CN107196478A - 永磁电机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种永磁电机。该永磁电机包括转子组件(1)和定子组件(2)，转子组件(1)包括周向交替设置的交替极(4)和永磁极(3)，定子组件(2)包括位于内周侧并周向间隔设置的定子齿部(5)，定子齿部(5)的内周侧与永磁极(3)的外周侧之间形成第一气隙(6)，定子齿部(5)的内周与交替极(4)的外周形成第二气隙(7)，第一气隙(6)的平均厚度为δ1，第二气隙(7)的平均厚度为δ2，其中0.4≤δ2/δ1≤0.9。根据本发明的永磁电机，能够减小永磁极与交替极面向的气隙磁密幅值的不对称性，减小转矩波动。

Description

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，并且相邻的永磁体组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组磁化方向不同的永磁体，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组永磁极，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。
通常的交替极永磁电机，由于相邻的磁极构成材料不同，结构不同，如果按照常规永磁电机进行设计，相邻的磁极表面与对应的定子铁芯齿靴表面具有一致的空气隙厚度，就会存在反电势波形不对称的问题。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于提供一种永磁电机，能够减小永磁极与交替极面向的气隙磁密幅值的不对称性，减小转矩波动。
为了解决上述问题，本发明提供一种永磁电机，包括转子组件和定子组件，转子组件包括周向交替设置的交替极和永磁极，定子组件包括位于内周侧并周向间隔设置的定子齿部，定子齿部的内周侧与永磁极的外周侧之间形成第一气隙，定子齿部的内周与交替极的外周形成第二气隙，第一气隙的平均厚度为δ1，第二气隙的平均厚度为δ2，其中0.4≤δ2/δ1≤0.9。
优选地，永磁极的厚度为t，其中t/(δ2+δ1)≥1.5。
优选地，永磁极的外周具有第一圆弧，交替极的外周具有第二圆弧，第一圆弧和第二圆弧同心，第一圆弧的曲率半径为r1，第二圆弧的曲率半径为r2，r1<r2。
优选地，永磁极的外周具有第一圆弧，交替极的外周具有第二圆弧，第一圆弧和/或第二圆弧相对于转子组件的转轴中心偏心设置，第一圆弧和第二圆弧不同心，第一气隙和/或第二气隙的厚度不均。
优选地，永磁极和/或交替极的外周为台阶状，台阶从永磁极或交替极的外周中心向两侧高度递减。
优选地，台阶的顶端为圆弧。
优选地，交替极的侧面与定子齿部的朝向转子组件的内壁面之间形成夹角a，其中55°＜a＜90°。
优选地，各定子齿部靠近转子组件的内周面至少有一段是位于同一圆心的圆弧。
优选地，转子组件包括转子铁芯以及嵌设在转子铁芯内的永磁体，永磁体为一字型或V字型。
