CN110380539A - 转子组件和交替极电机 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种转子组件和交替极电机。该转子组件包括转子铁芯(1)，转子铁芯(1)包括沿周向交替排布的永磁极和交替极，永磁极包括安装槽(2)，安装槽(2)内安装有永磁体(3)，永磁体(3)面向转子铁芯(1)外周缘的极性为同一极性，安装槽(2)的两端分别设置有第二空气槽(5)，磁极中心线的两侧分别设置有第一空气槽(4)，第一空气槽(4)位于第二空气槽(5)和磁极中心线之间靠近第二空气槽(5)的一侧，第一空气槽(4)的径向外侧壁与靠近磁极中心线的第一槽壁之间形成锐角尖端，锐角尖端向磁极中心线聚拢。根据本申请的转子组件，能够有效抑制永磁体磁通面积设计过大引起的电磁转矩下降，提高电机性能。

Description

转子组件和交替极电机

技术领域

本申请涉及电机技术领域，具体涉及一种转子组件和交替极电机。

背景技术

交替极永磁同步电机使用的永磁体数量仅为传统永磁同步电机永磁体数量的一半，因此，其对永磁体的利用更加充分，可以显著降低永磁体使用量，从而降低电机成本。

但是其特殊的磁路结构也带来了很多问题，包括永磁体使用量减少带来的输出转矩下降、相邻磁极结构不对称导致转矩波动增加的问题，限制了交替极电机的进一步推广应用。

在一般电机设计过程中，传统的观念是在极靴上存在的空气槽越少，电机的电磁转矩越大，因为空气槽的磁阻远远大于硅钢片材料的磁阻，同样的磁动势下产生更少的磁力线，在现有技术中，为了提升交替极电机的转矩能力，一般不在极靴上设置空气槽。

现有技术中针对交替极电机提升转矩的做法有两种，一种是增加交替极电机永磁体的磁通面积，另一种是通过增加隔磁桥限制永磁体端部的漏磁，均是属于常规手段的范畴。当永磁体磁通面积设计过大会使磁力线进入非工作齿靴，反而会使转矩下降，影响电机的工作性能。

发明内容

因此，本申请要解决的技术问题在于提供一种转子组件和交替极电机，能够有效抑制永磁体磁通面积设计过大引起的电磁转矩下降，提高电机性能。

为了解决上述问题，本申请提供一种转子组件，包括转子铁芯，转子铁芯包括沿周向交替排布的永磁极和交替极，永磁极包括安装槽，安装槽内安装有永磁体，永磁体面向转子铁芯外周缘的极性为同一极性，安装槽的两端分别设置有第二空气槽，磁极中心线的两侧分别设置有第一空气槽，第一空气槽位于第二空气槽和磁极中心线之间靠近第二空气槽的一侧，第一空气槽的径向外侧壁与靠近磁极中心线的第一槽壁之间形成锐角尖端，锐角尖端向磁极中心线聚拢。

优选地，位于磁极中心线两侧的第一槽壁呈八字形，且沿着远离转子铁芯的中心轴线的径向，两个第一槽壁之间的间距递减。

优选地，沿着远离转子铁芯的中心轴线的径向，第一空气槽的周向宽度递增。

优选地，两个第一槽壁之间的夹角为a10，其中a10＝5°～10°。

优选地，在垂直于转子铁芯的中心轴线的平面内，两个第一空气槽的周向外侧壁靠近永磁体的两个端点之间的距离为w1，永磁体的周向宽度为wm，其中w1/wm＝0.7～0.9。

优选地，第二空气槽包括从槽本体向磁极中心线延伸的延伸部，延伸部与第一空气槽沿周向间隔设置。

优选地，在垂直于转子铁芯的中心轴线的平面内，第一空气槽的两个周向外侧壁之间的夹角为a11，两个延伸部的径向外边缘靠近磁极中心线的端点与转子铁芯的中心的连线所形成的夹角为a21，其中a11/a21＝0.3～0.5。

优选地，在垂直于转子铁芯的中心轴线的平面内，两个延伸部的径向外边缘靠近磁极中心线的端点与转子铁芯的中心的连线所形成的夹角为a21，位于交替极两侧的两个第二空气槽，其靠近交替极中心线的侧壁的径向外端点与转子铁芯的中心的连线所形成的夹角为a22，其中a22/a21＝0.7～0.9。

优选地，在垂直于转子铁芯的中心轴线的平面内，位于交替极两侧的两个第二空气槽，其靠近交替极中心线的侧壁的径向外端点与转子铁芯的中心的连线所形成的夹角为a22，其径向外边缘靠近交替极中心线的端点与转子铁芯的中心的连线所形成的夹角为a23，其中a23/a22＝0.9～1.3。

