CN109067040A - 不等极弧系数电机转子结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种不等极弧系数电机转子结构，包括转子铁芯以及多对转子磁极，所述转子铁芯设有用于与转轴连接的轴孔，所述转子铁芯的轴向端面上设有多个永磁体安装槽，多个永磁体安装槽环圆周分布，并相互间隔开设定距离，各永磁体安装槽中均安装有转子磁极永磁体，一对极内的两个转子磁极的极弧系数不等。其能产生高转矩以及低转矩波动，能够满足应用在电动车上的永磁同步电机对转矩波动大小的要求。

Description

不等极弧系数电机转子结构
技术领域
本发明涉及电机领域，特别涉及一种不等极弧系数电机转子结构。
背景技术
电机转子是产生磁场的机械结构。而为了产生磁场可在电机转子上设计绕组并通电，或直接装永磁体产生磁场。永磁同步电机即转子内置或外贴永磁体，利用永磁体的特性直接产生磁场。内置式永磁体形状一般为“一”字形、“V”字形、“V+一”形，参见图1。
在现有使用的电机转子结构中，存在电机功率密度低、产生转矩小、转矩波动大、噪声大等问题。而应用在电动车上的永磁同步电机对噪音和转矩大小及转矩波动要求是很高的，若转矩达不到要求或转矩波动大导致噪音大都会造成用户不满意。
为解决上述问题，目前常用的方法是转子分段斜极、斜槽，但该运用会导致后续制造、装配复杂。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术对应的不足，提供一种不等极弧系数电机转子结构，其能产生高转矩以及低转矩波动，能够满足应用在电动车上的永磁同步电机对转矩波动大小的要求。
本发明的目的是采用下述方案实现的：一种不等极弧系数电机转子结构，包括转子铁芯以及设置在转子铁芯内的多对转子磁极，所述转子铁芯设有用于与转轴连接的轴孔，所述转子铁芯的轴向端面上设有多个永磁体安装槽，多个永磁体安装槽环圆周分布，并相互间隔开设定距离，各永磁体安装槽中均安装有转子磁极永磁体，一对极内的两个转子磁极的极弧系数不等。极弧系数是极弧宽度bi与极距τ的比值。一对磁极内的两个磁极极性相反。永磁体安装槽数与设计的极数相对应，如4极、6极、8极，其对应的极对数为2、3、4。
本发明在于在定、转子磁密尚未达到饱和时工字形永磁体可适当增加磁密并使磁密均匀化减小转矩波动。采用不等极弧系数时，齿槽转矩为永磁体剩磁密度的傅里叶分解为傅里叶分解中的式中，La为铁心长度，R1、R2分别为转子外径和定子内径，为永磁体剩磁密度nz/p次傅里叶分解,αp为极弧系数，z为定子槽数，p为极对数，n为使nz/p为整数的整数。根据公式知永磁体剩磁密度的nz/p次傅里叶分解对齿槽转矩影响较大，因此可通过不等极弧系数减小永磁体剩磁密度的nz/p次傅里叶分解来减小转矩波动。
所述转子磁极永磁体包括第一永磁体和第二永磁体，所述第一永磁体与第二永磁体之间通过连接部连接，使转子磁极永磁体的横截面呈工字形的对称结构；所述转子磁极永磁体的第一永磁体远离转子铁芯的圆心，第二永磁体靠近转子铁芯的圆心。
所述转子磁极永磁体的第一永磁体和第二永磁体均为矩形块，所述转子磁极永磁体的第一永磁体与第二永磁体的长度L相同，所述转子磁极永磁体的第一永磁体与第二永磁体的宽度不同，所述第一永磁体与第二永磁体相互平行；所述转子磁极永磁体的连接部采用第三永磁体。第三永磁体的长度与第一永磁体、第二永磁体的长度相同，厚度为δ，δ值在尽量小的情况下满足强度要求即可。
所述转子磁极永磁体的第一永磁体与第二永磁体的厚度不同；所述转子磁极永磁体的第一永磁体的厚度δ1小于第二永磁体的厚度δ2。根据离心力公式F＝mrw2知离心力与质量成正比，因此厚度越小则其质量越小，相对应的离心力越小，因此厚度δ1小于δ2。
