CN107394929A - 转子总成及电机 - Google Patents

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吴曼
周成海
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Abstract

本发明公开了一种转子总成，包括转子铁芯，转子铁芯的外部套装有定子，转子铁芯的外周面与定子的内壁间沿转子铁芯的周向排布有若干磁体，磁体的外表面与定子的内壁间形成气隙；磁体的外表面与转子铁芯的圆心的间距沿转子铁芯的周向自磁体的中部至其两侧边逐渐减小，磁体的内表面与转子铁芯的圆心的间距沿转子铁芯的周向自磁体的中部至其两侧边逐渐增大。该转子总成的气隙磁场正弦分布效果较好，且其设计难度较低，生产成本较低。本发明还公开了一种应用上述转子总成的电机。

Description

转子总成及电机
技术领域
本发明涉及电机配套组件技术领域，特别涉及一种转子总成。本发明还涉及一种应用该转子总成的电机。
背景技术
请参考图1，图1为现有技术中一种典型的表贴式永磁同步电机的转子结构示意图。
现有的电机为形成正弦度较高的气隙磁场，一般通过调整不同位置处的磁体厚度，将气隙设计为不等宽结构实现。
为了保证电机具备工艺性并降低电机杂散损耗，需保证电机气隙大于最小气隙长度(如图1中“气隙长度1”)。如按传统的结构设计方式，为保证气隙磁密的正弦度，在气隙磁场波形过零点附近(对应空间上两磁体之间)的气隙需设计较宽(如图1中“气隙长度2”)。气隙长度一般由最小气隙到最大气隙沿着空间渐变，而电机平均气隙长度与最小气隙长度间的差值较大。
依据磁路基本方程：
φ＝F/R
当气隙平均长度增加时，磁阻R增加，为保证气隙磁通φ满足电机性能要求，需较高的磁势F。根据磁势
F＝Hc*hm
当磁体材料确定时，矫顽力Hc即是确定值，如需增加磁势F需对应增加磁体厚度hm。即增加了永磁体材料的用量。
结合上述理论推导以及图1中结构所示而言，现有的电机转子总成结构中，由于其永磁体采用了切边设计的结构，形成了不等距的气隙结构，造成了平均气隙的增大，为了保证永磁体组装后的电机性能，需要将永磁体的用量相应增加，从而导致设备整体成本上升；同时，采用该种切边结构导致永磁体的极化方向长度和气隙长度均呈现不规律分布，导致气隙磁场正弦设计等电机结构参数设计过程难度高、工作量大，严重影响了产品的整体设计进度和产品质量。
因此，如何提高电机的转子总成的气隙磁场正弦分布效果，降低其设计难度和生产成本是本领域技术人员目前需要解决的重要技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种转子总成，该转子总成的气隙磁场正弦分布效果较好，且其设计难度较低，生产成本较低。本发明的另一目的是提供一种应用上述转子总成的电机。
为解决上述技术问题，本发明提供一种转子总成，包括转子铁芯，所述转子铁芯的外周面上沿所述转子铁芯的周向排布有若干磁体，所述磁体的外表面的外部形成与定子的内壁配合的气隙；
所述磁体的外表面与所述转子铁芯的圆心的间距沿所述转子铁芯的周向自所述磁体的中部至其两侧边逐渐减小，所述磁体的内表面与所述转子铁芯的圆心的间距沿所述转子铁芯的周向自所述磁体的中部至其两侧边逐渐增大。
优选地，所述气隙的长度最大值为d1，所述气隙的长度最小值为d2，所述气隙的长度平均值为d3，则(d1-d3)/d3＜0.1，且(d2-d3)/d3＜0.1。
优选地，所述气隙的长度平均值d3，0.3mm≤d3≤0.5mm。
优选地，各所述磁体沿所述转子铁芯的周向均布。
优选地，所述磁体的两侧边沿处具有过渡结构。
优选地，所述磁体的外表面为由多个平面或曲面组成的多棱面。
优选地，所述磁体的内表面为由多个平面或曲面组成的多棱面。
优选地，所述磁体的外表面为弧面。