优选地，在同一永磁极内，第二空气槽的径向外周壁与周向外周壁的相交位置形成斜切角，斜切角的径向厚度为t23，第二空气槽的径向厚度为t2，其中t2/t23＝0.2～0.5。

优选地，第一空气槽为两个，两个第一空气槽关于磁极中心线对称。

根据本申请的另一方面，提供了一种交替极电机，包括转子组件和定子组件，该转子组件为上述的转子组件。

本申请提供的转子组件，包括转子铁芯，转子铁芯包括沿周向交替排布的永磁极和交替极，永磁极包括安装槽，安装槽内安装有永磁体，永磁体面向转子铁芯外周缘的极性为同一极性，安装槽的两端分别设置有第二空气槽，磁极中心线的两侧分别设置有第一空气槽，第一空气槽位于第二空气槽和磁极中心线之间靠近第二空气槽的一侧，第一空气槽的径向外侧壁与靠近磁极中心线的第一槽壁之间形成锐角尖端，锐角尖端向磁极中心线聚拢。转子组件的转子铁芯上在磁极中心线两侧设置第一空气槽，且第一空气槽的锐角尖端向磁极中心线聚拢，能够在极靴设置磁束引导槽，对从永磁体发出的磁力线进行调节，限制永磁体磁力线向另一个齿的齿靴流动进入非工作齿靴，让更多的磁力线能够进入工作定子齿，形成有效转矩，从而抑制永磁体磁通面积设计过大引起的电磁转矩下降，提升电机电磁转矩，提高电机性能。

附图说明

图1为本申请实施例的交替极电机的结构示意图；

图2为本申请实施例的交替极电机的尺寸结构图；

图3为常规交替极电机的磁力线分布图；

图4为本申请实施例的交替极电机的磁力线分布图；

图5为本申请的交替极电机与现有技术的交替极电机的切向电磁力对比图；

图6为本申请的交替极电机与现有技术的交替极电机的电磁转矩对比图；

图7为本申请实施例的交替极电机的电磁转矩随a11/a21变化的曲线图；

图8为本申请实施例的交替极电机的转矩波动随a22/a21变化的曲线图；

图9为本申请实施例的交替极电机的电磁转矩随w1/wm变化的曲线图。

附图标记表示为：

1、转子铁芯；2、安装槽；3、永磁体；4、第一空气槽；5、第二空气槽；6、延伸部；7、斜切角；8、定子组件。

具体实施方式

结合参见图1至图9所示，根据本申请的实施例，转子组件包括转子铁芯1，转子铁芯1包括沿周向交替排布的永磁极和交替极，永磁极包括安装槽2，安装槽2内安装有永磁体3，永磁体3面向转子铁芯1外周缘的极性为同一极性，安装槽2的两端分别设置有第二空气槽5，磁极中心线的两侧分别设置有第一空气槽4，第一空气槽4位于第二空气槽5和磁极中心线之间靠近第二空气槽5的一侧，第一空气槽4的径向外侧壁与靠近磁极中心线的第一槽壁之间形成锐角尖端，锐角尖端向磁极中心线聚拢。

转子组件的转子铁芯1上在磁极中心线两侧设置第一空气槽4，且第一空气槽4的锐角尖端向磁极中心线聚拢，能够在极靴形成磁束引导槽，对从永磁体3发出的磁力线进行调节，限制永磁体3的磁力线向另一个齿的齿靴流动进入非工作齿靴，让更多的磁力线能够进入工作定子齿，形成有效转矩，从而抑制永磁体磁通面积设计过大引起的电磁转矩下降，提升电机电磁转矩，提高电机性能。

在一般电机设计过程中，传统的观念是在极靴上存在的空气槽越少，电机的电磁转矩越大，因为空气槽的磁阻远远大于硅钢片材料的磁阻，同样的磁动势下产生更少的磁力线，因此在现有技术中，为了提升交替极电机的转矩能力，一般不在极靴上设置空气槽。但是经申请人研究发现，由于交替极电机特殊的磁路，常规的思路并不适用于交替极电机，因此本申请人提出了一种新型的交替极电机转矩提升方法。

本申请人研究表明，由于交替极电机的永磁体的宽度较宽，永磁体两端会超出常规电机永磁体的区域，当转子处于某一位置时，永磁体两端的磁力线虽然会达到定子，但是并不会进入定子齿，仅通过定子齿靴闭合，即不会与绕组形成匝链，因此无法产生有效转矩，同样是一部分无效磁力线，如图3所示，其中加点的四条磁力线为无效磁力线。本申请中永磁极的极靴处沿磁极中心线对称的位置设置第一空气槽4，通过设置第一空气槽4，限制永磁体磁力线向另一个齿的齿靴流动，让更多的磁力线进入相邻的定子齿，增加输出转矩，如图4所示。进一步的研究表明，进入到相邻齿靴的磁力线不但不会产生有效转矩，甚至会产生反向的转矩，如图5所示。因此，本申请中设置第一空气槽4可以有效提升交替极电机的电磁转矩，如图6所示。