本发明提供的永磁电机，包括转子组件和定子组件，转子组件包括周向交替设置的交替极和永磁极，定子组件包括位于内周侧并周向间隔设置的定子齿部，定子齿部的内周侧与永磁极的外周侧之间形成第一气隙，定子齿部的内周与交替极的外周形成第二气隙，第一气隙的平均厚度为δ1，第二气隙的平均厚度为δ2，其中0.4≤δ2/δ1≤0.9。该永磁电机在交替极与定子齿部内表面之间形成了较薄的气隙，且永磁极表面与定子齿靴表面之间的气隙厚度始终保持δ1>δ2，永磁体产生的磁力线在整个磁回路中闭合，而且磁力线会选择磁阻更小的路径通过，而在整个磁回路中主要的磁阻就是来源于定、转子之间的气隙。当交替极与定子齿部之间具有更小的气隙时，整个磁回路的磁阻会变小，所以整个回路中的磁密会增强。特别对于交替极，由于磁阻更小，所以更多的磁力线会选择从磁极通过，减少了穿过交替极侧面气隙的磁通，在交替极中形成了更大的磁通量，能够有效减小永磁极与交替极面向的气隙磁密幅值的不对称性，减小转矩波动。
附图说明
图1是常规和本发明实施例的交替极电机一对磁极下的气隙磁密波形对比图；
图2是常规交替极电机交替极附近的漏磁分布；
图3是本发明第一实施例的永磁电机的结构示意图；
图4是本发明第二实施例的永磁电机的结构示意图；
图5是本发明第三实施例的永磁电机的结构示意图；
图6是本发明第一实施例的永磁电机的转子组件的另一种结构示意图；
图7是转矩波动随δ2/δ1的变化图。
附图标记表示为：
1、转子组件；2、定子组件；3、永磁极；4、交替极；5、定子齿部；6、第一气隙；7、第二气隙；8、永磁体。
具体实施方式
结合参见图1至图7所示，根据本发明的实施例，永磁电机包括转子组件1和定子组件2，转子组件1包括周向交替设置的交替极4和永磁极3，定子组件2包括位于内周侧并周向间隔设置的定子齿部5，定子齿部5的内周侧与永磁极3的外周侧之间形成第一气隙6，定子齿部5的内周与交替极4的外周形成第二气隙7，第一气隙6的平均厚度为δ1，第二气隙7的平均厚度为δ2，其中0.4≤δ2/δ1≤0.9。
转子组件1包括转子铁芯，转子铁芯由软磁材料薄片叠压而成。转子铁芯上开有永磁体安装槽，安装槽内安装有永磁体8，所有的永磁体8面向转子外周缘的极性为同一极性，在转子上形成数个永磁极。相邻的永磁极被软磁材料间隔开，并且其间的软磁材料由于相邻永磁极的磁化作用形成具有与永磁极相反极性的交替极。
定子组件2包括类似于环状的定子，定子由软磁材料薄片叠压而成，并且在环内有沿着旋转方向排列的定子齿部5，转子铁芯安装在各个定子齿部5围成的圆形空隙内，并可以和定子齿部5不接触地进行旋转，在定子齿部5的端部靠近转子表面的位置与转子表面之间形成一定厚度的气隙。
图1为一对极下的气隙磁密波形，图中的曲线左半部分为交替极下的气隙磁密波形，右半部分为永磁极下的气隙磁密波形，平顶部分是他们各自的幅值，实线是常规交替极电机的气隙磁密波形，虚线是本发明方案的一对极下的气隙磁密波形。从图中可以看出，在现有技术中，交替极下的气隙磁密明显小于永磁极下的气隙磁密，磁密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。
在采用本申请的技术方案后，该永磁电机在交替极与定子齿部内表面之间形成了较薄的气隙，且永磁极表面与定子齿靴表面之间的气隙厚度始终保持δ1>δ2，永磁体产生的磁力线在整个磁回路中闭合，而且磁力线会选择磁阻更小的路径通过，而在整个磁回路中主要的磁阻就是来源于定、转子之间的气隙。当交替极与定子齿部之间具有更小的气隙时，整个磁回路的磁阻会变小，所以整个回路中的磁密会增强。特别对于交替极，由于磁阻更小，所以更多的磁力线会选择从磁极通过，减少了穿过交替极侧面气隙的磁通，在交替极中形成了更大的磁通量，能够有效减小永磁极与交替极面向的气隙磁密幅值的不对称性，减小转矩波动。
优选地，永磁极3的厚度为t，其中t/(δ2+δ1)≥1.5。这种设置可以保证永磁体有一个合适的工作点，能够提供充足的磁通量，并具有一定的抗退磁能力。
优选地，交替极4的侧面与定子齿部5的朝向转子组件1的内壁面之间形成夹角a，其中55°＜a＜90°。
