CN110401284A - 转子组件和永磁电机 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种转子组件和永磁电机。该转子组件包括转子铁芯(1)，转子铁芯(1)上沿周向设置有安装槽(2)，安装槽(2)内安装有永磁体(3)，磁极中心线上设置有第一空气槽(4)，安装槽(2)的两端分别设置有第二空气槽(5)，磁极中心线与第二空气槽(5)之间靠近第二空气槽(5)的一侧设置有第三空气槽(6)。根据本申请的转子组件，能够在保证电机电磁转矩的前提下，大幅降低永磁电机在运行过程中的转矩波动。

Description

转子组件和永磁电机

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永磁电机。

背景技术

转矩波动是电机的固有特性，其增加了电机运行时的转矩波动，从而引起电机的振动与运行噪声增加。转子主极磁场一般是非严格的正弦磁场，含有一些谐波，而且电机负载运行时由于电枢反应，磁密波形会进一步恶化，谐波畸变率增加，电机转矩波动增加，如何削弱永磁电机的转矩波动是行业难题。一种有效的措施是在转子的极靴部分开设一些狭槽，削弱电机的电枢反应，从而降低气隙磁密畸变率。

然而经研究发现，现有技术中尽管可以降低转矩波动，但是极靴上较多的气隙会削弱气隙磁密的幅值，导致电机的输出转矩大幅下降，引起电机运行性能的下降。另一方面狭槽的数量、形状、位置与转子的结构有着紧密联系，当电机的转子结构发生改变时，其效果会降低甚至适得其反。

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永磁电机，能够在保证电机电磁转矩不受影响的前提下，大幅降低永磁电机在运行过程中的转矩波动。

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，转子铁芯上沿周向设置有安装槽，安装槽内安装有永磁体，磁极中心线上设置有第一空气槽，安装槽的两端分别设置有第二空气槽，磁极中心线与第二空气槽之间靠近第二空气槽的一侧设置有第三空气槽。

优选地，第一空气槽为两个，两个第一空气槽沿着磁极中心线的径向间隔设置，靠近转子铁芯中心轴线的第一空气槽的径向厚度为tr01，远离转子铁芯中心轴线的第一空气槽的径向厚度为tr02，其中tr01＜tr02。

优选地，tr01/tr02＝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端点与转子铁芯的中心的连线所形成的夹角为ar0，永磁体的径向外边缘的两端点与转子铁芯的中心的连线所形成的夹角为ar3，其中ar0/ar3＝0.1～0.3。

优选地，第二空气槽向磁极中心线延伸出第一延伸部，第一延伸部与第三空气槽间隔设置。

优选地，第二空气槽和第一延伸部为弧形，第二空气槽的圆心角为ar22，第一延伸部的圆心角为ar21，其中ar21/ar22＝0.1～0.2。

优选地，第一延伸部的径向厚度为w21，第二空气槽的径向厚度为w22，其中w21/w22＝0.3～0.5。

优选地，在垂直于转子铁芯的中心轴线的平面内，两个第一延伸部的径向外边缘的两端点与转子铁芯的中心的连线所形成的夹角为ar2，永磁体的径向外边缘的两端点与转子铁芯的中心的连线所形成的夹角为ar3，其中ar2/ar3＝0.7～0.9。

优选地，分属不同磁极的相邻第二空气槽之间相互连通，形成第四空气槽。

优选地，第四空气槽的径向厚度为tr3，第四空气槽与转子铁芯的外周缘之间的最小径向距离为tr30，tr3/tr30＝0.2～0.5。

优选地，第三空气槽向磁极中心线延伸出第二延伸部，第二延伸部与第一空气槽间隔设置。

优选地，第三空气槽和第二延伸部为弧形，第三空气槽的圆心角为ar12，第二延伸部的圆心角为ar11，其中ar11/ar12＝0.2～0.4。

优选地，在垂直于转子铁芯的中心轴线的平面内，两个第二延伸部的径向外边缘的两端点与转子铁芯的中心的连线所形成的夹角为ar1，永磁体的径向外边缘的两端点与转子铁芯的中心的连线所形成的夹角为ar3，其中ar1/ar3＝0.28～0.61。

优选地，第三空气槽具有径向厚度w12，第二延伸部具有径向厚度w11，其中w11/w12＝0.5～0.8。

优选地，第二空气槽和第四空气槽均与安装槽连通，第二空气槽和第四空气槽内填塞有粘结剂。

优选地，永磁体为一字型。

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

优选地，定子组件包括定子齿靴，定子齿靴内内周侧中部为圆弧面，定子齿靴的周向两端为平面。

本申请提供的转子组件，包括转子铁芯，转子铁芯上沿周向设置有安装槽，安装槽内安装有永磁体，磁极中心线上设置有第一空气槽，安装槽的两端分别设置有第二空气槽，磁极中心线与第二空气槽之间靠近第二空气槽的一侧设置有第三空气槽。相对于现有技术的转子极靴设置径向延伸的狭槽结构而言，本申请中对空气槽的结构进行了改善，在磁极中心线的位置设置了第一空气槽，在磁极中心线两侧均设置有第二空气槽和第三空气槽，第二空气槽和第三空气槽之间，以及第一空气槽和第三空气槽之间，均沿周向方向形成有间隔，这些间隔能够形成供部分磁力线沿径向流通的通道，从而能够对磁力线分布进行调节，使得气隙分布更加均匀，转矩波动更小，在保证电机电磁转矩的前提下，大幅降低永磁电机在运行过程中的转矩波动。

