CN108880035B - 交替极电机转子和交替极电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种交替极电机转子和交替极电机。该交替极电机转子包括转子本体(1)，转子本体(1)上开设有多组安装槽(2)，安装槽(2)内安装有永磁体(3)，永磁体(3)采用切向充磁方式，相邻的永磁体(3)的相对面极性相反。根据本发明的交替极电机转子，能够减小交替极电机的永磁体用量，降低交替极电机的成本。

Description

交替极电机转子和交替极电机

技术领域

本发明属于电机设备技术领域，具体涉及一种交替极电机转子和交替极电机。

背景技术

传统永磁电机，例如8极永磁电机，其具有8个永磁体，围绕转子中心沿旋转方向布置，并且相邻的永磁体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个永磁体，因此，永磁体的工作点较高，永磁体利用不充分，稀土永磁体的价格十分昂贵，因此导致电机成本较高。

交替极永磁电机作为一种新型电机，仅具有常规永磁同步电机一半数量的永磁体，相邻的永磁体具有相同的磁化方向长度，被证明可以显著降低永磁体使用量。但是由于相邻的磁极不对称，会在运行过程中造成很大的振动。

现有技术中均是采用径向充磁方式的交替极电机，该种交替极电机永磁体用量大，因此造成交替极电机成本较高。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于提供一种交替极电机转子和交替极电机，能够减小交替极电机的永磁体用量，降低交替极电机的成本。

为了解决上述问题，本发明提供一种交替极电机转子，包括转子本体，转子本体上开设有多组安装槽，安装槽内安装有永磁体，永磁体采用切向充磁方式，相邻的永磁体的相对面极性相反。

优选地，位于相邻的两个永磁体之间的转子本体上开设有第一空气槽，第一空气槽沿轴向贯穿转子本体。

优选地，第一空气槽沿径向方向延伸，转子本体在第一空气槽的径向外周侧形成第一桥接部。

优选地，在垂直于转子本体的中心轴线的截面内，第一空气槽沿着远离中心轴线的径向方向宽度递减。

优选地，第一空气槽的径向外周壁与转子本体的径向外周壁同轴。

优选地，第一空气槽的径向外周缘的宽度为t3，第一空气槽的径向内周缘的宽度为t4，其中1＜t4/t3≤2。

优选地，永磁体的宽度为t1，t3和t4与t1之间的关系满足：t1＜(t3+t4)＜2t1。

优选地，安装槽与第一空气槽在周向方向上的相邻侧边之间的夹角为a1，安装槽为N组，a1*N/180＝0.7～0.9。

优选地，在垂直于转子本体的中心轴线的截面内，第一空气槽的径向内周侧设置有第三空气槽，第三空气槽沿周向方向延伸，并与第一空气槽径向连通。

优选地，在垂直于转子本体的中心轴线的截面内，安装槽的径向内周侧设置有第二空气槽，第二空气槽沿周向方向延伸。

优选地，当转子本体上设置有第三空气槽时，第三空气槽沿周向方向突出于第一空气槽的两侧，第二空气槽和第三空气槽至少部分位于同一圆周上，且第二空气槽与第三空气槽之间通过第二桥接部间隔开。

优选地，第二空气槽的径向宽度为t2，永磁体的宽度为t1，其中t1和t2满足t1/t2＝1～2.5。

优选地，相邻的两个永磁体之间，第二空气槽的个数为多个，多个第二空气槽沿周向间隔设置，相邻的两个第二空气槽之间设置有第二桥接部。

根据本发明的另一方面，提供了一种交替极电机，包括交替极电机转子和定子，该交替极电机转子为上述的交替极电机转子。

优选地，交替极电机转子包括第一空气槽，交替极电机转子设置在定子的内周侧，定子具有定子齿槽，当定子齿槽的径向中心线与第一空气槽的径向中心线重合时，第一空气槽的径向外周壁位于同一定子齿槽的两个径向侧壁的延长线所限定的范围内。

优选地，定子包括定子齿部，定子齿部的厚度为t5，第一空气槽的径向外周缘的宽度为t3，第一空气槽的径向内周缘的宽度为t4，其中t3、t4、t5之间满足：

0.3*(t3+t4)＜t5＜1.2*(t3+t4)。

本发明提供的交替极电机转子，包括转子本体，转子本体上开设有多组安装槽，安装槽内安装有永磁体，永磁体采用切向充磁方式，相邻的永磁体的相对面极性相反。该电机转子采用切向充磁的永磁体形成切向式永磁电机，可以具有“聚磁”效果，较径向式结构能够产生更高的气隙磁密，使得电机具有更大的转矩/电流比。由于永磁体在周向两侧形成不同的磁极，相邻的永磁体的相对面极性相反，因此可以形成交替极结构，由于在永磁体两侧形成相同的磁极，因此可以完全消除运行过程中磁极不对称造成的振动问题，同时由于一块永磁体分别向两侧提供磁动势，因此相比现有的交替极电机，可以节省永磁体数量，降低永磁体成本，进而降低交替极电机成本。

