CN107404170B - 永磁电机及其转子结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁电机及其转子结构，转子结构包括转子本体与所述转子本体连接的永磁体，所述转子本体包括沿其径向依次同轴设置且相对固定的第一环部和第二环部，所述第二环部位于所述第一环部的内侧，所述转子结构工作过程中所述第一环部的磁导率大于所述第二环部的磁导率。如此实现了有效调整转子本体各区域的等效磁阻，进而大大削弱某些工况时施加在永磁体之上的电枢绕组产生的具有去磁效应的等效磁场的大小，并减少转子本体叠片的铁芯损耗，提升永磁电机效率，同时提高永磁电机的稳定性。

Description

永磁电机及其转子结构

技术领域

本发明涉及电机结构技术领域，更具体地说，涉及一种永磁电机及其转子结构。

背景技术

永磁电机采用高性能永磁体进行励磁，与传统拥有励磁绕组的电励磁电机相比，永磁电机具有结构简单、运行可靠、效率高、电机形状尺寸灵活多样的显著优点。按照转子结构及永磁体所在位置的不同，可以分为永磁体表面张贴式与内嵌式，内嵌式永磁电机的永磁体嵌于转子内部。

现有技术中，转子由多个沿其轴向的叠片依次叠加形成，叠片的材质为导磁材料。永磁电机的磁路由永磁体、空气间隙和导磁材料组成，其等效磁路分为永磁体和外磁路两部分。永磁体向外磁路提供磁通，该磁通与电枢绕组产生的电枢磁场作用，使转子与定子之间产生相对运动，实现机电能量转换。而外磁路中由定子绕组产生的电枢磁场又会施加于永磁体之上，在特殊工况下，如过负载、堵转等工况运行，施加在永磁体之上具有退磁效应的电枢磁场过大，可能会使永磁体发生局部退磁，导致永磁电机磁性能稳定性降低。

综上所述，如何有效地提高永磁电机的稳定性，是目前本领域技术人员急需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种永磁电机及其转子结构，该永磁电机及其转子结构的结构设计可以有效地提高永磁电机的稳定性。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种转子结构，包括转子本体与所述转子本体连接的永磁体，所述转子本体包括沿其径向依次同轴设置且相对固定的第一环部和第二环部，所述第二环部位于所述第一环部的内侧，所述转子结构工作过程中所述第一环部的磁导率大于所述第二环部的磁导率。

优选地，上述转子结构中，所述第一环部与所述第二环部卡接。

优选地，上述转子结构中，所述第一环部的内壁和所述第二环部的外壁中的一个上设置有卡槽，所述第一环部的内壁和所述第二环部的外壁中的另一个上设置有与所述卡槽配合的凸起。

优选地，上述转子结构中，所述卡槽为T型槽，所述凸起为T型凸起。

优选地，上述转子结构中，所述第一环部的径向厚度小于所述第二环部的径向厚度。

优选地，上述转子结构中，所述永磁体内嵌于所述转子本体内部，所述永磁体的数量为多个且沿着所述转子本体的周向分布。

优选地，上述转子结构中，多个所述永磁体的最靠近所述转子本体轴线的点位于所述第二环部内，多个所述永磁体的最远离所述转子本体轴线的点位于所述第一环部内。

优选地，上述转子结构中，多个所述永磁体的最靠近所述转子本体轴线的点均位于第一圆柱面上，所述第一圆柱面的半径为R1；

多个所述永磁体的最远离所述转子本体轴线的点均位于第二圆柱面上，所述第二圆柱面的半径为R2；

所述转子本体的外半径为Rr，所述第一环部的内壁距所述转子本体轴线的距离为Ra，且R1、R2、Rr和Ra满足：0.3*R1+0.7*R2≤Ra≤0.6*Rr+0.4*R2。

优选地，上述转子结构中，多个所述永磁体分多组均匀分布，每组包括两个永磁体，每组的两个永磁体呈V型分布。

优选地，上述转子结构中，所述转子本体内部开设有多个V型槽，且所述V型槽包括两个依次连接的条形槽且两个所述条形槽之间的角度为钝角，每组的两个所述永磁体分别插入V型槽的两个条形槽内。