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第一尺寸结构图；

图3为本申请实施例的转子组件的第二尺寸结构图；

图4为本申请实施例的转子组件的第三尺寸结构图；

图5为本申请实施例的转子组件有第一空气槽时的磁力线分布图；

图6为本申请实施例的转子组件无第一空气槽时的磁力线分布图；

图7为本申请实施例的转子组件的ar11/ar12、ar21/ar22对转矩波动的影响曲线图；

图8为本申请实施例的转子组件的tr01/tr02对转矩波动的影响曲线图；

图9为本申请实施例的转子组件与现有技术的转子组件的电磁转矩曲线对比图。

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、第三空气槽；7、第四空气槽；8、第一延伸部；9、第二延伸部；10、定子齿靴。

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上沿周向设置有安装槽2，安装槽2内安装有永磁体3，磁极中心线上设置有第一空气槽4，安装槽2的两端分别设置有第二空气槽5，磁极中心线与第二空气槽5之间靠近第二空气槽5的一侧设置有第三空气槽6。为了便于表述，下述的各实施例均以同一永磁极的结构为例进行说明。

相对于现有技术的转子极靴设置径向延伸的狭槽结构而言，本申请中对空气槽的结构进行了改善，在磁极中心线的位置设置了第一空气槽4，在磁极中心线两侧均设置有第二空气槽5和第三空气槽6，第二空气槽5和第三空气槽6之间以及第一空气槽4和第三空气槽6之间均沿周向方向形成有间隔，这些间隔能够形成供部分磁力线沿径向流通的磁路通道，从而能够对磁力线分布进行调节，使得气隙分布更加均匀，转矩波动更小，在保证电机电磁转矩的前提下，大幅降低永磁电机在运行过程中的转矩波动。

研究表明，受转子位置的影响，磁极中心部的磁力线在不同的时刻分布差异较大，在运行过程中形成较大的转矩波动，为了使磁极中心线附近的磁力线分布受转子位置影响更小，在磁极中心线上设置第一空气槽4，同时，假如将磁极中心部完全隔断，将会完全阻止磁力线沿切向的分布，同样会引起电磁转矩的下降，因此，设置了第二空气槽5和第三空气槽6，并且在其中留下了供少部分磁力线流通的空间。第三空气槽6靠近永磁体的部分用来将永磁体发出的磁力线分流，更容易调整磁力线在气隙中的分布，使气隙分布更均匀，转矩波动更小，如图5～6所示。

仿真表明，与现有技术而言，本发明电机的电磁转矩提升10％，转矩波动降低70％。

第一空气槽4为两个，两个第一空气槽4沿着磁极中心线的径向间隔设置，靠近转子铁芯1中心轴线的第一空气槽4的径向厚度为tr01，远离转子铁芯1中心轴线的第一空气槽4的径向厚度为tr02，其中tr01＜tr02。两个第一空气槽4沿径向排列，由于靠近气隙的地方对电机的转矩影响更大，因此靠近转子外圆的第一空气槽4的厚度设置得更小，不然会引起电机转矩的下降。

优选地，tr01/tr02＝0.4～0.6。位于转子铁芯1的径向外侧的第一空气槽4更靠近气隙，对气隙磁密分布的影响更大，而厚度增加会电磁转矩的影响更大，所以设置一个较小的厚度。位于转子铁芯1的径向内侧的第一空气槽4靠近永磁体3，对气隙磁密的影响较小。二者的比值越大，电磁转矩下降越多，比值太小不能在磁力线的传播路径上形成有效的磁阻以改善磁力线的分布，将二者的比值控制在0.4～0.6能够取得较佳的效果，如图8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的径向外边缘的两端点与转子铁芯1的中心的连线所形成的夹角为ar0，永磁体3的径向外边缘的两端点与转子铁芯1的中心的连线所形成的夹角为ar3，其中ar0/ar3＝0.1～0.3。ar0表征了两个第一空气槽4在转子切向方向展开的角度，ar3表征了永磁体能够提供的最大的磁通面积，与ar3的比值越大，两个第一空气槽4对磁力线的阻挡作用越强，就会造成电磁转矩下降，而如果比值太小，就会导致对磁力线的分布影响较小，因此需要将比值控制在0.1～0.3，从而能够使得第一空气槽4对磁力线的阻挡作用适中，同时对磁力线的分布能够产生足够影响。