附图说明

图1为本发明实施例的交替极电机转子的结构示意图；

图2为本发明实施例的交替极电机的结构示意图；

图3为t1/t2对电机的性能影响关系图；

图4为t4/t3对电机的电磁转矩影响关系图；

图5为(t3+t4)/t1对电机的电磁转矩的影响关系图；

图6为电机的第一空气槽端部范围对电磁转矩的影响关系图；

图7为本发明实施例的交替极电机与现有交替极电机的永磁体用量对比图。

附图标记表示为：

1、转子本体；2、安装槽；3、永磁体；4、第一空气槽；5、第一桥接部；6、第二空气槽；7、第三空气槽；8、第二桥接部；9、定子齿槽；10、定子齿部。

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，交替极电机转子包括转子本体1，转子本体1由软磁材料切片叠压而成，转子本体1上开设有多组安装槽2，安装槽2内安装有永磁体3，永磁体3采用切向充磁方式，相邻的永磁体3的相对面极性相反。

该电机转子采用切向充磁的永磁体3形成切向式永磁电机，可以具有“聚磁”效果，较径向式结构能够产生更高的气隙磁密，使得电机具有更大的转矩/电流比，因此可以用较少的永磁体用量实现相同的输出转矩。由于永磁体3在周向两侧形成不同的磁极，相邻的永磁体3的相对面极性相反，因此可以形成交替极结构，由于在永磁体3两侧形成相同的磁极，因此可以完全消除运行过程中磁极不对称造成的振动问题，同时由于一块永磁体3分别向两侧提供磁动势，因此相比现有的交替极电机，可以节省永磁体数量，降低永磁体3的成本，进而降低交替极电机成本。

在本实施例中，电机转子上有6个磁极，由3个永磁体产生。通过进行仿真模拟，该电机转子所形成的交替极电机，在与现有径向式充磁交替极电机保持同样的输出转矩时，本发明样机的永磁体用量减少10％。

在垂直于电机转子的中心轴线的截面内，安装槽2的设置方向为沿径向延伸，并且安装槽2的径向对分线的延伸线经过电机转子的中心轴线，从而使得位于安装槽2内的永磁体3在进行充磁时，能够完全沿切向方向充磁，形成切向充磁方式的交替极电机。

位于相邻的两个永磁体3之间的转子本体1上开设有第一空气槽4，第一空气槽4沿轴向贯穿转子本体1。转子本体1由软磁材料切片叠压而成，第一空气槽4开设在软磁材料上，可以有效避免相邻的永磁体3发生短路，保证电机能够正常工作，通过设置第一空气槽4可以极大地提升电机的电磁转矩。

优选地，第一空气槽4沿径向方向延伸，转子本体1在第一空气槽4的径向外周侧形成第一桥接部5。第一空气槽4沿着径向方向延伸，且第一空气槽4的径向内周壁所在的圆周小于或者等于安装槽3的径向内周壁所在的圆周，第一空气槽4的径向外周壁所在的圆周大于或等于安装槽3的径向外周壁所在的圆周，从而保证第一空气槽4能够有效切断相邻永磁体3之间经过软磁材料的大部分磁力线，避免相邻永磁体3之间的永磁体3存在较大的短路部分，保证相邻永磁体3之间的电磁转矩。在第一空气槽4的径向外周侧形成第一桥接部5，能够对位于第一空气槽4两侧的软磁材料进行连接，增强电机转子的整体结构强度，提高电机转子的结构稳定性。

在垂直于转子本体1的中心轴线的截面内，第一空气槽4沿着远离中心轴线的径向方向宽度递减。由于绝大多数磁力线会从转子进入定子，因此转子外周缘处的磁密明显大于转子中心处的磁密，因此空气槽4沿着远离中心轴线的径向方向宽度递减的形状特征会给转子外周缘处的磁力线提供更大的分布空间，减少磁密饱和的发生。

第一空气槽4的径向外周壁与转子本体1的径向外周壁同轴，可以使得第一桥接部5的径向厚度相同，从而使得第一桥接部5的漏磁结构稳定，电机转子的磁极对称效果更佳。

第一空气槽4的径向外周缘的宽度为t3，第一空气槽(4)的径向内周缘的宽度为t4，其中1＜t4/t3≤2。研究表明，当t4的厚度小于t3时，磁极靠近电机转子外周缘的部分会发生磁饱和现象，不利于电磁转矩的产生，当t4的厚度大于2*t3时，磁极靠近转子内周缘的部分会发生局部饱和，当两者的厚度关系在上述范围内时比较合适，如图4所示。

