CN110401283A - 转子组件和交替极电机 - Google Patents

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李权锋
肖勇
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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)，第二空气槽(5)包括槽本体和从槽本体向磁极中心线延伸的第一延伸部(6)和第二延伸部(7)，第一延伸部(6)和第二延伸部(7)依次设置形成径向厚度递减的阶梯槽。根据本申请的转子组件，能够有效改善交替极电机反电势谐波引起的转矩脉动增加问题，显著降低反电势谐波含量，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。
现有技术中的一些交替极电机是通过优化极弧系数改善转矩波动，主要针对的是由齿槽转矩引起的转矩波动，而对于非正弦反电势引起的转矩脉动，没有效果，因此，对于交替极电机反电势谐波含量丰富引起的转矩脉动增加问题，起到的效果不佳。
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，能够有效改善交替极电机反电势谐波引起的转矩脉动增加问题，显著降低反电势谐波含量，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，第二空气槽包括槽本体和从槽本体向磁极中心线延伸的第一延伸部和第二延伸部，第一延伸部和第二延伸部依次设置形成径向厚度递减的阶梯槽。
优选地，第一延伸部和第二延伸部设置在槽本体靠近转子铁芯的外圆的一侧。
优选地，磁极中心线上设置有第一空气槽，第二空气槽与转子铁芯的外周缘之间的距离小于第一空气槽与转子铁芯的外周缘之间的距离。
优选地，位于同一永磁极的两个第一延伸部靠近磁极中心线的侧壁所形成的夹角为a21，位于同一永磁极的两个第二延伸部靠近磁极中心线的侧壁之间所形成的夹角为a22，其中a22/a21＝0.7～0.9。
优选地，位于同一永磁极的两个第二延伸部靠近磁极中心线的侧壁之间所形成的夹角为a22，位于交替极两侧的两个第二空气槽靠近交替极中心线的侧壁之间所形成的夹角为a2，其中a22/a2＝0.7～1。
优选地，在垂直于转子铁芯的中心轴线的平面内，位于同一永磁极的两个第二延伸部靠近磁极中心线的侧壁之间所形成的夹角为a22，永磁体的径向外边缘的两个端点与转子铁芯的中心的连线所形成的夹角为am，其中a22/am＝0.65～0.75。
优选地，第一延伸部的径向厚度为t21，第二延伸部的径向厚度为t22，其中t21/t22＝0.4～0.6。
优选地，在垂直于转子铁芯的中心轴线的平面内，第一空气槽的径向外边缘的两个端点与转子铁芯的中心的连线所形成的夹角为a1，位于同一永磁极的两个第二延伸部靠近磁极中心线的侧壁之间所形成的夹角为a22，其中a1/a22＝0.1～0.15。
优选地，第一空气槽的径向厚度为t1，磁极中心线上的极靴厚度为ts1，其中t1/ts1＝0.4～0.6。
优选地，第二空气槽的径向厚度为t2，第一延伸部的径向厚度为t21，其中t21/t2＝0.2～0.4。
优选地，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，第二空气槽包括槽本体和从槽本体向磁极中心线延伸的第一延伸部和第二延伸部，第一延伸部和第二延伸部依次设置形成径向厚度递减的阶梯槽。该转子组件的转子铁芯上设置有第二空气槽，且第二空气槽包括有向磁极中心线延伸的第一延伸部和第二延伸部，且第一延伸部和第二延伸部形成厚度不等的阶梯槽，使得延伸部在靠近磁极中心线的位置厚度更薄，在反电势靠近峰值的位置，能够将部分波谷提起，部分波峰降低，使反电势波形作用侧更加对称，降低偶数次谐波含量，进而有效改善交替极电机反电势谐波引起的转矩脉动增加问题，显著降低反电势谐波含量，降低反电势谐波畸变率，提高电机性能。
附图说明
图1为本申请实施例的转子组件的结构示意图；
图2为本申请实施例的转子组件的尺寸结构图；
图3为本申请实施例的转子组件与现有技术的转子组件的反电势波形对比图；
图4为本申请实施例的转子组件与现有技术的转子组件的反电势谐波分解对比图；
图5为转子组件的等厚延伸部附近的磁力线分布图；
图6为本申请实施例的转子组件的阶梯状延伸部附近的磁力线分布图；
图7为不同形式延伸部的反电势波形对比图；
图8为不同形式延伸部的反电势谐波分解对比图；
图9为本申请实施例的转子组件的反电势谐波含量随a22/a21变化的曲线图；
图10为本申请实施例的转子组件的反电势谐波含量随t22/t21变化的曲线图；
