CN108736610B - 电机转子和永磁电机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电机转子和永磁电机。该电机转子包括转子本体，在垂直于转子本体的中心轴线的截面内，第一槽边具有第一端点A和第二端点B，第二槽边具有第三端点C和第四端点D；A和C的连线与转子本体的中心之间的距离为h1，转子本体的半径为R，0.96≤h1/R≤0.99；A与转子本体的中心的连线为第一连线，C与转子本体的中心的连线为第二连线，两个连线的夹角φ满足：3.7°≤Ф≤5.6°；第一槽边的投影长度h2与A和C的连线长度L1满足：0.05≤h2/L1≤0.5；B和D的连线长度L2与L1满足：0.2≤L2/L1≤1.0。根据本发明的电机转子，能够在提高电机功率密度的同时又降低电机定位转矩，提高电机工作性能。

Description

电机转子和永磁电机
技术领域
本发明属于电机技术领域，具体涉及一种电机转子和永磁电机。
背景技术
永久磁体切向埋入型电机转子每极由两块永磁体1’共同提供磁通，相比其他形式转子电机，功率密度可以做得更高。为了追求更高的功率密度，可以加大永磁体厚度，永磁体1’的厚度用W表示。但是增大永磁体1’的厚度会导致转子磁力线向磁极中心聚拢，如图1和图2所示。磁力线所经过转子外圆圆弧长度L随着永磁体1’的厚度的增大而逐渐减小，进而影响电机气隙磁密的分布，气隙磁密的分布对电机定位转矩有很大影响，所以如何在提高电机功率密度的同时又降低电机定位转矩是电机开发者力求解决的问题。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于提供一种电机转子和永磁电机，能够在提高电机功率密度的同时又降低电机定位转矩，提高电机工作性能。
为了解决上述问题，本发明提供一种电机转子，包括转子本体，转子本体上沿周向设置有多个永磁体槽，相邻的两个永磁体槽之间的转子本体上设置有多边形槽，多边形槽关于相邻的两个永磁体的磁极中心线对称，多边形槽包括第一槽边和第二槽边，第一槽边位于多边形槽沿转子本体的周向方向的第一端，第二槽边位于多边形槽沿转子本体的周向方向的第二端，在垂直于转子本体的中心轴线的截面内，第一槽边具有远离转子本体的中心的第一端点A和靠近转子本体的中心的第二端点B，第二槽边具有远离转子本体的中心的第三端点C和靠近转子本体的中心的第四端点D；
第一端点A和第三端点C的连线与转子本体的中心之间的距离为h1，转子本体的半径为R，h1和R之间的关系满足：0.96≤h1/R≤0.99；
第一端点A与转子本体的中心的连线为第一连线，第三端点C与转子本体的中心的连线为第二连线，第一连线和第二连线之间的夹角φ满足：3.7°≤Ф≤5.6°；
第一槽边在磁极中心线上的投影长度h2与第一端点A和第三端点C的连线长度L1之间的关系满足：0.05≤h2/L1≤0.5；
第二端点B和第四端点D的连线长度L2与第一端点A和第三端点C的连线长度L1之间的关系满足：0.2≤L2/L1≤1.0。
优选地，沿着远离转子本体的中心的方向，第一槽边和第二槽边之间的间距递增。
优选地，第一槽边和第二槽边为直边。
优选地，多边形槽为梯形槽，第一端点A和第三端点C之间的连线为直线，第二端点B和第四端点D之间的连线为直线。
优选地，第一端点A和第三端点C之间通过第一折线段连接；和/或，第二端点B和第四端点D之间通过第二折线段连接。
优选地，多边形槽为六边形槽，第一折线段包括第一直线段和第二直线段，第一直线段和第二直线段的连接位置处的尖端朝向转子本体的中心；和/或，第二折线段包括第三直线段和第四直线段，第三直线段和第四直线段的连接位置处的尖端远离转子本体的中心。
优选地，第一槽边和第二槽边为弧边。
优选地，第一端点A和第三端点C之间的连线为直线、折线或弧线；和/或，第二端点B和第四端点D之间的连线为直线、折线或弧线。
根据本发明的另一方面，提供了一种永磁电机，包括电机转子，该电机转子为上述的电机转子。
优选地，永磁电机还包括定子组件，定子组件包括定子铁芯，定子铁芯与转子本体之间具有空气隙。