优选地，永磁体3的宽度为t1，t3和t4与t1之间的关系满足：t1＜(t3+t4)＜2t1。研究表明，当(t3+t4)>2*t1时，第一空气槽4隔磁的效果提升已不明显，继续增大会减弱转子机械强度，当t3+t4<t1时，第一空气槽4的隔磁效果太差，不足以防止磁通短路，当t1、t3、t4的厚度满足上述关系时效果最好，如图5所示。

安装槽2与第一空气槽4在周向方向上的相邻侧边之间的夹角为a1，安装槽2为N组，a1*N/180＝0.7～0.9。a1*N/180表征了磁极张角的标幺值，这个值过大，无法形成较强的磁场，导致电磁转矩较小。这个值过小，导致很多磁力线不能通过气隙进入定子齿部，同样会导致电磁转矩过小，经过验证，标幺值取值在0.7～0.9范围最好。

在垂直于转子本体1的中心轴线的截面内，第一空气槽4的径向内周侧设置有第三空气槽7，第三空气槽7沿周向方向延伸，并与第一空气槽4径向连通。该第三空气槽7能够进一步加大相邻两个永磁体3之间的空气槽的径向长度，形成更加有效的隔磁效果，降低电磁短路对电机电磁转矩所造成的不利影响。

优选地，第三空气槽7的周向长度大于与其连接位置处的第二空气槽7的周向长度，从而可以在第二空气槽7的周向方向的两侧形成隔磁槽，进一步防止永磁体3的端部漏磁。

在垂直于转子本体1的中心轴线的截面内，安装槽2的径向内周侧设置有第二空气槽6，第二空气槽6沿电机转子的周向方向延伸。一般而言，切向充磁的永磁体端部漏磁比较严重，通过设置第二空气槽6形成隔磁槽，可以有效限制永磁体3的端部漏磁，提升电磁转矩。优选地，相邻的两个第二空气槽6之间通过第二桥接部8隔开，从而可以通过第二桥接部8对第二空气槽6周向两侧的软磁材料形成连接，保证整个转子冲片的机械强度，并且限制永磁体3的端部漏磁。

当转子本体1上设置有第三空气槽7时，第三空气槽7沿周向方向突出于第一空气槽4的两侧，第二空气槽6和第三空气槽7至少部分位于同一圆周上，且第二空气槽6与第三空气槽7之间通过第二桥接部8间隔开。

第二空气槽6和第三空气槽7相配合，能够进一步降低永磁体3的端部漏磁，提高电机的工作性能。同时第二桥接部8的存在，又能够保证位于不同区域的软磁材料之间的连接强度，保证电机转子的整体结构强度和稳定性。

第二空气槽6的径向宽度为t2，永磁体3的宽度为t1，其中t1和t2满足t1/t2＝1～2.5。研究表明，当t1/t2<1时，第二空气槽6隔磁的效果提升已不明显，继续增大t2会减弱转子机械强度，当t1/t2>2.5时，第二空气槽6的隔磁效果太差，不足以防止磁通短路，当t1、t2的厚度满足上述关系时效果最好，两者之间的关系对电机性能的影响如图3所示。

相邻的两个永磁体3之间，第二空气槽6的个数为多个，多个第二空气槽6沿周向间隔设置，相邻的两个第二空气槽6之间设置有第二桥接部8。多个第二桥接部8更加有利于提升电机转子的机械强度。

结合参见图2所示，根据本发明的实施例，交替极电机包括交替极电机转子和定子，该交替极电机转子为上述的交替极电机转子。

交替极电机转子包括第一空气槽4，交替极电机转子设置在定子的内周侧，定子具有定子齿槽9，当定子齿槽9的径向中心线与第一空气槽4的径向中心线重合时，第一空气槽4的径向外周壁位于同一定子齿槽9的两个径向侧壁的延长线所限定的范围内。当超出如图2所示的径向侧壁的延长线所限定的范围时，定子齿部10的局部饱和区域会增加，电磁转矩急剧下降，同时电机发热也会严重，效果对比如图6。通过对第一空气槽4的径向外周壁的长度进行限制，能够降低定子齿部10的局部饱和区域，提高电机的电磁转矩，降低电机的发热，提高电机的工作性能。

定子包括定子齿部10，定子齿部10的厚度为t5，第一空气槽4的径向外周缘的宽度为t3，第一空气槽4的径向内周缘的宽度为t4，其中t3、t4、t5之间满足：

0.3*(t3+t4)＜t5＜1.2*(t3+t4)。

研究表明，当t5/(t3+t4)的值过大时，那么第一空气槽4将会阻挡磁力线进入相邻的两个定子齿部10进行匝链产生转矩，电磁转矩降低，当比值过小的时候，第一空气槽4两侧属于不同的磁极，如果第一空气槽4正好对着一个定子齿部10，那么会有很多磁力线短路而不会进入定子，削弱电磁转矩，对电磁转矩造成不利影响。本申请的上述结构可以很好地解决这一问题。