所述转子磁极永磁体的第一永磁体的宽度H1小于第二永磁体的宽度H2。不等宽度永磁体在定、转子磁密尚未达到饱和时可适当增加磁密并使磁密更均匀化，根据离心力计算公式，设计时尽量使远离圆心端永磁体质量小。
一对极内的两转子磁极永磁体的第一永磁体对应极弧宽度不等，一对极内的两转子磁极永磁体的第二永磁体对应极弧宽度不等。
所述永磁体安装槽的形状为工字形的对称结构，沿转子铁芯轴向延伸，与安装在其内的转子磁极永磁体的形状相配合；永磁体安装槽沿转子铁芯轴向延伸贯穿转子铁芯；永磁体与永磁体安装槽为小间隙配合并通过胶水粘接固定。磁钢安装前在永磁体安装槽中灌胶水。
所述永磁体安装槽包括用于与转子磁极永磁体的第一永磁体配合的第一安装槽和用于与转子磁极永磁体的第二永磁体配合的第二安装槽以及位于第一安装槽与第二安装槽之间并分别与第一安装槽、第二安装槽连通的第三安装槽，形成工字形的永磁体安装槽；第三安装槽用于与转子磁极永磁体的连接部配合；所述第一安装槽、第二安装槽的左右两边槽口形状没有限定，在隔磁桥宽度尽可能小的情况下只要使隔磁桥宽度满足强度要求即可。
所述永磁体安装槽设置在转子铁芯的轴向端面靠近外圆周处，且沿周向均匀间隔分布。
转子的每对磁极的结构相同，转子的每对磁极内的两个转子磁极的极弧系数不等。
本发明具有的优点是：
1.由于本发明将转子结构的一对极内A、B磁极所对极弧宽度不等，则A、B磁极所对应的极弧系数不等。永磁体剩磁对转矩波动影响较大，通过不等极弧系数使永磁体剩磁的傅里叶分解nz/p(z为定子槽数，p为极对数，n为使nz/p为整数的整数)次达到最小，从而减小转矩波动。因此本发明可以根据这个原理，在设计中，先确定一对极内一个磁极的极弧系数，然后令永磁体剩磁的nz/p次傅里叶分解为零计算另一个磁极的极弧系数，将这两个极弧系数、配合使用。如此设计，转子未分段，不需要分段装，简化了转子叠压装配工艺。
2.由于本发明将转子磁极永磁体和永磁体安装槽做成工字形，相当于两层永磁体，在磁场未饱和时适当增大磁场的同时使磁密均匀化从而减小转矩波动。
3.由于本发明将工字形转子磁极永磁体根据离心力大小设计为远离圆心端所对永磁体薄，靠近圆心端所对永磁体厚。根据离心力公式F＝mrw2知离心力与质量成正比，因此厚度越小则其质量越小，相对应的离心力越小。靠近和远离圆心的两永磁体通过厚为δ的一小段永磁体连接作为一个永磁体整体。本发明不仅将离心力因素考虑进去，同时将两层永磁体连在一起作为一个整体，在装配时只需要装一次，简化后续装配工艺。
4.第一永磁体的宽度H1小于第二永磁体的宽度H2；不等宽度永磁体在定、转子磁密尚未达到饱和时可适当增加磁密并使磁密更均匀化，根据离心力计算公式，设计时尽量使远离圆心端永磁体质量小。
总之，跟现有技术相比，本发明的结构和工艺简单，能很好的解决转矩波动大，噪音大等问题，根据前面所述知其能低转矩波动，能够满足应用在电动车上的永磁同步电机对转矩波动大小的要求。
附图说明
图1为现有电机转子结构示意图；
图2为本发明的不等极弧系数电机转子结构的立体图；
图3为本发明的不等极弧系数电机转子结构示意图；
图4为本发明的转子铁芯的结构示意图；
图5为本发明的永磁体的结构示意图；
图6为图5的俯视图。
附图中，1为转子磁极永磁体，11第一永磁体，12为第二永磁体，13为连接部，2为转子铁芯，21为永磁体安装槽，211为第一安装槽，212为第二安装槽，213为第三安装槽，214为隔磁桥，22为轴孔。
具体实施方式
参见图2至图5，一种不等极弧系数电机转子结构，包括转子铁芯2以及设置在转子铁芯内的多对转子磁极，所述转子铁芯设有用于与转子轴连接的轴孔22，所述转子铁芯的轴向端面上设有多个永磁体安装槽21，多个永磁体安装槽环圆周分布，并相互间隔开设定距离，各永磁体安装槽中均安装有转子磁极永磁体1，一对极内的两个转子磁极的极弧系数不等。极弧系数是极弧宽度bi与极距τ的比值。一对磁极内的两个磁极极性相反。永磁体安装槽数与设计的极数相对应，如4极、6极、8极，其对应的极对数为2、3、4。
