CN108736611A - 一种电机转子和电机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电机转子和电机，所述电机转子包括转子铁芯(1)和沿所述转子铁芯(1)的周向交替排布的第一永磁极和第二永磁极，所述第一永磁极包括第一永磁体(2)，所述第二永磁极包括第二永磁体(3)，且所述第一永磁体(2)的矫顽力高于所述第二永磁体(3)的矫顽力。通过本发明能够提升整体磁回路的等效矫顽力，保证正常运行时回路磁稳定性。

Description

一种电机转子和电机
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电机。
背景技术
传统永磁电机依靠永磁体提供磁通，但永磁体提供磁场固定，电机内部磁场难以调节，使永磁电机难以兼顾高频和低频时的效率。且在供电电源电压固定的情况下，限制了电机的最高运行频率。
目前，大多永磁电机内部磁场难以调节的缺点，导致了电机最高转速受输入直流母线电压等因素限制，电机低速、高速运行区域效率难以兼顾等问题，在电机运行过程中，低矫顽力磁钢受高矫顽力磁钢影响，充退磁电流较大，会增加低矫顽力磁钢的充退磁难度，降低电机效率。
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电机，能够有效减小电机充磁电流，或增大电机退磁电流，保证电机正常运行时磁回路稳定性，提升电机效率。
本发明提供一种电机转子，其包括转子铁芯和沿所述转子铁芯的周向交替排布的第一永磁极和第二永磁极，所述第一永磁极包括第一永磁体，所述第二永磁极包括第二永磁体，且所述第一永磁体的矫顽力高于所述第二永磁体的矫顽力。
优选地，位于同一永磁极的所述第一永磁体呈V型或W型；和/或，位于同一永磁极的所述第二永磁体呈V型或W型；所述第一永磁极具有第一磁极中心线，所述第一永磁体关于所述第一磁极中心线对称分布。
优选地，定义所述第一永磁体的厚度为H1，第二永磁体的厚度为H2，且有H2>H1，并且有：Hcj2*Br2*H2≤1/3*Hcj1*Br1*H1；
其中Hcj1、Br1分别为第一永磁体的矫顽力和剩磁；Hcj2、Br2分别为第二永磁体的矫顽力和剩磁。
优选地，在相邻的所述第一永磁体和所述第二永磁体之间存在磁极分界线，且所述第一永磁体所在的磁槽为第一磁槽，所述第二永磁体所在的磁槽为第二磁槽，并且有所述第一磁槽距离所述磁极分界线之间的最小距离小于所述第二磁槽距离所述磁极分界线之间的最小距离。
优选地，所述第二永磁极所占的圆心角为θ，第二永磁体的极弧角度为θ1，且有θ1≥0.65*θ。
优选地，所述第二永磁极具有第二磁极中心线，且所述第二永磁体相对于所述第二磁极中心线呈非对称结构分布。
优选地，所述第二永磁体为轴对称结构，其对称轴线与所述第二磁极中心线之间存在偏转角度θ2，且所述对称轴线相对于所述第二磁极中心线之间的偏转角度方向与电机转子的旋转方向相反。
优选地，所述偏转角度满足关系：θ2≤0.15θ，其中θ为所述第二永磁极所占的圆心角。
优选地，在相邻的所述第一永磁体和所述第二永磁体之间存在磁极分界线，且所述第一永磁体所在的磁槽为第一磁槽，所述第二永磁体所在的磁槽为第二磁槽，且在所述磁极分界线的位置还设置有能够减小所述第一永磁体漏磁的隔磁结构。
优选地，所述隔磁结构包括从所述转子铁芯的径向外侧朝径向内部凸出开设的“>”型气隙结构，且所述气隙结构包括与所述转子铁芯径向外缘相接的第一端和第二端，且定义所述第一端与所述磁极分界线之间的距离为H5，所述第二端与所述磁极分界线之间的距离为H6；