位于磁极中心线两侧的第一槽壁呈八字形，且沿着远离转子铁芯1的中心轴线的径向，两个第一槽壁之间的间距递减。第一槽壁可以为平面，也可以为弧面，其目的在于，对永磁体发出的磁力线进行整理，使得磁力线向着磁极中心线聚拢，从而更加有效地保证磁力线进入到工作定子齿，形成有效转矩。

优选地，沿着远离转子铁芯1的中心轴线的径向，第一空气槽4的周向宽度递增。这是由于外部宽度越大，能够更有效地阻挡磁力线流动，且不会增加太多磁阻导致转矩下降，而如果内部宽度过大，则会影响永磁体磁力线发出，造成转矩下降。

两个第一槽壁之间的夹角为a10，其中a10＝5°～10°。通过设置两个第一槽壁之间的夹角，能够避免第一空气槽4阻挡有效磁链线的流动，使得内部边缘按照磁力线的流动方向设置。

在垂直于转子铁芯1的中心轴线的平面内，两个第一空气槽4的周向外侧壁靠近永磁体3的两个端点之间的距离为w1，永磁体3的周向宽度为wm，其中w1/wm＝0.7～0.9。第一空气槽4在永磁体3的宽度方向的位置决定了把多少磁力线作为有效磁力线引入气隙产生转矩，留多少磁力线通过狭窄磁桥，并且让磁桥不够饱和，留一部分空间给定子磁力线。研究表明，w1/wm＝0.7～0.9最好，如图9所示。

第二空气槽5包括从槽本体向磁极中心线延伸的延伸部6，延伸部6与第一空气槽4沿周向间隔设置。第二空气槽5的槽本体与延伸部6一同，一方面调整了磁力线流向气隙的磁通面宽度，另一方面通过形成狭窄的磁桥减少了永磁体3端部的漏磁，提高了输出转矩。

在垂直于转子铁芯1的中心轴线的平面内，第一空气槽4的两个周向外侧壁之间的夹角为a11，两个延伸部6的径向外边缘靠近磁极中心线的端点与转子铁芯1的中心的连线所形成的夹角为a21，其中a11/a21＝0.3～0.5。该比例表征了第一空气槽4与延伸部6之间的距离的大小，这个区间内永磁体产生的磁力线大部分都会通过狭窄磁桥漏掉。狭窄磁桥上的磁力线除了永磁体产生的磁力线外还有定子组件8上产生的磁力线，因此这个区间不能太大，以便在磁桥上留有位置给定子组件8上的磁力线通过，让更多定、转子磁力线匝链，提升磁阻转矩。在常规技术中由于不存在第一空气槽4，狭窄磁桥会因为大量转子磁力线涌入而饱和，致使定子磁力线无法通过。研究表明，a11/a21＝0.3～0.5最好，如图7所示。

在垂直于转子铁芯1的中心轴线的平面内，两个延伸部6的径向外边缘靠近磁极中心线的端点与转子铁芯1的中心的连线所形成的夹角为a21，位于交替极两侧的两个第二空气槽5，其靠近交替极中心线的侧壁的径向外端点与转子铁芯1的中心的连线所形成的夹角为a22，其中a22/a21＝0.7～0.9。二者的配合主要影响相邻磁极磁密的对称性，过大或过小都会导致磁密的不平衡，研究表明，a22/a21＝0.7～0.9，转矩波动最小，如图8所示。

在垂直于转子铁芯1的中心轴线的平面内，位于交替极两侧的两个第二空气槽5，其靠近交替极中心线的侧壁的径向外端点与转子铁芯1的中心的连线所形成的夹角为a22，其径向外边缘靠近交替极中心线的端点与转子铁芯1的中心的连线所形成的夹角为a23，其中a23/a22＝0.9～1.3。研究表明，第二空气槽5与交替极外周缘交接处的磁密会比较饱和，引起异常的转矩波动与铁芯损耗。因此，本申请中将交界处的磁桥加宽，并且由于在永磁极一侧已经设置了第一空气槽4，限制了一部分漏磁，因此，加宽一段磁桥并不会引起漏磁的明显增加，并且降低了由于交替极引起的转矩波动。

在同一永磁极内，第二空气槽5的径向外周壁与周向外周壁的相交位置形成斜切角7，斜切角7的径向厚度为t23，第二空气槽5的径向厚度为t2，其中t2/t23＝0.2～0.5。斜切角7能够在第二空气槽5的径向外侧形成凹陷，减小该处的第二空气槽5的宽度，使得转子铁芯能够填充在该处，合理的凹陷部厚度可以降低电机的转矩波动，但是厚度过大，会影响第二空气槽5对磁力线的调制作用，反而会增加转矩波动，因此，t2/t23＝0.2～0.5效果最好。