所述转子磁极永磁体1包括第一永磁体11和第二永磁体12，所述第一永磁体与第二永磁体之间通过连接部13连接，使转子磁极永磁体的横截面呈工字形的对称结构；所述转子磁极永磁体的第一永磁体远离转子铁芯的圆心，第二永磁体靠近转子铁芯的圆心。
所述转子磁极永磁体的第一永磁体和第二永磁体均为矩形块，所述转子磁极永磁体的第一永磁体与第二永磁体的长度相同，所述转子磁极永磁体的第一永磁体与第二永磁体的宽度不同，所述第一永磁体与第二永磁体相互平行；所述转子磁极永磁体的连接部采用第三永磁体，第三永磁体的长度与第一永磁体、第二永磁体的长度相同，厚度为δ；
所述转子磁极永磁体的第一永磁体与第二永磁体的厚度不同；所述转子磁极永磁体的第一永磁体的厚度δ1小于第二永磁体的厚度δ2。根据离心力公式F＝mrw2知离心力与质量成正比，因此厚度越小则其质量越小，相对应的离心力越小，因此厚度δ1小于δ2。
所述转子磁极永磁体的第一永磁体的宽度H1小于第二永磁体的宽度H2。不等宽度永磁体在定、转子磁密尚未达到饱和时可适当增加磁密并使磁密更均匀化，根据离心力计算公式，设计时尽量使远离圆心端永磁体质量小。
一对极内两个磁极的第一永磁体对应极弧宽度不等，一对极内两个磁极的第二永磁体对应极弧宽度不等。本结构一对极内分A、B两磁极。如参见图3所示，极弧宽度bi1与极弧宽度bi3不等，极弧宽度bi2与极弧宽度bi4不等，极弧宽度不等则相对应的极弧系数不等。
永磁体剩磁对转矩波动影响较大，通过不等极弧系数使永磁体剩磁的傅里叶分解nz/p(z为定子槽数，p为极对数，n为使nz/p为整数的整数)次达到最小，从而减小转矩波动。根据这个原理，在设计中，先确定一对极内一个磁极的极弧系数，然后令永磁体剩磁的nz/p次傅里叶分解为零计算另一个磁极的极弧系数，将这两个极弧系数、配合使用。如此设计，转子未分段，不需要分段装，简化了转子叠压装配工艺。
转子磁极永磁体做成工字形，相当于两层永磁体，在磁场未饱和时适当增大磁场的同时使磁密均匀化从而减小转矩波动。同时两层永磁体连在一起作为一个整体，在装配时只需要装一次，简化后续装配工艺。
所述永磁体安装槽的形状为工字形的对称结构，沿转子铁芯轴向延伸，与安装在其内的转子磁极永磁体的形状相配合；永磁体安装槽沿转子铁芯轴向延伸贯穿转子铁芯；永磁体与永磁体安装槽为小间隙配合并通过胶水粘接固定。永磁体安装前在永磁体安装槽中灌胶水。
所述永磁体安装槽21包括用于与转子磁极永磁体的第一永磁体配合的第一安装槽211和用于与转子磁极永磁体的第二永磁体配合的第二安装槽212以及位于第一安装槽与第二安装槽之间并分别与第一安装槽、第二安装槽连通的第三安装槽213，形成工字形的永磁体安装槽；第三安装槽用于与转子磁极永磁体的连接部配合；所述第一安装槽、第二安装槽的左右两边槽口形状不定，在隔磁桥宽度尽可能小的情况下只要使隔磁桥214满足强度要求即可。
所述永磁体安装槽设置在转子铁芯的轴向端面靠近外圆周处，且沿周向均匀间隔分布。
当转子设有多对磁极时，转子的每对磁极的结构相同，转子的每对磁极内的两个转子磁极永磁体A、B的极弧系数不等。本实施例的转子设置四对磁极，Ⅰ对极内A、B磁极对应极弧系数不等，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ组槽同Ⅰ组槽一样。
本发明在于在定、转子磁密尚未达到饱和时工字形永磁体可适当增加磁密并使磁密均匀化减小转矩波动，不等极弧系数通过减小永磁体剩磁nz/p次傅里叶分解来减小转矩波动。