并且定义气隙结构包括朝转子铁芯径向方向内侧伸出的凸起，所述凸起包括第一前端点和第二前端点，且所述第一前端点相对于所述第二前端点更靠近径向内侧，所述第一前端点与所述第二前端点在沿所述第一永磁体的厚度方向的距离为H3；
沿着所述第一永磁体的长度方向、所述第一磁槽的径向最外侧与所述第一前端点之间的距离为H4，沿着所述第一永磁体的厚度方向、所述第一磁槽的靠近所述第一前端点的一侧边与所述第一前端点之间的距离为H，
且有：1.5*H≤H3≤5*H，H3≤H4≤1.5*H3，H5≤0.8H6，ab的弦长连线对应的圆心角度为0.8～0.15倍的θ，其中θ为所述第二永磁极所占的圆心角。
优选地，所述第一永磁体所在的磁槽为第一磁槽，所述第二永磁体所在的磁槽为第二磁槽，在与所述第二磁槽相对的转子铁芯的径向外缘以朝径向内侧的方向凹陷而形成偏心部或台阶结构。
本发明还提供一种电机，包括电机转子，其中所述电机转子为前任一项所述的电机转子。
本发明提供的一种电机转子和电机具有如下有益效果：
1.本发明提出一种交替式混合磁钢可变磁通电机结构，该电机设计采用至少2种矫顽力的磁钢牌号(即第一永磁体和第二永磁体的矫顽力不同)，交替式排布在转子上，其中一极采用高矫顽力磁钢，另一极采用低矫顽力磁钢，由于两种矫顽力磁钢在磁回路中处于串联结构，正常运行过程中高矫顽力磁钢对低矫顽力磁钢具有保磁作用，提升了整体磁回路的等效矫顽力，提升电机退磁电流15％，保证正常运行时回路磁稳定性；
2.本发明通过将两个永磁体之间的参数关系设置为Hcj2*Br2*H2≤1/3*Hcj1*Br1*H1，能够提高磁性能，减小自身磁压降，提高电机性能；通过将第一磁槽距离所述磁极分界线之间的最小距离小于所述第二磁槽距离所述磁极分界线之间的最小距离，使得低矫顽力磁钢采用减小极弧系数设计，让出一部分铁芯作为磁路，减小磁阻，提升性能，同时采用这样的设计，将高矫顽力磁钢部分磁力线通过该结果在磁钢反向后直接短路，增大了调磁范围10％可达1.4倍；
3.本发明通过将第二永磁体相对于第二磁极中心线呈非对称结构分布、且偏转角度θ2方向与电机转子的旋转方向相反，能够使得第二永磁体又进一步地让出一部分铁芯作为磁路，减小磁阻，提升性能；同时在磁极分界线的位置还设置隔磁结构，能够减小所述第一永磁体漏磁，即减少高矫顽力磁钢漏磁；并且将第二磁槽与其相对的所述转子铁芯的径向外缘之间的距离L2和第一磁槽与其相对的所述转子铁芯的径向外缘之间的距离L1的关系设置为L2≤L1，能够进一步减少充磁电流大小，增大退磁电流，增大局部磁阻，引导磁力线走向，采用此方案充磁电流下降5％,退磁电流提升5％，且局部充磁饱和程度更高。
附图说明
图1是本发明的电机转子的第一种实施方式的结构示意图；
图2是本发明的电机转子的第二种实施方式的结构示意图；
图3是本发明的电机转子的第三种实施方式的结构示意图；
图4是图3中A部分的局部放大且极弧系数变化对磁力线走向影响结构图；
图5是图3中A部分的局部放大且磁场方向后磁力线走向结构图；
图6是本发明的电机转子的第四种实施方式的结构示意图；
图7是图6中B部分的局部放大示意图；
图8是本发明的电机转子的第五种实施方式的结构示意图；
图9是图8的C部分的局部放大的示意图；
图10是本发明的电机转子的第五种实施方式的替代方式结构示意图；
图11是图10的D部分的局部放大的示意图。