第一空气槽4为两个，两个第一空气槽4关于磁极中心线对称，能够使得磁力线分布更加均匀，提高电机性能。

采用本申请方案的转子组件的电机，其转矩曲线与现有技术的对比如图6所示，很明显，本申请的转子组件具有更大的平均转矩以及更小的转矩波动。

永磁体3例如为一字型。

转子铁芯1采用软磁材料薄片叠压而成，从而便于使交替极的转子铁芯1在永磁极的影响下磁化呈另一极性。

根据本申请的实施例，交替极电机包括转子组件和定子组件8，该转子组件为上述的转子组件。

采用本申请的技术方案设计的交替极电机，其反电势谐波分解图如图4所示，相对于现有技术而言，本申请的交替极电机具有更小的谐波含量。

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。

以上仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。以上仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本申请的保护范围。

Claims (12)

1.一种转子组件，其特征在于，包括转子铁芯(1)，所述转子铁芯(1)包括沿周向交替排布的永磁极和交替极，所述永磁极包括安装槽(2)，所述安装槽(2)内安装有永磁体(3)，所述永磁体(3)面向转子铁芯(1)外周缘的极性为同一极性，所述安装槽(2)的两端分别设置有第二空气槽(5)，磁极中心线的两侧分别设置有第一空气槽(4)，所述第一空气槽(4)位于所述第二空气槽(5)和所述磁极中心线之间靠近所述第二空气槽(5)的一侧，所述第一空气槽(4)的径向外侧壁与靠近磁极中心线的第一槽壁之间形成锐角尖端，所述锐角尖端向所述磁极中心线聚拢。

2.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，位于磁极中心线两侧的所述第一槽壁呈八字形，且沿着远离所述转子铁芯(1)的中心轴线的径向，两个所述第一槽壁之间的间距递减。

3.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，沿着远离所述转子铁芯(1)的中心轴线的径向，所述第一空气槽(4)的周向宽度递增。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的转子组件，其特征在于，两个所述第一槽壁之间的夹角为a10，其中a10＝5°～10°。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的转子组件，其特征在于，在垂直于所述转子铁芯(1)的中心轴线的平面内，两个所述第一空气槽(4)的周向外侧壁靠近所述永磁体(3)的两个端点之间的距离为w1，所述永磁体(3)的周向宽度为wm，其中w1/wm＝0.7～0.9。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的转子组件，其特征在于，所述第二空气槽(5)包括从槽本体向磁极中心线延伸的延伸部(6)，所述延伸部(6)与所述第一空气槽(4)沿周向间隔设置。

7.根据权利要求6所述的转子组件，其特征在于，在垂直于所述转子铁芯(1)的中心轴线的平面内，所述第一空气槽(4)的两个周向外侧壁之间的夹角为a11，两个所述延伸部(6)的径向外边缘靠近磁极中心线的端点与所述转子铁芯(1)的中心的连线所形成的夹角为a21，其中a11/a21＝0.3～0.5。

8.根据权利要求6所述的转子组件，其特征在于，在垂直于所述转子铁芯(1)的中心轴线的平面内，两个所述延伸部(6)的径向外边缘靠近磁极中心线的端点与所述转子铁芯(1)的中心的连线所形成的夹角为a21，位于交替极两侧的两个所述第二空气槽(5)，其靠近交替极中心线的侧壁的径向外端点与所述转子铁芯(1)的中心的连线所形成的夹角为a22，其中a22/a21＝0.7～0.9。

9.根据权利要求6所述的转子组件，其特征在于，在垂直于所述转子铁芯(1)的中心轴线的平面内，位于交替极两侧的两个所述第二空气槽(5)，其靠近交替极中心线的侧壁的径向外端点与所述转子铁芯(1)的中心的连线所形成的夹角为a22，其径向外边缘靠近交替极中心线的端点与所述转子铁芯(1)的中心的连线所形成的夹角为a23，其中a23/a22＝0.9～1.3。

10.根据权利要求6所述的转子组件，其特征在于，在同一永磁极内，所述第二空气槽(5)的径向外周壁与周向外周壁的相交位置形成斜切角(7)，所述斜切角(7)的径向厚度为t23，所述第二空气槽(5)的径向厚度为t2，其中t2/t23＝0.2～0.5。

11.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，所述第一空气槽(4)为两个，两个所述第一空气槽(4)关于磁极中心线对称。

12.一种交替极电机，包括定子组件(8)和转子组件，其特征在于，所述转子组件为权利要求1至11中任一项所述的转子组件。