图11为本申请实施例的转子组件的反电势谐波含量、电磁转矩随a1/a22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、第一延伸部；7、第二延伸部；8、定子组件。
具体实施方式
结合参见图1至图11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，第二空气槽5包括槽本体和从槽本体向磁极中心线延伸的第一延伸部6和第二延伸部7，第一延伸部6和第二延伸部7依次设置形成径向厚度递减的阶梯槽。
该转子组件的转子铁芯1上设置有第二空气槽5，且第二空气槽5包括有向磁极中心线延伸的第一延伸部6和第二延伸部7，且第一延伸部6和第二延伸部7形成厚度不等的阶梯槽，使得延伸部在靠近磁极中心线的位置厚度更薄，在反电势靠近峰值的位置，能够将部分波谷提起，部分波峰降低，使反电势波形作用侧更加对称，降低偶数次谐波含量，进而有效改善交替极电机反电势谐波引起的转矩脉动增加问题，显著降低反电势谐波含量，降低反电势谐波畸变率，提高电机性能。
优选地，两个第二空气槽5关于磁极中线线对称，第二空气槽5的延伸部向磁极中心线延伸，调整了交替极与永磁极上的气隙磁密，让相邻的气隙磁密更加对称，降低转矩波动。
本申请方案的延伸部在靠近磁极中心线位置更薄，二者的磁力线分布如图5、6中加点线所示，本申请方案的延伸部中穿过4条磁力线，相比于现有技术延伸部穿过3条磁力线的结构，在靠近磁极中心线的位置多穿过一条磁力线，多出1/4，表现在反电势的波形上如图7所示，在反电势靠近峰值的位置，将现有技术中的部分波谷提起，部分波峰降低，使反电势波形左右侧更加对称，降低偶数次谐波含量，如图8所示，2、4次谐波含量进一步降低，相比现有技术可进一步降低反电势谐波畸变率。
优选地，第一延伸部6和第二延伸部7设置在槽本体靠近转子铁芯1的外圆的一侧，能够对磁力线起到更加有效的调节作用。
磁极中心线上设置有第一空气槽4，第二空气槽5与转子铁芯1的外周缘之间的距离小于第一空气槽4与转子铁芯1的外周缘之间的距离。
第一空气槽4能够避免磁极中心处的磁力线过于集中，削弱较大的磁密峰值，使相邻磁极气隙磁密波形更加对称，磁密波形的正弦度更好，如图3所示，大幅削弱反电势谐波中由于磁极不对称引起的偶数次反电势谐波，如图4所示，相比现有技术壳进一步降低转矩脉动。
位于同一永磁极的两个第一延伸部6靠近磁极中心线的侧壁所形成的夹角为a21，位于同一永磁极的两个第二延伸部7靠近磁极中心线的侧壁之间所形成的夹角为a22，其中a22/a21＝0.7～0.9。在本实施例中，两个第一延伸部6靠近磁极中心线的侧壁所在平面经过转子铁芯1的中心轴线，即，转子铁芯1的中心轴线位于该平面内。
二者的比值越小，厚度较薄的延伸部越长，在磁极中心部对磁力线的限制作用越弱，磁力线无法在永磁极下聚拢，相反，二者的比值越大，厚度较薄的延伸部越短，延伸部逐渐演变为等厚延伸部，如图8所示，反电势偶数次谐波含量增加。研究表明，a22/a21＝0.7～0.9时反电势谐波含量较小，如图9所示。
位于同一永磁极的两个第二延伸部7靠近磁极中心线的侧壁之间所形成的夹角为a22，位于交替极两侧的两个第二空气槽5靠近交替极中心线的侧壁之间所形成的夹角为a2，其中a22/a2＝0.7～1。在本实施例中，两个第二延伸部7的侧壁所在平面经过转子铁芯1的中心轴线。当两个第二延伸部7的侧壁所在平面不经过转子铁芯1的中心轴线时，此时两个第二延伸部7需要满足如下条件，即，在垂直于转子铁芯1的中心轴线的平面内，两个第二延伸部7的径向外边缘靠近磁极中心线的端点与转子铁芯1的中心的连线的夹角为a22。优选地，两个第二空气槽5的侧壁所在平面也经过转子铁芯1的中心轴线。
此比值表征了相邻磁极的极弧比，比值越小，永磁极极下磁密幅值越大，交替极磁密越小，磁密不对称性增加，反之比值越大，永磁极下极靴宽度越宽，对磁力线的约束作用越小，磁密也越小，交替极下磁密较大，磁密不对称性同样增加。研究表明，a22/a2＝0.7～1磁密对称性最好。
在垂直于转子铁芯1的中心轴线的平面内，位于同一永磁极的两个第二延伸部7靠近磁极中心线的侧壁之间所形成的夹角为a22，永磁体3的径向外边缘的两个端点与转子铁芯1的中心的连线所形成的夹角为am，其中a22/am＝0.65～0.75。二者的比值过大，无法在永磁极下形成有效的磁密，二者的比值过小，延伸部过多地阻挡磁力线，导致永磁体3的利用率较低，研究表明，a22/am＝0.6～0.8时效果最好。
第一延伸部6的径向厚度为t21，第二延伸部7的径向厚度为t22，其中t21/t22＝0.4～0.6。比值表征了延伸部的厚度之比。比值过小，第二延伸部7无法有效阻挡磁力线通过，从而无法调整气隙磁密的波形，而第一延伸部6则过多阻挡磁力线通过。反之，比值过大，第二延伸部7过多地阻挡磁力线，造成永磁体利用率降低，并且较多的磁力线将从第一延伸部6处通过，形成较大的漏磁。研究表明t22/t21＝0.4～0.6时效果最好，如图10所示。