优选地，上述转子结构中，所述第一环部和第二环部分别由两种材料制作形成，且所述第一环部的磁导率小于所述第二环部的磁导率。

一种永磁电机，包括转子结构，包括如上述中任一项所述的转子结构。

本发明提供的转子结构正常工作时，第一环部和第二环部的材料可以相同也可以不同，但第一环部的磁导率大于第二环部的磁导率，如此实现了有效调整转子本体各区域的等效磁阻，进而大大削弱某些工况时施加在永磁体之上的电枢绕组产生的具有去磁效应的等效磁场的大小，并减少转子本体叠片的铁芯损耗，提升永磁电机效率，同时提高永磁电机的稳定性。

为了达到上述第二个目的，本发明还提供了一种永磁电机，该永磁电机包括上述任一种转子结构。由于上述的转子结构具有上述技术效果，具有该转子结构的永磁电机也应具有相应的技术效果。

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为本发明实施例提供的转子结构的轴向俯视图；

图2为本发明实施例提供的转子结构的沿着垂直于其轴线的平面剖切的局部剖视图；

图3为本发明实施例提供的电机的磁力线示意图；

图4为本发明实施例的原理图；

图5为现有技术中的方案的原理图；

图6为现有技术中的方案与本申请的技术方案永磁体退磁率的对比图；

图7为本发明实施例提供的永磁体退磁率与Ra的关系曲线图。

在图1-7中：

100-空气间隙、101-转子本体、102-第一环部、103-第二环部、104-永磁体、105-V型槽、106-输出轴、107-T型凸起、201-定子、202-绕组、301-第一磁路、302-第二磁路、303-第一区域、304-第二区域、305-第三区域；

110-第一部分、120-第二部分。

具体实施方式

本发明的目的在于提供一种永磁电机及其转子结构，该永磁电机及其转子结构的结构设计可以有效地提高永磁电机的稳定性。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-2所示，本发明实施例提供的转子结构包括转子本体101与转子本体101连接的永磁体104。重点在于，转子本体101包括沿其径向依次同轴设置的第一环部102和第二环部103，并且第一环部102和第二环部103相对固定，即转子本体101转动时第一环部102和第二环部103同时转动。第二环部103位于第一环部102的内侧，即第一环部102的内壁与第二环部103的外壁贴合。上述转子结构工作过程中第一环部102的磁导率大于第二环部103的磁导率，即转子结构工作过程中第一环部102的磁阻小于第二环部103的磁阻。

其中，第一环部102与第二环部103均由导磁材料加工形成，并且第一环部102与第二环部103的材质可以不同，比如第一环部102为硅钢，第二环部103为电工纯铁。或者第一环部102与第二环部103也可以材质相同，比如第一环部102和第二环部103均为硅钢材质制作形成。具体实施时，第一环部102可以采用具有流动磁畴的硅钢材料，第二环部103可以使用了无取向硅钢片，如牌号为B50A470等；或者，第一环部102使用非晶硅钢材料，第二环部103采用硅钢材料。只要保证第一环部102的磁导率高于第二环部103的磁导率就可以达到上述提高永磁电机磁性能稳定性的效果。

第一环部102和第二环部103可以均为叠片结构，即第一环部102包括多片沿着其轴向依次重叠设置的多个第一叠片，多个第一叠片层层重叠形成所述第一环部102；第二环部103包括多片沿着其轴向依次重叠设置的多个第二叠片，多个第二叠片层层重叠形成所述第二环部103。形成第一环部102的多个第一叠片形状相同，形成第二环部103的多个第二叠片形状相同。

第二环部103直接与输出轴106固定连接，出输出106穿过第二环部103的内侧。

在一具体实施例中，第一环部102与第二环部103卡接，以实现第一环部102与第二环部103的相对固定。当然，第一环部102与第二环部103也可以通过其它方式相对固定，比如焊接或者通过中间部件连接。