优选地，空气隙的气隙长度a≤0.4mm且转子本体的外径D≥20mm时，W与τ的比值满足：0.18≤W/τ≤0.3，其中W为永磁体的厚度，τ为电机极距。
优选地，W与τ的比值满足：0.19≤W/τ≤0.23。
优选地，定子组件还包括定子骨架，定子骨架安装在定子铁芯上，定子骨架上集中绕制有定子绕组。
优选地，永磁电机的三相电压为三相正弦波电压。
本发明提供的电机转子，通过限定第一端点和第三端点的连线与转子本体的中心之间的距离为h1，转子本体的半径为R，h1和R之间的关系满足：0.96≤h1/R≤0.99；第一端点与转子本体的中心的连线为第一连线，第三端点与转子本体的中心的连线为第二连线，第一连线和第二连线之间的夹角φ满足：3.7°≤Ф≤5.6°，能够使得定位转矩得到很好的降低，可以综合考虑定位转矩与输出转矩，使得电机性能较佳；通过限定第一槽边在磁极中心线上的投影长度h2与第一端点和第三端点的连线长度L1之间的关系满足：0.05≤h2/L1≤0.5；第二端点和第四端点的连线长度L2与第一端点和第三端点的连线长度L1之间的关系满足：0.2≤L2/L1≤1.0，可以在降低电机定位转矩的情况下保证足够的输出转矩，使得电机综合性能最佳，同时能够保证电机的结构强度最佳。通过增加上述的约束，可以对电机转子的结构进行优化，从而在提高电机功率密度的同时有效降低电机定位转矩，克服永久磁体切向埋入型转子永磁体厚度增大带来电机定位转矩增大的问题。
附图说明
图1为现有技术中的电机转子在永磁体厚度较小时的磁力线分布结构图；
图2为现有技术中的电机转子在永磁体厚度较大时的磁力线分布结构图；
图3为本发明第一实施例的电机转子的结构示意图；
图4为本发明第一实施例的电机转子的多边形槽的尺寸结构示意图；
图5为现有技术电机转子的定位转矩-W/τ曲线图；
图6为现有技术电机转子的输出转矩-W/τ曲线图；
图7为本发明实施例的电机转子的定位转矩-h1/R、Ф曲线图；
图8为本发明实施例的电机转子的输出转矩-h1/R、Ф曲线图；
图9为本发明实施例的电机转子的定位转矩-h2/L1曲线图；
图10为本发明实施例的电机转子的输出转矩-h2/L1曲线图；
图11为本发明实施例的电机转子的定位转矩-L2/L1曲线图；
图12为本发明实施例的电机转子的输出转矩-L2/L1曲线图；
图13为本发明第二实施例的电机转子的结构示意图；
图14为本发明第二实施例的电机转子的多边形槽的尺寸结构示意图；
图15为本发明第三实施例的电机转子的结构示意图；
图16为本发明第三实施例的电机转子的多边形槽的尺寸结构示意图；
图17为本发明实施例的永磁电机的结构示意图。
附图标记表示为：
1、转子本体；2、永磁体槽；3、多边形槽；4、第一槽边；5、第二槽边；6、第一直线段；7、第二直线段；8、第三直线段；9、第四直线段；10、定子铁芯。
具体实施方式
结合参见图3至图16所示，根据本发明的实施例，电机转子包括转子本体1，转子本体1上沿周向设置有多个永磁体槽2，相邻的两个永磁体槽2之间的转子本体1上设置有多边形槽3，多边形槽3关于相邻的两个永磁体的磁极中心线对称，多边形槽3包括第一槽边4和第二槽边5，第一槽边4位于多边形槽3沿转子本体1的周向方向的第一端，第二槽边5位于多边形槽3沿转子本体1的周向方向的第二端，在垂直于转子本体1的中心轴线的截面内，第一槽边4具有远离转子本体1的中心O的第一端点A和靠近转子本体1的中心O的第二端点B，第二槽边5具有远离转子本体1的中心O的第三端点C和靠近转子本体1的中心O的第四端点D；第一端点A和第三端点C的连线与转子本体1的中心O之间的距离为h1，转子本体1的半径为R，h1和R之间的关系满足：0.96≤h1/R≤0.99；第一端点A与转子本体1的中心O的连线为第一连线，第三端点C与转子本体1的中心O的连线为第二连线，第一连线和第二连线之间的夹角φ满足：3.7°≤Ф≤5.6°；第一槽边4在磁极中心线上的投影长度h2与第一端点A和第三端点C的连线长度L1之间的关系满足：0.05≤h2/L1≤0.5；第二端点B和第四端点D的连线长度L2与第一端点A和第三端点C的连线长度L1之间的关系满足：0.2≤L2/L1≤1.0。