在垂直于转子铁芯1的中心轴线的平面内，第一空气槽4的径向外边缘的两个端点与转子铁芯1的中心的连线所形成的夹角为a1，位于同一永磁极的两个第二延伸部7靠近磁极中心线的侧壁之间所形成的夹角为a22，其中a1/a22＝0.1～0.15。比值表征了第一空气槽4占据的极靴比例。比值越大，第一空气槽4形成的有效磁阻越强，对磁力线的调整作用越强，但是过大会引起电磁转矩下降。反之比值越小，第一空气槽4不足以形成有效的磁阻，从而调整磁力线，降低反电势谐波畸变率。研究表明，比值在0.1～0.15时效果最好。如图11所示。
第一空气槽4的径向厚度为t1，磁极中心线上的极靴厚度为ts1，其中t1/ts1＝0.4～0.6。比值表征了第一空气槽4占据的极靴的径向空间，比值越大，对磁力线的阻挡作用越强，过大会引起电磁转矩的下降，而比值过小，会让第一空气槽4无法有效调制磁力线，研究表明，在t1/ts1＝0.4～0.6的范围内时效果最好。
第二空气槽5的径向厚度为t2，第一延伸部6的径向厚度为t21，其中t21/t2＝0.2～0.4。由于交替极与永磁体的磁力线分布不一致，交替极上的磁力线更容易受到电枢反应的影响，因此，第二空气槽5两侧需要设置不同的厚度调制磁力线。研究表明，t21/t2＝0.2～0.4时对磁力线的调制作用最好。
优选地，第一空气槽4关于磁极中心线对称，能够进一步保证第一空气槽4两侧磁力线分布的均匀性，让整个气隙磁密更正弦。
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)，所述第二空气槽(5)包括槽本体和从所述槽本体向磁极中心线延伸的第一延伸部(6)和第二延伸部(7)，所述第一延伸部(6)和所述第二延伸部(7)依次设置形成径向厚度递减的阶梯槽。
2.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，所述第一延伸部(6)和所述第二延伸部(7)设置在所述槽本体靠近所述转子铁芯(1)的外圆的一侧。
3.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，所述磁极中心线上设置有第一空气槽(4)，所述第二空气槽(5)与所述转子铁芯(1)的外周缘之间的距离小于所述第一空气槽(4)与所述转子铁芯(1)的外周缘之间的距离。
4.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，位于同一永磁极的两个第一延伸部(6)靠近磁极中心线的侧壁所形成的夹角为a21，位于同一永磁极的两个第二延伸部(7)靠近磁极中心线的侧壁之间所形成的夹角为a22，其中a22/a21＝0.7～0.9。
5.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，位于同一永磁极的两个第二延伸部(7)靠近磁极中心线的侧壁之间所形成的夹角为a22，位于交替极两侧的两个所述第二空气槽(5)靠近交替极中心线的侧壁之间所形成的夹角为a2，其中a22/a2＝0.7～1。
6.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，在垂直于转子铁芯(1)的中心轴线的平面内，位于同一永磁极的两个第二延伸部(7)靠近磁极中心线的侧壁之间所形成的夹角为a22，所述永磁体(3)的径向外边缘的两个端点与所述转子铁芯(1)的中心的连线所形成的夹角为am，其中a22/am＝0.65～0.75。
7.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，所述第一延伸部(6)的径向厚度为t21，所述第二延伸部(7)的径向厚度为t22，其中t21/t22＝0.4～0.6。
8.根据权利要求3所述的转子组件，其特征在于，在垂直于转子铁芯(1)的中心轴线的平面内，所述第一空气槽(4)的径向外边缘的两个端点与所述转子铁芯(1)的中心的连线所形成的夹角为a1，位于同一永磁极的两个第二延伸部(7)靠近磁极中心线的侧壁之间所形成的夹角为a22，其中a1/a22＝0.1～0.15。
9.根据权利要求3所述的转子组件，其特征在于，所述第一空气槽(4)的径向厚度为t1，磁极中心线上的极靴厚度为ts1，其中t1/ts1＝0.4～0.6。
10.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，所述第二空气槽(5)的径向厚度为t2，所述第一延伸部(6)的径向厚度为t21，其中t21/t2＝0.2～0.4。
11.根据权利要求3所述的转子组件，其特征在于，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。
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