结合参见图2所示，交替极附近的漏磁可以大致分为两部分，如图中的三角形1、2所示。一部分磁力线从交替极一侧穿过气隙直接到达定子，属于交替极的漏磁，如三角形1所示，漏磁一般占到交替极总磁通量的5％-10％。另一部分是极间凹口的底部与永磁极端部之间的磁力线短路，是永磁极的漏磁，如三角形2所示。为了让交替极与永磁极的气隙磁密更加对称，这里只针对第一部分如三角形1的漏磁进行改善。这部分的漏磁的大小主要由l1/l2的值决定，l1是交替极与定子之间的气隙厚度，l2是交替极正面与侧面交点附近、交替极侧面与定子之间的气隙厚度，这个厚度主要由交替极侧面与定子齿部5围成的内圆表面之间的夹角a决定，a越大，那么这部分漏磁就会越小，但是当a>90°时，显然，交替极的宽度就被缩小了，这对于电机的出力是不利的，因此a的最佳范围在55°与90°之间。在确定a时，可以在交替极侧面的延长线与定子齿部5围成的内圆之间形成的交点处做内圆的切线，该切线与交替极侧面之间所形成的夹角即为a。
优选地，各定子齿部5靠近转子组件1的内周面至少有一段是位于同一圆心的圆弧，从而可以使磁密基波的幅值尽量大，保证电机的负载能力。
优选地，转子组件1包括转子铁芯以及嵌设在转子铁芯内的永磁体8，永磁体8为一字型或V字型。当永磁体8为V字型时，能够为磁钢安装提供更大的空间，并且提高永磁体8的抗退磁能力。
优选地，结合参见图3所示，为本发明第一实施例的永磁电机，在本实施例中，永磁极3的外周具有第一圆弧，交替极4的外周具有第二圆弧，第一圆弧和第二圆弧同心，第一圆弧的曲率半径为r1，第二圆弧的曲率半径为r2，r1<r2。结合参见图1所示，相对于现有技术而言，采用本实施例的方案之后，由于r1<r2，虽然交替极、永磁极平顶部分的幅值都会上升，但是明显交替极下的气隙磁密会增强更多，两者平顶部分的幅值达到了一致的水平，因此可以明显减轻由于交替极下的气隙磁密小于永磁极下的气隙磁密而带来的磁密幅值不对称的问题，减小电机运行过程中形成的转矩波动。
结合参见图7所示，为保持r1不变，仅改变r2时的转矩波动变化，横坐标表示气隙厚度δ2的变化，代表δ1不变时，δ2/δ1的比值，可以看出，随着δ2的变小，转矩波动会有较大程度地较低，研究发现，如果比值过小，转矩脉动反而会增加，这是由于交替极下的磁密幅值已经超过永磁极下磁密幅值，所以δ2/δ1的比值会根据电机的不同而有一个最佳值，在本实施例中，该比值需满足0.4≤δ2/δ1≤0.9。
结合参见图4所示，根据本发明的第二实施例，永磁电机的永磁极3的外周具有第一圆弧，交替极4的外周具有第二圆弧，第一圆弧和第二圆弧至少之一相对于转子组件1的转轴中心偏心设置，第一圆弧和第二圆弧不同心，第一气隙6的厚度和/或第二气隙7的厚度不均。由于第一圆弧和/或第二圆弧相对于转子组件1的转轴中心偏心设置，使得第一气隙6和/或第二气隙7的厚度不均，因此可以减少交替极与空气隙交界处的气隙磁场畸变。
在本实施例中，永磁电机转子每个磁极的中心线称为d轴，而与d轴夹角为90电角度的轴为q轴。转子外缘在交替极和永磁极交替处附近存在一个凹口，并且由于交替极电机的特殊性，这个凹口的深度一般较大。由于空气与软磁材料的磁导率有很大差异，所以在交替处的交替极位置，磁密会有很大的差异，产生畸变，增大齿槽转矩，而本实施例的结构可以改善这一状况。
由于永磁极、交替极的外周缘是具有一定偏心距的圆弧，所以形成的气隙厚度由磁极中心向磁极交界处慢慢增加，这样在磁极交界处q轴的气隙厚度就会较厚，尽管存在一个凹口导致q轴附近的气隙会突然变大，但是，这个增量会由于偏心的缘故而缓解，与此同时，通过各自的曲率半径来保证δ1>δ2，既保证了相邻磁极磁密幅值的一致性，又减缓了磁极两侧气隙磁密的突变，降低谐波含量，减小齿槽转矩。