进一步地，可以在第一环部102的内壁和第二环部103的外壁中的一个上设置有卡槽，第一环部102的内壁和第二环部103的外壁中的另一个上设置有与卡槽配合的凸起。第一种实施方式中，第二环部103的外壁设置有卡槽，第一环部102的内壁设置有凸起，每一个第一叠片均设置有凸起，每一个第二叠片均设置卡槽，第一叠片和第二叠片可以一一对应，即每一个第一叠片的凸起卡在与其对应的第二叠片的卡槽内。第二种实施方式中，第二环部103的外壁设置有凸起，第一环部102的内壁设置有卡槽，卡槽与凸起的配合与第一种实施方式相同，在此不再赘述。

其中，卡槽的数量可以为多个且沿着第一环部102或第二环部103的周向均匀分布，凸起的数量与卡槽的数量相等，多个凸起沿着第一环部102或第二环部103的周向均匀分布。

上述实施例中，卡槽为可以T型槽，凸起为T型凸起107。或者，卡槽和凸起也可以为圆形、L型等，在此不作限定。

在另一具体实施例中，第一环部102的径向厚度小于第二环部103的径向厚度，即第一环部102的沿着其径向的延伸距离小于第二环部103沿着其径向的延伸距离。如此，可以通过设计第一环部102的径向厚度和第二环部103的径向厚度，以达到第一环部102的磁导率大于第二环部103的磁导率的目的。

本发明实施例提供的转子结构可以为嵌入式的，即永磁体104内嵌于转子本体101内部，即转子本体101内部开设有容纳槽，永磁体104位于转子本体101的容纳槽中。具体地，永磁体104的数量为多个且多个永磁体104沿着转子本体101的周向分布。

进一步地，多个永磁体104的最靠近转子本体101轴线的点位于第二环部103内，多个永磁体104的最远离转子本体101轴线的点位于第一环部102内。永磁体104沿着转子本体101径向的两端分别为第一端和第二端，第一端位于第一环部102内且第二端位于第二环部103内，即永磁体104沿着转子本体101径向的长度跨过第一环部102与第二环部103之间的边界，以此更加便于根据永磁体104的工作状态设计第一环部102和第二环部103的磁导率，进而达到降低退磁程度的目的。当然，永磁体104也可以全部位于第二环部103或第一环部102，在此不作限定。

在具体实施时，多个永磁体104可以分多组均匀分布，每组包括两个永磁体104，每组的两个永磁体104呈V型分布。每组的两个永磁体104之间在转子本体101的周向上的距离大于零。如此设置，可以增加含有该转子结构的永磁电机的牵引力。

进一步地，转子本体101的内部开设有多个V型槽105，且每个V型槽105包括两个依次连接的条形槽且两个条形槽之间的角度为钝角，每组的两个永磁体104分别插入V型槽105的两个条形槽内。V型槽105的槽口可以背离转子本体101的轴线设置。具体，V型槽105的内壁上设置有与永磁体104的第二端相抵的止挡部，永磁体104的第一端与V型槽105的末端端壁相抵，以此实现对永磁体104的定位。

当然，多个永磁体104还可以沿着转子本体101的周向均匀分布，永磁体104可以沿着转子本体101的径向设置也可以垂直于转子本体101的径向设置。第一环部102和第二环部103对应相邻的两个永磁体104之间的位置设置有卡槽和凸起，或者第一环部102和第二环部103对应相邻的两组永磁体104之间均设置有卡槽和凸起。