优选地，所述磁体的内表面为弧面。
本发明还提供一种电机，包括机体，所述机体内设置有转子总成，所述转子总成具体为如上述任一项所述的转子总成。
相对上述背景技术，本发明所提供的转子总成，由于其磁体采用了外表面与转子铁芯的圆心间距由中部至两端递减且内表面与转子铁芯的圆心间距由中部至两端递增的结构，使得单个磁体的气隙均匀度较高，气隙磁场分布较好，并使相邻两磁体间的气隙磁场曲线平滑过渡，气隙磁场分布效果平滑连贯，大大优化了所述转子总成的整体气隙磁场正弦分布效果，并使其设计难度显著降低，同时使转子总成生产加工时无需增加磁体的原料用量，从而使其整体制造成本得以相应降低。
在本发明的另一优选方案中，所述气隙的长度最大值为d1，所述气隙的长度最小值为d2，所述气隙的长度平均值为d3，则(d1-d3)/d3＜0.1，且(d3-d2)/d3＜0.1。具体到实际设计加工时，上述气隙尺寸参数能够将磁体覆盖范围内的气隙长度波动降低至10％以下，从而显著提高所述转子总成的气隙均匀度，保证其气隙磁场强度，进一步优化其气隙磁场正弦分布效果，使其气隙磁场正弦分布曲线更加平滑，设计难度及相应的生产成本更低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中一种典型的表贴式永磁同步电机的转子结构示意图；
图2为本发明一种具体实施方式所提供的转子总成结构剖视图；
图3为图2中磁体部分的结构示意图；
图4为图2中A部分的结构放大图；
图5为内表面为多棱面且外表面为弧面的磁体结构示意图；
图6为内表面和外表面均为弧面的磁体结构示意图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种转子总成，该转子总成的气隙磁场正弦分布效果较好，且其设计难度较低，生产成本较低；同时，提供一种应用上述转子总成的电机。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
请参考图2至图6，图2为本发明一种具体实施方式所提供的转子总成结构剖视图；图3为图2中磁体部分的结构示意图；图4为图2中A部分的结构放大图；图5为内表面为多棱面且外表面为弧面的磁体结构示意图；图6为内表面和外表面均为弧面的磁体结构示意图。
在具体实施方式中，本发明所提供的转子总成，包括转子铁芯21，转子铁芯21的外周面上沿转子铁芯21的周向排布有若干磁体11，磁体11的外表面的外部形成与定子22的内壁配合的气隙12；磁体11的外表面111与转子铁芯21的圆心的间距沿转子铁芯21的周向自磁体11的中部至其两侧边逐渐减小，磁体11的内表面与转子铁芯21的圆心的间距沿转子铁芯21的周向自磁体11的中部至其两侧边逐渐增大。
由于磁体11采用了外表面111与转子铁芯21的圆心间距由中部至两端递减且内表面112与转子铁芯21的圆心间距由中部至两端递增的结构，使得单个磁体11的气隙均匀度较高，气隙磁场分布较好，并使相邻两磁体11间的气隙磁场曲线平滑过渡，气隙磁场分布效果平滑连贯，大大优化了所述转子总成的整体气隙磁场正弦分布效果，并使其设计难度显著降低，同时使转子总成生产加工时无需增加磁体的原料用量，从而使其整体制造成本得以相应降低。
应当指出，具体到实际应用中，上述设定值优选为0，以使磁体11的气隙磁场分布效果达到最优，当然，考虑到实际生产工艺可能无法保证该设定值为0，则该设定值应在生产工艺能够达到的前提下趋近于0。
进一步地，气隙12的长度最大值为d1，气隙12的长度最小值为d2，气隙12的长度平均值为d3，则(d1-d3)/d3＜0.1，且(d2-d3)/d3＜0.1。具体到实际设计加工时，上述气隙12的尺寸参数能够将磁体11覆盖范围(此处所指的磁体11覆盖范围请参考图3中的标注所示)内的气隙长度波动降低至10％以下，从而显著提高所述转子总成的气隙均匀度，保证其气隙磁场强度，进一步优化其气隙磁场正弦分布效果，使其气隙磁场正弦分布曲线更加平滑，设计难度及相应的生产成本更低。