图中附图标记表示为：
1、转子铁芯；11、偏心部；12、台阶结构；2、第一永磁体；3、第二永磁体；31、对称轴线；4、磁极分界线；5、第一磁槽；6、第二磁槽；7、第一磁极中心线；8、第二磁极中心线；9、隔磁结构；91、凸起；a、第一端；b、第二端；c、第一前端点；d、第二前端点。
具体实施方式
如图1-11所示，本发明提供一种电机转子，其包括转子铁芯1和沿所述转子铁芯1的周向交替排布的第一永磁极和第二永磁极，所述第一永磁极包括第一永磁体2，所述第二永磁极包括第二永磁体3，且所述第一永磁体2的矫顽力高于所述第二永磁体3的矫顽力。本发明提出一种交替式混合磁钢可变磁通电机结构，该电机设计采用至少2种矫顽力的磁钢牌号(即第一永磁体和第二永磁体的矫顽力不同)，交替式排布在转子上，其中一极采用高矫顽力磁钢，另一极采用低矫顽力磁钢，由于两种矫顽力磁钢在磁回路中处于串联结构，正常运行过程中高矫顽力磁钢对低矫顽力磁钢具有保磁作用，提升了整体磁回路的等效矫顽力，提升电机退磁电流15％，保证正常运行时回路磁稳定性。
优选地，
位于同一永磁极的所述第一永磁体2呈V型或W型；和/或，位于同一永磁极的所述第二永磁体3呈V型或W型；和/或，所述第一永磁极具有第一磁极中心线7，所述第一永磁体2关于所述第一磁极中心线对称分布。如图1所示，其为第一永磁体为V型、第二永磁体为V型的结构形式(第一种实施方式)，如图2所示，其为第一永磁体为V型、第二永磁体为W型的结构形式(第二种实施方式)，如图3所示，其为第一永磁体为W型、第二永磁体为W型的结构形式(第三种实施方式)；即各磁钢均采用V-V、V-W、W-W等磁钢排布如图1-3所示。
优选地，
定义所述第一永磁体2的厚度为H1，第二永磁体3的厚度为H2，且有H2>H1，并且有：Hcj2*Br2*H2≤1/3*Hcj1*Br1*H1；
其中Hcj1、Br1分别为第一永磁体2的矫顽力和剩磁；Hcj2、Br2分别为第二永磁体3的矫顽力和剩磁。
为保证一定的退磁电流大小，低矫顽力磁钢设计尺寸较厚，且低矫顽力磁钢正常运行时磁工作点较低，磁性能差，同时自身磁压降较大，影响电机性能；因此高低矫顽力磁钢尺寸设计符合上述公式，即过将两个永磁体之间的参数关系设置为Hcj2*Br2*H2≤1/3*Hcj1*Br1*H1，能够提高磁性能，减小自身磁压降，提高电机性能在此范围内充退磁电流设计较合理的同时性能较优。
优选地，
如图3-5所示，在相邻的所述第一永磁体2和所述第二永磁体3之间存在磁极分界线4，且所述第一永磁体2所在的磁槽为第一磁槽5，所述第二永磁体3所在的磁槽为第二磁槽6，并且有所述第一磁槽5距离所述磁极分界线4之间的最小距离小于所述第二磁槽6距离所述磁极分界线4之间的最小距离。由于低矫顽力磁钢厚度较厚，整个D轴磁回路中磁阻较大，影响电机性能，通过将第一磁槽距离所述磁极分界线之间的最小距离小于所述第二磁槽距离所述磁极分界线之间的最小距离，能够使得相对于现有技术低矫顽力磁钢(即第二永磁体)更往右侧偏移，使得低矫顽力磁钢采用减小极弧系数设计，让出一部分铁芯作为磁路，减小磁阻，提升性能，同时采用这样的设计，将高矫顽力磁钢部分磁力线通过该结果在磁钢反向后直接短路，增大了调磁范围10％可达1.4倍。
优选地，
如图6所示，所述第二永磁极所占的圆心角为θ，第二永磁体3的极弧角度为θ1，且有θ1≥0.65*θ。极弧角度即第二永磁体所占据的最大圆心角，如图6，通过将θ1≥0.65*θ，即在该磁极内能够尽可能地将第二永磁体所占据的面积增大，从而增大对磁力线的磁阻，进而增大充磁性能(减小充磁电流)，降低退磁性能(减小退磁电流)，提高充磁饱和度。