下面将针对嵌入式永磁机说明本发明实施例实现降低退磁程度的原理，如图3所示，图3为本发明实施例提供的上述实施例的嵌入式永磁电机的磁力线示意图，定子201的绕组202在转子结构中产生的电枢磁场，按照磁通流经路线的不同，可分为第一磁路301和第二磁路302。第二磁路302中，磁通流经永磁体104，并穿过磁场方向与第二磁路302相反的永磁体104。此时第二磁路302具有退磁效应，称为退磁磁路，退磁磁路即第二磁路302将在第三区域305对永磁体104产生退磁作用，此部分磁场称为退磁磁场。由于永磁体104磁场与电枢磁场方向相反，因此受永磁体104磁场影响，一部分磁通将绕过永磁体104，只流经转子本体101而不流经永磁体104，如第一磁路301所示。当第一环部102由具有流动磁畴的硅钢材料构成时，在第一磁路301的作用下，磁畴将由第一区域303向第二区域304聚集，此时第二区域304为磁畴密集区域，磁导率增大，其等效磁阻小于转子结构的其余部分。此时，由电枢磁场产生的磁通将偏向于流经磁阻更小的第一磁路301，则流经具有退磁效应的第二磁路302的磁通减少，第三区域305的退磁磁场将别削弱。其它结构的永磁机的退磁原理与上述相同，在此不再赘述。

如图4与图5所示，图4为现有技术方案的原理图，展示了现有技术中内嵌式永磁电机的等效磁路模型。将定子201的绕组202产生的电枢磁场等效为恒定磁通源Φem，永磁体104等效为一个恒定磁动势Fm，空气间隙100、定子201等效为定子磁路磁阻Rx，转子本体101所用到的导磁材料的径向等效磁阻为Rar，周向等效磁阻为Rac，为分析方便，假定现有方案的转子结构由两层相同的导磁材料组成，两层相同的导磁材料的分界面的半径为Ra，外层导磁材料为第一部分110，内层导磁材料为第二部分120。由磁路分析可知，永磁体104等效的恒定磁动势Fm与外层导磁材料的周向等效磁阻Rac1存在着并联关系，可以推导认为，施加在永磁体104之上的退磁磁势Fem正相关于外层导磁材料即第一部分110的周向等效磁阻Rac1，即：Fem∝Rac1。

图5为本申请技术方案的原理图，展示了本申请中内嵌式永磁电机的等效磁路模型。同样将定子201的绕组202产生的电枢磁场等效为恒定磁通源Φem，永磁体104等效为一个恒定磁动势Fm，空气间隙100、定子201等效为定子磁路磁阻Rx，第二环部103的径向等效磁阻为Rar，第二环部103的周向等效磁阻为Rac，第一环部102的径向等效磁阻为Rbr，第一环部102的周向等效磁阻为Rbc；对于图5所示的实施方案原理图，永磁体104等效的恒定磁动势Fm与第一环部102的周向等效磁阻Rbc存在着并联关系，可以推导出，施加在永磁体104之上的退磁磁势Fem正相关于第一环部102的周向等效磁阻Rbc，则有：Fem∝Rbc。

上述分析中，现有技术方案的转子本体101与本申请方案中的第二环部103的材质相同，第二环部103的材质与第一环部102的材质不同。

由上述分析得知，需要满足以下条件：Rbc＜Rac1，即第一环部102的周向等效磁阻小于第二环部103的周向等效磁阻，第一环部102的磁导率大于第二环部103的磁导率，才能实现降低退磁程度的目的。

如图6所示，为现有技术中的方案与本申请的技术方案永磁体104退磁率的对比图优化效果图。曲线A为现有技术方案的电枢磁场与退磁率之间的关系，曲线B为本申请技术方案的电枢磁场与退磁率之间的关系。可以看出，在相同的电枢磁场下，相对于现有方案，使用本发明实施方案后，永磁体104退磁率明显下降，永磁电机的磁性能稳定性获得提升。

多个永磁体104的最靠近转子本体101轴线的点均位于第一圆柱面上，第一圆柱面的半径为R1；多个永磁体104的最远离转子本体101轴线的点均位于第二圆柱面上，第二圆柱面的半径为R2；即永磁体104距转子本体101轴线的最小距离为R1，永磁体104距转子本体101轴线的最大距离为R2。