通过增加上述的约束，可以对电机转子的结构进行优化，从而在提高电机功率密度的同时有效降低电机定位转矩，克服永久磁体切向埋入型转子永磁体厚度增大带来电机定位转矩增大的问题。
在本实施例中，转子本体1上开有10个永磁体槽2，永磁体槽2以辐射状的形式均匀地分布在转子本体1上。永磁体可以采用外部先充磁的方式充磁，再通过胶水固定在永磁体槽2内，也可以先通过胶水固定在永磁体槽2内，再采用转子整体后充磁的方式进行充磁。相邻两块永磁体互相面对的面极性相同，共同提供该极的磁动势，大大提高了永磁电机的功率密度，使得永磁电机可以实现小型化。为了进一步提高电机功率密度，可以加大永磁体厚度W。在本实施例中，永磁体例如为磁钢。
优选地，沿着远离转子本体1的中心的径向方向，第一槽边4和第二槽边5之间的间距递增，这是由于沿着转子本体1的径向方向，越是远离转子本体1的中心，两个永磁体之间的间距越大，相应的，多边形槽3的周向宽度也相应增大，使得多边形槽3的结构能够随着永磁体之间的间距而相应变化，更加有效地分散磁极中心的磁力线，进而优化定位转矩。
结合参见图3和图4所示，根据本发明的第一实施例，多边形槽3为四边形槽，第一槽边4和第二槽边5为直边。
在本实施例中，多边形槽3为梯形槽，第一端点A和第三端点C之间的连线为直线，第二端点B和第四端点D之间的连线为直线。
以图4所示的多边形槽3与转子本体1的尺寸关系为例，针对不同大小的电机，h1/R可以代表四边形槽上边的位置，Ф可以代表四边形槽的上边长度。受冲压工艺限制，四边形槽的上边距离转子本体1的外径不可过小，所以h1/R不可设计过大，h1/R极限值为0.99。四边形槽的上边长的位置和长度是影响转子磁力线分布的关键因素，针对不同的h1/R和Ф计算了其对电机定位转矩和输出转矩的影响，结果如图7和图8所示。
当h1/R＜0.96时，由图7的数据可以看出，随着Ф的增大，定位转矩逐渐减小，但是由图8的数据同时可以看出，随着Ф的增大输出转矩也逐渐减小，在定位转矩较小时输出转矩也同时大大削弱，所以h1/R小于0.96时，电机综合性能不佳。
当0.96≤h1/R≤0.99时，由图7的数据可以看出，定位转矩随着Ф的增大先减小再增大再减小，定位转矩最小点出现在3.7°≤Ф≤5.6°时，此时定位转矩得到很好的降低。由图8的数据可以看出，由于此时的Ф较小，输出转矩依然处于较大水平。通过以上分析，综合考虑定位转矩和输出转矩，0.96≤h1/R≤0.99且3.7°≤Ф≤5.6°时电机性能最佳。
h2/L1可以代表四边形槽的高，四边形槽的高是影响转子磁力线分布的关键因素，针对不同的h2/L1计算了其对电机定位转矩和输出转矩的影响。h2/L1与定位转矩关系如图9所示，h2/L1与输出转矩关系如图10所示。
由图9和图10得出结论：随着h2/L1的增大，定位转矩逐渐减小，输出转矩逐渐减小。在降低定位转矩的情况下要保证一定的输出转矩，由计算结果可知，0.05≤h2/L1≤0.5时电机综合性能最佳。
L2/L1代表四边形槽下边与上边的比值，L2/L1与定位转矩的计算关系如图11所示，L2/L1与输出转矩的计算关系如图12所示。由计算结果分析得出结论：L2/L1对电机性能影响很小，但是为了防止电磁钢板冲压时应力集中，L2/L1不可过小。0.2≤L2/L1≤1.0时，电机转子的综合性能及结构强度最佳。
因此，通过增加上述的约束，可以对电机转子的结构进行优化，从而在提高电机功率密度的同时有效降低电机定位转矩，克服永久磁体切向埋入型转子永磁体厚度增大带来电机定位转矩增大的问题。
结合参见图13和图14所示，根据本发明的第二实施例，其与第一实施例基本相同，不同之处在于，在本实施例中，第一端点A和第三端点C之间通过第一折线段连接；和/或，第二端点B和第四端点D之间通过第二折线段连接。其中第一折线段可以由多个直线段连接而成，第一折线段的第一端与第一端点A连接，第一折线段的第二端与第三端点C连接。第二折线段可以由多个直线段连接而成，第二折线段的第一端与第二端点B连接，第二折线段的第二端与第四端点D连接。