结合参见图7所示，通过采用本申请的上述方案，相比于常规永磁同步电机减少了30％的永磁体使用量，相比于径向充磁交替极电机，减少了8％的永磁体使用量，显著降低了电机的成本。

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 (15)

1.一种交替极电机转子，其特征在于，包括转子本体(1)，所述转子本体(1)上开设有多组安装槽(2)，所述安装槽(2)内安装有永磁体(3)，所述永磁体(3)采用切向充磁方式，相邻的所述永磁体(3)的相对面极性相反；在垂直于所述转子本体(1)的中心轴线的截面内，所述安装槽(2)的径向内周侧设置有第二空气槽(6)，所述第二空气槽(6)沿周向方向延伸。

2.根据权利要求1所述的交替极电机转子，其特征在于，位于相邻的两个所述永磁体(3)之间的所述转子本体(1)上开设有第一空气槽(4)，所述第一空气槽(4)沿轴向贯穿所述转子本体(1)。

3.根据权利要求2所述的交替极电机转子，其特征在于，所述第一空气槽(4)沿径向方向延伸，所述转子本体(1)在所述第一空气槽(4)的径向外周侧形成第一桥接部(5)。

4.根据权利要求2所述的交替极电机转子，其特征在于，在垂直于所述转子本体(1)的中心轴线的截面内，所述第一空气槽(4)沿着远离所述中心轴线的径向方向宽度递减。

5.根据权利要求4所述的交替极电机转子，其特征在于，所述第一空气槽(4)的径向外周壁与所述转子本体(1)的径向外周壁同轴。

6.根据权利要求4所述的交替极电机转子，其特征在于，所述第一空气槽(4)的径向外周缘的宽度为t3，所述第一空气槽(4)的径向内周缘的宽度为t4，其中1＜t4/t3≤2。

7.根据权利要求4所述的交替极电机转子，其特征在于，所述永磁体(3)的宽度为t1，t3和t4与t1之间的关系满足：t1＜(t3+t4)＜2t1。

8.根据权利要求2所述的交替极电机转子，其特征在于，所述安装槽(2)与所述第一空气槽(4)在周向方向上的相邻侧边之间的夹角为a1，所述安装槽(2)为N组，a1*N/180＝0.7～0.9。

9.根据权利要求2所述的交替极电机转子，其特征在于，在垂直于所述转子本体(1)的中心轴线的截面内，所述第一空气槽(4)的径向内周侧设置有第三空气槽(7)，所述第三空气槽(7)沿周向方向延伸，并与所述第一空气槽(4)径向连通。

10.根据权利要求2至9中任一项所述的交替极电机转子，其特征在于，当所述转子本体(1)上设置有第三空气槽(7)时，所述第三空气槽(7)沿周向方向突出于所述第一空气槽(4)的两侧，所述第二空气槽(6)和所述第三空气槽(7)至少部分位于同一圆周上，且所述第二空气槽(6)与所述第三空气槽(7)之间通过第二桥接部(8)间隔开。

11.根据权利要求1至9中任一项所述的交替极电机转子，其特征在于，所述第二空气槽(6)的径向宽度为t2，所述永磁体(3)的宽度为t1，其中t1和t2满足t1/t2＝1～2.5。

12.根据权利要求1至9中任一项所述的交替极电机转子，其特征在于，相邻的两个所述永磁体(3)之间，所述第二空气槽(6)的个数为多个，多个第二空气槽(6)沿周向间隔设置，相邻的两个所述第二空气槽(6)之间设置有第二桥接部(8)。

13.一种交替极电机，包括交替极电机转子和定子，其特征在于，所述交替极电机转子为权利要求1至12中任一项所述的交替极电机转子。

14.根据权利要求13所述的交替极电机，其特征在于，所述交替极电机转子包括第一空气槽(4)，所述交替极电机转子设置在所述定子的内周侧，所述定子具有定子齿槽(9)，当所述定子齿槽(9)的径向中心线与所述第一空气槽(4)的径向中心线重合时，所述第一空气槽(4)的径向外周壁位于同一所述定子齿槽(9)的两个径向侧壁的延长线所限定的范围内。

15.根据权利要求14所述的交替极电机，其特征在于，所述定子包括定子齿部(10)，所述定子齿部(10)的厚度为t5，所述第一空气槽(4)的径向外周缘的宽度为t3，所述第一空气槽(4)的径向内周缘的宽度为t4，其中t3、t4、t5之间满足：

0.3*(t3+t4)＜t5＜1.2*(t3+t4)。