更具体地，上述气隙12的长度平均值d3可以优选为0.3mm≤d3≤0.5mm，以便与一般的永磁同步电机等常见电机性能相匹配。当然，实际应用中该气隙12的长度平均值并不局限于此，原则上，只要是能够满足所述转子总成的实际使用需要均可。
此外，对于上述与转子铁芯21同心配合的磁体11的外表面111，设其直径为D1，则有
D1＝D2-2d3
其中D2为定子内径，或定子内弧的包络圆直径。
另一方面，各磁体11沿转子铁芯21的周向均布。该周向均布结构有助于进一步优化各磁体11形成的气隙磁场正弦分布参数，提高其气隙磁场正弦曲线平滑度，并使所述转子总成的整体气隙磁场正弦分布效果得以进一步提高。
另外，磁体11的两侧边沿处具有过渡结构113。该过渡结构113能够进一步使相邻磁体11间的气隙磁场正弦曲线能够更加平滑连贯地过渡，以使所述转子总成的整体气隙磁场正弦曲线分布效果相应提高，相关设计难度相应降低。
需要说明的是，具体到实际应用中，上述过渡结构113可以为倒角或圆角，也可以根据实际工况需要灵活选取其他能够实现结构过渡效果并优化气隙磁场正弦曲线分布效果的组件结构，原则上，只要是能够满足所述转子总成的设计和生产需要均可。
进一步地，磁体11的外表面111为由多个平面或曲面组成的多棱面，相应地，磁体11的内表面112也可以为由多个平面或曲面组成的多棱面。该种多棱面结构能够在保证上文磁体11的气隙磁场正弦曲线分布效果的同时，有效降低磁体11的设计难度和加工难度，从而进一步提高所述转子总成的生产效率，降低其生产成本。应当指出的是，本段内容所述的磁体11的结构可以结合图5和图6进行参考，虽然图5和图6中仅提供了两种具体的磁体11结构形式，但其中的多棱面结构和弧面结构可以互相参考，因此，除下文特别指出的内外面均为弧面结构的磁体结构外，其余具体结构的磁体11在本文中不再赘述。
需要进一步说明的是，具体到实际应用中，若采用多棱面结构作为外表面111和内表面112的结构形式，则综合其加工难度和最终的气隙磁场正弦分布效果来看，最优的方案是采用由4个单一面构成的多棱面结构，较多的单一面会增大多棱面的加工难度，而较少的单一面会降低转子总成的气隙磁场正弦分布效果。当然，设计人员也可以根据不同工况需要灵活选择外表面111和内表面112采用的多棱面的结构形式，原则上，只要是能够满足所述转子总成的实际设计和生产需要均可。
此外，磁体11的外表面111为弧面，相应地，磁体11的内表面112也可以为弧面。该磁体结构可以直接参考图6所示。具备该种内、外表面均为弧面的磁体11能够使所述转子总成的气隙磁场正弦分布曲线平滑度和连贯性达到最优，并使所述转子总成的气隙磁场正弦分布达到最佳效果，但相应地，由于弧面结构加工比多棱面结构加工难度大，因此具体设计应用时，工作人员可以根据工况需要灵活选择磁体11的内表面112及其外表面111的结构形式，以在设备性能与制造成本间得到最优的折中方案。
为便于理解说明本申请技术方案，下面结合一套具体的设备设计参数对本文中相关技术内容作进一步说明。其中，磁体极化方向为转子总成设计过程中的一项重要性能参数，是优化本文中所提及的气隙磁场正弦分布效果的重要技术参数之一。相关方案具体内容如下：
磁体极化方向长度根据充磁方向的不同而不同，以平行充磁和径向充磁的磁体为例，其极化方向长度可具体参考图3所示。
请着重参考图2和图3，假设电机具有p对极(即2p个极，此处的p即为单个转子总成内所装配的磁体11的数量的一半，如图2中所示的情况，磁体11的数量为8，则2p＝8)。对于单个磁体11，以磁体11中心为柱坐标θ＝0处，θ为机械角度，θ分布如图2所示。
如下为一组气隙正限度较高的极化方向长度方案。设磁体极化方向长度最长处为Hmmax(对应θ＝0)。