结合参见图5所示，根据本发明的第三实施例，永磁电机的永磁极3和/或交替极4的外周为台阶状，台阶从永磁极3或交替极4的外周中心向两侧高度递减。通过采用本实施例的方案，可以通过调整转子表面台阶的长度与厚度更加灵活的改善磁极下气隙磁场的分布，让较厚的气隙更均匀地过渡到较薄的气隙，进一步降低了转矩波动。
优选地，台阶的顶端为圆弧。将台阶的朝向定子齿部5的顶端设置为圆弧，可以使台阶的顶端形状与定子齿部5的内周侧形状更加匹配，减小气隙厚度突变，降低转矩脉动。
上述几种转子组件1的外周缘结构可以组合使用，例如，可以在交替极外周面使用台阶结构，在永磁极外周面采用圆弧，或者在永磁极外周面使用台阶结构，在交替极外周面采用圆弧，或者在交替极外周面使用台阶结构，在永磁极外周面采用圆弧，永磁极的外周圆弧圆心相对转子铁芯的中心偏心设置等。
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 (9)

1.一种永磁电机，其特征在于，包括转子组件(1)和定子组件(2)，所述转子组件(1)包括周向交替设置的交替极(4)和永磁极(3)，所述定子组件(2)包括位于内周侧并周向间隔设置的定子齿部(5)，所述定子齿部(5)的内周侧与所述永磁极(3)的外周侧之间形成第一气隙(6)，所述定子齿部(5)的内周与所述交替极(4)的外周形成第二气隙(7)，所述第一气隙(6)的平均厚度为δ1，所述第二气隙(7)的平均厚度为δ2，其中0.4≤δ2/δ1≤0.9。
2.根据权利要求1所述的永磁电机，其特征在于，所述永磁极(3)的厚度为t，其中t/(δ2+δ1)≥1.5。
3.根据权利要求1所述的永磁电机，其特征在于，所述永磁极(3)的外周具有第一圆弧，所述交替极(4)的外周具有第二圆弧，所述第一圆弧和所述第二圆弧同心，所述第一圆弧的曲率半径为r1，所述第二圆弧的曲率半径为r2，r1<r2。
4.根据权利要求1所述的永磁电机，其特征在于，所述永磁极(3)的外周具有第一圆弧，所述交替极(4)的外周具有第二圆弧，所述第一圆弧和/或所述第二圆弧相对于所述转子组件(1)的转轴中心偏心设置，所述第一圆弧和所述第二圆弧不同心，所述第一气隙(6)和/或所述第二气隙(7)的厚度不均。
5.根据权利要求1所述的永磁电机，其特征在于，所述永磁极(3)和/或所述交替极(4)的外周为台阶状，所述台阶从所述永磁极(3)或所述交替极(4)的外周中心向两侧高度递减。
6.根据权利要求5所述的永磁电机，其特征在于，所述台阶的顶端为圆弧。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的永磁电机，其特征在于，所述交替极(4)的侧面与所述定子齿部(5)的朝向所述转子组件(2)的内壁面之间形成夹角a，其中55°＜a＜90°。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的永磁电机，其特征在于，各所述定子齿部(5)靠近所述转子组件(1)的内周面至少有一段是位于同一圆心的圆弧。
9.根据权利要求1至6中任一项所述的永磁电机，其特征在于，所述转子组件(1)包括转子铁芯以及嵌设在所述转子铁芯内的永磁体(8)，所述永磁体(8)为一字型或V字型。
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