠近所述安装槽(2)一侧的边缘与所述转子铁芯(1)的外周缘之间的距离为w2，其中0.9≤w1/w2≤1.1。

8.根据权利要求5所述的转子组件，其特征在于，同一安装槽(2)内的所述永磁体(3)靠近所述第二空气槽(5)一侧的两个最外端与转子中心连线形成夹角c，其中0.7≤a/c≤1。

9.根据权利要求1至4中任一项所述的转子组件，其特征在于，所述第二空气槽(5)内填充有非导磁材料。

10.根据权利要求1至4中任一项所述的转子组件，其特征在于，各所述安装槽(2)内的永磁体(3)数量大于1。

11.根据权利要求1至4中任一项所述的转子组件，其特征在于，所述永磁体(3)内含有稀土元素。

12.一种永磁电机，包括转子组件，其特征在于，所述转子组件为权利要求1至11中任一项所述的转子组件。

13.根据权利要求12所述的永磁电机，其特征在于，所述永磁电机还包括定子(7)，所述定子(7)套设在所述转子组件外，所述定子(7)的内周侧具有沿着所述定子(7)的周向排布的齿(8)，所述转子组件设置在所述齿(8)围成的圆形空隙内，并可以相对齿(8)不接触地旋转。