采用不等极弧系数时，齿槽转矩永磁体剩磁密度的傅里叶分解为傅里叶分解中的式中，La为铁心长度，R1、R2分别为转子外径和定子内径，为永磁体剩磁密度nz/p次傅里叶分解,αp为极弧系数，z为定子槽数，p为极对数，n为使nz/p为整数的整数。永磁体剩磁对转矩波动影响较大，通过不等极弧系数使永磁体剩磁的傅里叶分解nz/p次达到最小，从而减小转矩波动。根据这个原理，在设计中，先确定一对极内一个磁极的极弧系数，然后令永磁体剩磁的nz/p次傅里叶分解为零计算另一个磁极的极弧系数，将这两个极弧系数、配合使用。如6极30槽电机，的10k(k为整数)次傅里叶分解对齿槽转矩有影响，使Br12k趋于零。设一个磁极的极弧系数αp1为0.8,令Br10k＝0，即求得αp2＝0.6。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种不等极弧系数电机转子结构，其特征在于：包括转子铁芯以及多对转子磁极，所述转子铁芯设有用于与转轴连接的轴孔，所述转子铁芯的轴向端面上设有多个永磁体安装槽，多个永磁体安装槽环圆周分布，并相互间隔开设定距离，各永磁体安装槽中均安装有转子磁极永磁体，一对极内的两个转子磁极的极弧系数不等。
2.根据权利要求1所述的不等极弧系数电机转子结构，其特征在于：所述转子磁极永磁体包括第一永磁体和第二永磁体，所述第一永磁体与第二永磁体之间通过连接部连接，使转子磁极永磁体的横截面呈工字形的对称结构；所述转子磁极永磁体的第一永磁体远离转子铁芯的圆心，第二永磁体靠近转子铁芯的圆心。
3.根据权利要求2所述的不等极弧系数电机转子结构，其特征在于：所述转子磁极永磁体的第一永磁体和第二永磁体均为矩形块，所述转子磁极永磁体的第一永磁体与第二永磁体的长度L相同，所述转子磁极永磁体的第一永磁体与第二永磁体的宽度不同，所述第一永磁体与第二永磁体相互平行；所述转子磁极永磁体的连接部采用第三永磁体。
4.根据权利要求2所述的不等极弧系数电机转子结构，其特征在于：所述转子磁极永磁体的第一永磁体与第二永磁体的厚度不同；所述转子磁极永磁体的第一永磁体的厚度δ1小于第二永磁体的厚度δ2。
5.根据权利要求2所述的不等极弧系数电机转子结构，其特征在于：所述转子磁极永磁体的第一永磁体的宽度H1小于第二永磁体的宽度H2。
6.根据权利要求2或5所述的不等极弧系数电机转子结构，其特征在于：一对极内的两转子磁极永磁体的第一永磁体对应极弧宽度不等，一对极内的两转子磁极永磁体的第二永磁体对应极弧宽度不等。
7.根据权利要求2所述的不等极弧系数电机转子结构，其特征在于：所述永磁体安装槽的形状为工字形的对称结构，沿转子铁芯轴向延伸，与安装在其内的转子磁极永磁体的形状相配合；永磁体安装槽沿转子铁芯轴向延伸贯穿转子铁芯；永磁体与永磁体安装槽为小间隙配合并通过胶水粘接固定。
8.根据权利要求7所述的不等极弧系数电机转子结构，其特征在于：所述永磁体安装槽包括用于与转子磁极永磁体的第一永磁体配合的第一安装槽和用于与转子磁极永磁体的第二永磁体配合的第二安装槽以及位于第一安装槽与第二安装槽之间并分别与第一安装槽、第二安装槽连通的第三安装槽，形成工字形的永磁体安装槽；第三安装槽用于与转子磁极永磁体的连接部配合；所述第一安装槽、第二安装槽的左右两边槽口形状不定，在隔磁桥宽度尽可能小的情况下只要满足隔磁桥位置强度要求即可。
9.根据权利要求1所述的不等极弧系数电机转子结构，其特征在于：所述永磁体安装槽设置在转子铁芯的轴向端面靠近外圆周处，且沿周向均匀间隔分布。
10.根据权利要求1所述的不等极弧系数电机转子结构，其特征在于：转子的每对磁极的结构相同，转子的每对磁极内的两个转子磁极的极弧系数不等。
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