优选地，
所述第二永磁极具有第二磁极中心线8，且所述第二永磁体3相对于所述第二磁极中心线8呈非对称结构分布。通过将第二永磁体相对于第二磁极中心线呈非对称结构分布、且偏转角度θ2方向与电机转子的旋转方向相反，能够使得第二永磁体又进一步地让出一部分铁芯作为磁路，减小磁阻，提升性能。
优选地，
所述第二永磁体3为轴对称结构，其对称轴线31与所述第二磁极中心线8之间存在偏转角度θ2，且所述对称轴线31相对于所述第二磁极中心线8之间的偏转角度方向与电机转子的旋转方向相反。通过将第二永磁体相对于第二磁极中心线呈非对称结构分布、且偏转角度θ2方向与电机转子的旋转方向相反，能够使得第二永磁体又进一步地让出一部分铁芯作为磁路，减小磁阻，提升性能。
优选地，
所述偏转角度满足关系：θ2≤0.15θ，其中θ为所述第二永磁极所占的圆心角。这是本发明的第二永磁体的偏转角度的优选范围，将其设置为不超过该磁极范围的0.15倍，能够防止该磁体偏转过大而造成无法对磁力线形成磁阻、进而增大退磁性能的情况发生，提高充磁性能，减小充磁性能。
优选地，
如图7所示，在相邻的所述第一永磁体2和所述第二永磁体3之间存在磁极分界线4，且所述第一永磁体2所在的磁槽为第一磁槽5，所述第二永磁体3所在的磁槽为第二磁槽6，且在所述磁极分界线4的位置还设置有能够减小所述第一永磁体2漏磁的隔磁结构9。在磁极分界线的位置还设置隔磁结构，能够减小所述第一永磁体漏磁，即起到有效减少高矫顽力磁钢漏磁的作用。
优选地，
如图7所示，所述隔磁结构9包括从所述转子铁芯1的径向外侧朝径向内部凸出开设的“>”型气隙结构，且所述气隙结构包括与所述转子铁芯1径向外缘相接的第一端a和第二端b，且定义所述第一端a与所述磁极分界线4之间的距离为H5，所述第二端b与所述磁极分界线4之间的距离为H6；
并且定义气隙结构包括朝转子铁芯径向方向内侧伸出的凸起91，所述凸起91包括第一前端点c和第二前端点d，且所述第一前端点c相对于所述第二前端点d更靠近径向内侧，所述第一前端点c与所述第二前端点d在沿所述第一永磁体2的厚度方向的距离为H3；
沿着所述第一永磁体2的长度方向、所述第一磁槽5的径向最外侧与所述第一前端点c之间的距离为H4，沿着所述第一永磁体2的厚度方向、所述第一磁槽5的靠近所述第一前端点c的一侧边与所述第一前端点c之间的距离为H，
且有：1.5*H≤H3≤5*H，H3≤H4≤1.5*H3，H5与H6不等设计，H5≤0.8H6，ab的弦长连线对应的圆心角度为0.8～0.15倍的θ，其中θ为所述第二永磁极所占的圆心角。
这是本发明的隔磁结构的进一步优选的结构形式和尺寸关系，将其设置为满足上述尺寸关系，能够最大程度地减小第一永磁体(即高矫顽力磁钢)在磁力分界线处的漏磁效果，磁钢端部漏磁，提升转子的性能。
优选地，
如图8-11所示，所述第一永磁体2所在的磁槽为第一磁槽5，所述第二永磁体3所在的磁槽为第二磁槽6，在与所述第二磁槽6相对的转子铁芯1的径向外缘以朝径向内侧的方向凹陷而形成偏心部11(如图8-9)或台阶结构12(如图10-11)。
通过该结构从而使得沿着所述第一永磁体1的长度方向、所述第一磁槽5与其相对的所述转子铁芯的径向外缘之间的距离为L1；沿着所述第二永磁体3的长度方向、所述第二磁槽6与其相对的所述转子铁芯1的径向外缘之间的距离为L2；且有L2≤L1。