在本实施例中，多边形槽3为六边形槽，第一折线段包括第一直线段6和第二直线段7，第一直线段6和第二直线段7的连接位置处的尖端朝向转子本体1的中心；和/或，第二折线段包括第三直线段8和第四直线段9，第三直线段8和第四直线段9的连接位置处的尖端远离转子本体1的中心。
在其他的实施例中，也可以采用第一端点A和第三端点C之间通过第一折线段连接，第二端点B和第四端点D之间通过直线段连接，或者是第一端点A和第三端点C之间通过直线段连接，第二端点B和第四端点D之间通过第二折线段连接。
当第一折线段包括第一直线段6和第二直线段7，第二折线段包括第三直线段8和第四直线段9时，也可以采用第一直线段6和第二直线段7的连接位置处的尖端远离转子本体1的中心，第三直线段8和第四直线段9的连接位置处的尖端朝向转子本体1的中心的结构；或者采用第一直线段6和第二直线段7的连接位置处的尖端以及第三直线段8和第四直线段9的连接位置处的尖端均朝向转子本体1的中心的结构；或者采用第一直线段6和第二直线段7的连接位置处的尖端以及第三直线段8和第四直线段9的连接位置处的尖端均远离转子本体1的中心的结构。
结合参见图15和图16所示，根据本发明的第三实施例，第一槽边4和第二槽边5为弧边。其中第一端点A和第三端点C之间可以通过直线、折线或者弧线连接，第二端点B和第四端点D之间也可以通过直线、折线或者弧线连接。
在本实施例中，第一端点A和第三端点C之间的连线为第一弧线；且第二端点B和第四端点D之间的连线为第二弧线，第一弧线和第二弧线同心设置，从而形成四边均为弧形的四边形槽。
结合参见图17所示，根据本发明的实施例，永磁电机包括电机转子，该电机转子为上述的电机转子。
永磁电机还包括定子组件，定子组件包括定子铁芯10，定子铁芯10与转子本体1之间具有空气隙。定子铁芯10和电机转子的转子铁芯由电磁钢板充制叠压而成，电机转子大部分结构为主磁路，和定子铁芯10共同为磁动势提供磁路。
极距在电机学的定义为：对应于一个极的定子内表面圆周长度。当气隙长度a≤0.4mm且转子外径≥20mm时，W与τ的比值可以代表磁钢厚度总体占比。
在本实施例中，空气隙的气隙长度a≤0.4mm且转子本体1的外径D≥20mm时，W与τ的比值满足：0.18≤W/τ≤0.3，其中W为永磁体的厚度，τ为电机极距。
优选地，W与τ的比值满足：0.19≤W/τ≤0.23。
针对不同的W/τ，可以计算出电机的定位转矩和输出转矩，结果如图5和图6所示。
由图5得出结论，定位转矩随着W/τ的增大先减小后增大。这是因为增大永磁体厚度会导致转子磁力线向磁极中心聚拢，进而影响电机气隙磁密的分布，气隙磁密的分布对电机定位转矩有很大影响，电机存在一个最佳磁力线分布，此时的定位转矩是最小的。
由图6得出结论，输出转矩随着W/τ的增大而逐渐增大，但是增速逐渐减慢。这是因为增加永磁体厚度会提升永磁体的工作点，但工作点增加到一定值后基本趋于稳定。从提高电机功率密度和节约永磁体成本两方面考虑，W/τ取0.18-0.3较合适，此时电机输出转矩最处于较高水平且不浪费材料。
综合考虑电机输出转矩和定位转矩，定位转矩不可过大，W/τ取0.19≤W/τ≤0.23相对合适。由于此时永磁体厚度W相对较大，磁力线向磁极中心聚拢，定位转矩不理想。而在加入多边形槽3之后，可以利用多边形槽3来分散磁极中心磁力线，进而优化定位转矩，从而使得电机输出转矩最处于较高水平且不浪费材料的同时，避免永磁体厚度W过大导致的电机定位转矩增大的问题，有效地改善了电机转子的结构，提高了永磁电机的工作性能，在提高电机功率密度的同时降低了电机定位转矩。
定子组件还包括定子骨架，定子骨架安装在定子铁芯10上，定子骨架上集中绕制有定子绕组。
永磁电机的三相电压为三相正弦波电压。
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 (14)