转子本体101的外半径为Rr，转子本体101的内半径为Rs，第一环部102的内壁距转子本体101轴线的距离为Ra，第一环部102的内壁与第二环部103的外壁贴合，因此第二环部103的外壁距转子本体101轴线的距离也为Ra。如图7所示，图7为Ra与永磁体104退磁率的关系曲线图，由图7可知，R1、R2、Rr和Ra满足：0.3*R1+0.7*R2≤Ra≤0.6*Rr+0.4*R2，永磁体104的退磁率较低，因此优选地R1、R2、Rr和Ra满足：0.3*R1+0.7*R2≤Ra≤0.6*Rr+0.4*R2。当然，Ra还可以取其它范围值，在此不作限定。

在另一实施例中，永磁体104贴在转子本体101的外侧，即转子结构为表贴式，可以根据实际需求选择转子结构为嵌入式或者表贴式，在此不作限定。该表贴式的退磁原理与上述嵌入式原理相同，在此不再赘述。

为了便于加工制造，第一环部102和第二环部103分别由两种材料制作形成，且第一环部102的磁导率大于第二环部103的磁导率，如此只需选择磁导率不同的两种材料分别加工第一环部102和第二环部103即可。当然，第一环部102和第二环部103也可以由相同的材料制作形成，且第一环部102的磁导率大于第二环部103的磁导率，在此不作限定。

基于上述实施例中提供的转子结构，本发明还提供了一种永磁电机，该永磁包括上述实施例中任意一种转子结构。由于该永磁电机采用了上述实施例中的转子结构，所以该永磁电机的有益效果请参考上述实施例。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种转子结构，包括转子本体（101）与所述转子本体（101）连接的永磁体（104），其特征在于，所述转子本体（101）包括沿其径向依次同轴设置且相对固定的第一环部（102）和第二环部（103），所述第二环部（103）位于所述第一环部（102）的内侧，所述转子结构工作过程中所述第一环部（102）的磁导率大于所述第二环部（103）的磁导率；

所述永磁体（104）内嵌于所述转子本体（101）内部，所述永磁体（104）的数量为多个且沿着所述转子本体（101）的周向分布；

多个所述永磁体（104）的最靠近所述转子本体（101）轴线的点位于所述第二环部（103）内，多个所述永磁体（104）的最远离所述转子本体（101）轴线的点位于所述第一环部（102）内；或，

多个所述永磁体（104）的最靠近所述转子本体（101）轴线的点均位于第一圆柱面上，所述第一圆柱面的半径为R1；

多个所述永磁体（104）的最远离所述转子本体（101）轴线的点均位于第二圆柱面上，所述第二圆柱面的半径为R2；

所述转子本体（101）的外半径为Rr，所述第一环部（102）的内壁距所述转子本体（101）轴线的距离为Ra，且R1、R2、Rr和Ra满足：0.3*R1+0.7*R2≤Ra≤0.6*Rr+0.4*R2。

2.根据权利要求1所述的转子结构，其特征在于，所述第一环部（102）与所述第二环部（103）卡接。

3.根据权利要求2所述的转子结构，其特征在于，所述第一环部（102）的内壁和所述第二环部（103）的外壁中的一个上设置有卡槽，所述第一环部（102）的内壁和所述第二环部（103）的外壁中的另一个上设置有与所述卡槽配合的凸起。

4.根据权利要求3所述的转子结构，其特征在于，所述卡槽为T型槽，所述凸起为T型凸起（107）。

5.根据权利要求1所述的转子结构，其特征在于，所述第一环部（102）的径向厚度小于所述第二环部（103）的径向厚度。

6.根据权利要求1所述的转子结构，其特征在于，多个所述永磁体（104）分多组均匀分布，每组包括两个永磁体（104），每组的两个永磁体（104）呈V型分布。

7.根据权利要求1所述的转子结构，其特征在于，所述转子本体（101）内部开设有多个V型槽（105），且所述V型槽（105）包括两个依次连接的条形槽且两个所述条形槽之间的角度为钝角，每组的两个所述永磁体（104）分别插入V型槽（105）的两个条形槽内。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的转子结构，其特征在于，所述第一环部（102）和第二环部（103）分别由两种材料制作形成。

9.一种永磁电机，包括转子结构，其特征在于，包括如权利要求1-8任一项所述的转子结构。