Hmmax一般取值在10d3～18d3。
则由上述基础参数设计得到的气隙磁场正弦度较高的极化长度方案如下表所示：
p*θ 极化方向长度
0 Hmmax
±π/6 (0.83～0.91)Hmmax
±π/3 (0.45～0.52)Hmmax
其中，π对应180°，±π/6即为±30°，±π/3即为±60°。
此外，具体设计时可以对上述磁体极化长度方向进行适当调整，以得到马鞍波或平顶波等不同形状的气隙磁场波形曲线，从而满足不同工况需求下的产品设计和生产需要。
需要说明的是，上述各参数间的尺寸关系仅为优选方案，其目的仅为举例说明本方案中相关的技术内容以便于理解。具体到实际应用中其尺寸关系并不局限于此，工作人员可以根据实际工况需要适当调整各参数间的尺寸关系，原则上，只要是能够满足所述转子总成的实际使用需要均可。
在具体实施方式中，本发明所提供的电机，包括机体，所述机体内设置有转子总成，该转子总成具体为如上文所述的转子总成。该电机的转子总成的气隙磁场正弦分布效果较好，且其设计难度较低，生产成本较低。
综上可知，本发明中提供的转子总成，由于其磁体采用了外表面与转子铁芯的圆心间距由中部至两端递减且内表面与转子铁芯的圆心间距由中部至两端递增的结构，使得单个磁体的气隙均匀度较高，气隙磁场分布较好，并使相邻两磁体间的气隙磁场曲线平滑过渡，气隙磁场分布效果平滑连贯，大大优化了所述转子总成的整体气隙磁场正弦分布效果，并使其设计难度显著降低，同时使转子总成生产加工时无需增加磁体的原料用量，从而使其整体制造成本得以相应降低。
此外，本发明所提供的应用上述转子总成的电机，其转子总成的气隙磁场正弦分布效果较好，且其设计难度较低，生产成本较低。
以上对本发明所提供的转子总成以及应用该转子总成的电机进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种转子总成，其特征在于：包括转子铁芯(21)，所述转子铁芯(21)的外周面上沿所述转子铁芯(21)的周向排布有若干磁体(11)，所述磁体(11)的外表面的外部形成与定子(22)的内壁配合的气隙(12)；
所述磁体(11)的外表面(111)与所述转子铁芯(21)的圆心的间距沿所述转子铁芯(21)的周向自所述磁体(11)的中部至其两侧边逐渐减小，所述磁体(11)的内表面与所述转子铁芯(21)的圆心的间距沿所述转子铁芯(21)的周向自所述磁体(11)的中部至其两侧边逐渐增大。
2.如权利要求1所述的转子总成，其特征在于：所述气隙(12)的长度最大值为d1，所述气隙(12)的长度最小值为d2，所述气隙(12)的长度平均值为d3，则(d1-d3)/d3＜0.1，且(d3-d2)/d3＜0.1。
3.如权利要求2所述的转子总成，其特征在于：所述气隙(12)的长度平均值d3，0.3mm≤d3≤0.5mm。
4.如权利要求1所述的转子总成，其特征在于：各所述磁体(11)沿所述转子铁芯(21)的周向均布。
5.如权利要求1所述的转子总成，其特征在于：所述磁体(11)的两侧边沿处具有过渡结构(113)。
6.如权利要求1所述的转子总成，其特征在于：所述磁体(11)的外表面(111)为由多个平面或曲面组成的多棱面。
7.如权利要求1所述的转子总成，其特征在于：所述磁体(11)的内表面(112)为由多个平面或曲面组成的多棱面。
8.如权利要求1所述的转子总成，其特征在于：所述磁体(11)的外表面(111)为弧面。
9.如权利要求1所述的转子总成，其特征在于：所述磁体(11)的内表面(112)为弧面。
10.一种电机，包括机体，所述机体内设置有转子总成，其特征在于：所述转子总成具体为如权利要求1至9中任一项所述的转子总成。
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