1.一种电机转子，其特征在于，包括转子本体(1)，所述转子本体(1)上沿周向设置有多个永磁体槽(2)，相邻的两个所述永磁体槽(2)之间的所述转子本体(1)上设置有多边形槽(3)，所述多边形槽(3)关于相邻的两个永磁体的磁极中心线对称，所述多边形槽(3)包括第一槽边(4)和第二槽边(5)，所述第一槽边(4)位于所述多边形槽(3)沿所述转子本体(1)的周向方向的第一端，所述第二槽边(5)位于所述多边形槽(3)沿所述转子本体(1)的周向方向的第二端，在垂直于所述转子本体(1)的中心轴线的截面内，所述第一槽边(4)具有远离所述转子本体(1)的中心的第一端点A和靠近所述转子本体(1)的中心的第二端点B，所述第二槽边(5)具有远离所述转子本体(1)的中心的第三端点C和靠近所述转子本体(1)的中心的第四端点D；
所述第一端点A和所述第三端点C的连线与所述转子本体(1)的中心之间的距离为h1，所述转子本体(1)的半径为R，h1和R之间的关系满足：0.96≤h1/R≤0.99；
所述第一端点A与所述转子本体(1)的中心的连线为第一连线，所述第三端点C与所述转子本体(1)的中心的连线为第二连线，第一连线和第二连线之间的夹角φ满足：3.7°≤Ф≤5.6°；
所述第一槽边(4)在所述磁极中心线上的投影长度h2与所述第一端点A和所述第三端点C的连线长度L1之间的关系满足：0.05≤h2/L1≤0.5；
所述第二端点B和所述第四端点D的连线长度L2与所述第一端点A和所述第三端点C的连线长度L1之间的关系满足：0.2≤L2/L1≤1.0；
所述永磁体槽(2)以辐射状的形式均匀地分布在所述转子本体(1)上。
2.根据权利要求1所述的电机转子，其特征在于，沿着远离所述转子本体(1)的中心的方向，所述第一槽边(4)和所述第二槽边(5)之间的间距递增。
3.根据权利要求2所述的电机转子，其特征在于，所述第一槽边(4)和所述第二槽边(5)为直边。
4.根据权利要求3所述的电机转子，其特征在于，所述多边形槽(3)为梯形槽，所述第一端点A和所述第三端点C之间的连线为直线，所述第二端点B和所述第四端点D之间的连线为直线。
5.根据权利要求3所述的电机转子，其特征在于，所述第一端点A和所述第三端点C之间通过第一折线段连接；和/或，所述第二端点B和所述第四端点D之间通过第二折线段连接。
6.根据权利要求5所述的电机转子，其特征在于，所述多边形槽(3)为六边形槽，
所述第一折线段包括第一直线段(6)和第二直线段(7)，所述第一直线段(6)和所述第二直线段(7)的连接位置处的尖端朝向所述转子本体(1)的中心；和/或，所述第二折线段包括第三直线段(8)和第四直线段(9)，所述第三直线段(8)和所述第四直线段(9)的连接位置处的尖端远离所述转子本体(1)的中心。
7.根据权利要求2所述的电机转子，其特征在于，所述第一槽边(4)和所述第二槽边(5)为弧边。
8.根据权利要求7所述的电机转子，其特征在于，所述第一端点A和所述第三端点C之间的连线为直线、折线或弧线；和/或，所述第二端点B和所述第四端点D之间的连线为直线、折线或弧线。
9.一种永磁电机，包括电机转子，其特征在于，所述电机转子为权利要求1至8中任一项所述的电机转子。
10.根据权利要求9所述的永磁电机，其特征在于，所述永磁电机还包括定子组件，所述定子组件包括定子铁芯(10)，所述定子铁芯(10)与所述转子本体(1)之间具有空气隙。
11.根据权利要求10所述的永磁电机，其特征在于，所述空气隙的气隙长度a≤0.4mm且转子本体(1)的外径D≥20mm时，W与τ的比值满足：0.18≤W/τ≤0.3，其中W为永磁体的厚度，τ为电机极距。
12.根据权利要求11所述的永磁电机，其特征在于，W与τ的比值满足：0.19≤W/τ≤0.23。
13.根据权利要求10所述的永磁电机，其特征在于，所述定子组件还包括定子骨架，所述定子骨架安装在定子铁芯(10)上，所述定子骨架上集中绕制有定子绕组。
14.根据权利要求9所述的永磁电机，其特征在于，所述永磁电机的三相电压为三相正弦波电压。
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