采用将第二永磁体相对的转子铁芯径向外缘处切出一段铁芯结构，即在该位置形成气隙的方式，能够使得磁力线最大可能地只能从第二永磁体(低矫顽力磁钢)处穿出，如图8-11，防止从磁钢和铁芯径向外缘之间的部分穿出，增大磁力线的磁阻，增大磁钢的充磁性能，从而能够进一步减少充磁电流大小，增大退磁电流，增大局部磁阻，引导磁力线走向，采用此方案充磁电流下降5％,退磁电流提升5％，且局部充磁饱和程度更高。
本发明还提供一种电机，包括电机转子，其中所述电机转子为前任一项所述的电机转子。本发明提出一种交替式混合磁钢可变磁通电机结构，该电机设计采用至少2种矫顽力的磁钢牌号(即第一永磁体和第二永磁体的矫顽力不同)，交替式排布在转子上，其中一极采用高矫顽力磁钢，另一极采用低矫顽力磁钢，由于两种矫顽力磁钢在磁回路中处于串联结构，正常运行过程中高矫顽力磁钢对低矫顽力磁钢具有保磁作用，提升了整体磁回路的等效矫顽力，提升电机退磁电流15％，保证正常运行时回路磁稳定性；
本发明通过将两个永磁体之间的参数关系设置为Hcj2*Br2*H2≤1/3*Hcj1*Br1*H1，能够提高磁性能，减小自身磁压降，提高电机性能；通过将第一磁槽距离所述磁极分界线之间的最小距离小于所述第二磁槽距离所述磁极分界线之间的最小距离，使得低矫顽力磁钢采用减小极弧系数设计，让出一部分铁芯作为磁路，减小磁阻，提升性能，同时采用这样的设计，将高矫顽力磁钢部分磁力线通过该结果在磁钢反向后直接短路，增大了调磁范围10％可达1.4倍；
本发明通过将第二永磁体相对于第二磁极中心线呈非对称结构分布、且偏转角度θ2方向与电机转子的旋转方向相反，能够使得第二永磁体又进一步地让出一部分铁芯作为磁路，减小磁阻，提升性能；同时在磁极分界线的位置还设置隔磁结构，能够减小所述第一永磁体漏磁，即减少高矫顽力磁钢漏磁；并且将第二磁槽与其相对的所述转子铁芯的径向外缘之间的距离L2和第一磁槽与其相对的所述转子铁芯的径向外缘之间的距离L1的关系设置为L2≤L1，能够进一步减少充磁电流大小，增大退磁电流，增大局部磁阻，引导磁力线走向，采用此方案充磁电流下降5％,退磁电流提升5％，且局部充磁饱和程度更高。
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 (12)

1.一种电机转子，其特征在于：
包括转子铁芯(1)和沿所述转子铁芯(1)的周向交替排布的第一永磁极和第二永磁极，所述第一永磁极包括第一永磁体(2)，所述第二永磁极包括第二永磁体(3)，且所述第一永磁体(2)的矫顽力高于所述第二永磁体(3)的矫顽力。
2.根据权利要求1所述的电机转子，其特征在于：
位于同一永磁极的所述第一永磁体(2)呈V型或W型；和/或，位于同一永磁极的所述第二永磁体(3)呈V型或W型；和/或，所述第一永磁极具有第一磁极中心线(7)，所述第一永磁体(2)关于所述第一磁极中心线对称分布。
3.根据权利要求1或2所述的电机转子，其特征在于：
定义所述第一永磁体(2)的厚度为H1，第二永磁体(3)的厚度为H2，且有H2>H1，并且有：Hcj2*Br2*H2≤1/3*Hcj1*Br1*H1；
其中Hcj1、Br1分别为第一永磁体(2)的矫顽力和剩磁；Hcj2、Br2分别为第二永磁体(3)的矫顽力和剩磁。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的电机转子，其特征在于：
在相邻的所述第一永磁体(2)和所述第二永磁体(3)之间存在磁极分界线(4)，且所述第一永磁体(2)所在的磁槽为第一磁槽(5)，所述第二永磁体(3)所在的磁槽为第二磁槽(6)，并且有所述第一磁槽(5)距离所述磁极分界线(4)之间的最小距离小于所述第二磁槽(6)距离所述磁极分界线(4)之间的最小距离。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的电机转子，其特征在于：
所述第二永磁极所占的圆心角为θ，第二永磁体(3)的极弧角度为θ1，且有θ1≥0.65*θ。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的电机转子，其特征在于：
所述第二永磁极具有第二磁极中心线(8)，且所述第二永磁体(3)相对于所述第二磁极中心线(8)呈非对称结构分布。
7.根据权利要求6所述的电机转子，其特征在于：
所述第二永磁体(3)为轴对称结构，其对称轴线(31)与所述第二磁极中心线(8)之间存在偏转角度θ2，且所述对称轴线(31)相对于所述第二磁极中心线(8)之间的偏转角度方向与电机转子的旋转方向相反。
8.根据权利要求7所述的电机转子，其特征在于：
所述偏转角度满足关系：θ2≤0.15θ，其中θ为所述第二永磁极所占的圆心角。
9.根据权利要求1-3中任一项所述的电机转子，其特征在于：
在相邻的所述第一永磁体(2)和所述第二永磁体(3)之间存在磁极分界线(4)，且所述第一永磁体(2)所在的磁槽为第一磁槽(5)，所述第二永磁体(3)所在的磁槽为第二磁槽(6)，且在所述磁极分界线(4)的位置还设置有能够减小所述第一永磁体(2)漏磁的隔磁结构(9)。
10.根据权利要求9所述的电机转子，其特征在于：
所述隔磁结构(9)包括从所述转子铁芯(1)的径向外侧朝径向内部凸出开设的“>”型气隙结构，且所述气隙结构包括与所述转子铁芯(1)径向外缘相接的第一端(a)和第二端(b)，且定义所述第一端(a)与所述磁极分界线(4)之间的距离为H5，所述第二端(b)与所述磁极分界线(4)之间的距离为H6；
并且定义气隙结构包括朝转子铁芯径向方向内侧伸出的凸起(91)，所述凸起(91)包括第一前端点(c)和第二前端点(d)，且所述第一前端点(c)相对于所述第二前端点(d)更靠近径向内侧，所述第一前端点(c)与所述第二前端点(d)在沿所述第一永磁体(2)的厚度方向的距离为H3；
沿着所述第一永磁体(2)的长度方向、所述第一磁槽(5)的径向最外侧与所述第一前端点(c)之间的距离为H4，沿着所述第一永磁体(2)的厚度方向、所述第一磁槽(5)的靠近所述第一前端点(c)的一侧边与所述第一前端点(c)之间的距离为H，
且有：1.5*H≤H3≤5*H，H3≤H4≤1.5*H3，H5≤0.8H6，ab的弦长连线对应的圆心角度为0.8～0.15倍的θ，其中θ为所述第二永磁极所占的圆心角。
11.根据权利要求1-3中任一项所述的电机转子，其特征在于：
所述第一永磁体(2)所在的磁槽为第一磁槽(5)，所述第二永磁体(3)所在的磁槽为第二磁槽(6)，在与所述第二磁槽(6)相对的转子铁芯(1)的径向外缘以朝径向内侧的方向凹陷而形成偏心部(11)或台阶结构(12)。
12.一种电机，包括电机转子，其特征在于：所述电机转子为权利要求1至11中任一项所述的电机转子。
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