优选地，第二空气槽5向磁极中心线延伸出第一延伸部8，第一延伸部8与第三空气槽6间隔设置。第一延伸部8沿周向向第三空气槽6延伸，能够进一步改善第二空气槽5与第三空气槽6之间的磁力线分布状况，提高磁力线分布均匀性，降低转矩波动。

优选地，第二空气槽5和第一延伸部8为弧形，第二空气槽5的圆心角为ar22，第一延伸部8的圆心角为ar21，其中ar21/ar22＝0.1～0.2。第二空气槽5靠近永磁体3的部分将永磁体3的磁力线分流，进行磁力线分布的初级引导，而后由第一延伸部8进行二次引导，由于永磁体3为直线，而转子铁芯1的外圆为弧线，长度大于等弧度的直线，因此本申请设置了第一延伸部8，进一步将第二空气槽5的夹角缩小，使引导来的磁力线均匀分布，降低转矩波动。如果第一延伸部8太长，则第一延伸部8对磁力线的遮挡太强，且容易形成磁饱和。如果第一延伸部8太小，甚至没有第一延伸部8，则尽管磁力线在靠近永磁体3的地方分布较好，但是靠近转子铁芯1的外圆的部分会被稀释，引起转矩波动增加，研究表明，二者的比值在0.1～0.2时效果最好，如图7所示。

第一延伸部8的径向厚度为w21，第二空气槽5的径向厚度为w22，其中w21/w22＝0.3～0.5。二者的比值小，第一延伸部8形成的有效磁阻小，无法有效调整磁力线的流动方向。二者的比值大，第一延伸部8过多地遮挡磁力线引起电磁转矩的下降。研究表明，二者的比值在0.3～0.5时效果较好。

在垂直于转子铁芯1的中心轴线的平面内，两个第一延伸部8的径向外边缘的两端点与转子铁芯1的中心的连线所形成的夹角为ar2，永磁体3的径向外边缘的两端点与转子铁芯1的中心的连线所形成的夹角为ar3，其中ar2/ar3＝0.7～0.9。ar2表征了永磁体3面向气隙的总宽度，ar3表征了永磁体能够提供的最大的磁通面积，二者的比值小，则包括第一延伸部8在内的第二空气槽5的周向宽度较小，永磁体两端的磁桥较短，漏磁增加。二者的比值大，则包括第一延伸部8在内的第二空气槽5对永磁体3磁通面的遮挡较多，有效磁通面减少，引起电磁转矩的下降，研究表明，将二者的比值控制在0.7～0.9最好，如图7。

优选地，分属不同磁极的相邻第二空气槽5之间相互连通，形成第四空气槽7。

第四空气槽7的径向厚度为tr3，第四空气槽7与转子铁芯1的外周缘之间的最小径向距离为tr30，tr3/tr30＝0.2～0.5。厚度tr3表征了第四空气槽7对端部漏磁磁路的阻挡作用，tr30表征了q轴磁路上磁导的大小。二者的比值越大，端部漏磁越少，但是q轴磁路的磁导也越小，电枢磁力线主要从q轴通过，因此，通过的阻力更大，电机的电磁转矩下降。二者的比值过小，第四空气槽7不足以抑制永磁体3的端部漏磁，永磁磁链降低，电机的电磁转矩下降。研究表明，将二者的比值限制在0.2～0.5较好。

第三空气槽6向磁极中心线延伸出第二延伸部9，第二延伸部9与第一空气槽4间隔设置。第二延伸部9沿周向向第一空气槽4延伸，能够进一步改善第一空气槽4与第三空气槽6之间的磁力线分布状况，提高磁力线分布均匀性，降低转矩波动。

第三空气槽6和第二延伸部9为弧形，第三空气槽6的圆心角为ar12，第二延伸部9的圆心角为ar11，其中ar11/ar12＝0.2～0.4。研究表明，将极靴部位的空气槽设置为沿着磁力线方向可以避免电机输出转矩的下降，如图5所示，第三空气槽6即为沿着磁力线方向设置。第三空气槽6靠近永磁体3的部分将永磁体3的磁力线分流，进行磁力线分布的初级引导。而后由第二延伸部9进行二次引导，由于永磁体3为直线，而转子铁芯1的外圆为弧线，长度大于等弧度的直线，因此本申请设置了第二延伸部9进一步将第三空气槽6的夹角缩小，使引导来的磁力线均匀分布，降低转矩波动。如果第二延伸部9太长，则第二延伸部9对磁力线的遮挡太强，且形成磁饱和。如果第二延伸部9太小，甚至没有第二延伸部9，则尽管磁力线在靠近永磁体3的地方分布较好，但是靠近转子铁芯1的外圆的部分会被稀释，如图5～7所示，容易引起转矩波动增加，研究表明，二者的比值在0.2～0.4最好，如图8所示。

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9的径向外边缘的两端点与转子铁芯1的中心的连线所形成的夹角为ar1，永磁体3的径向外边缘的两端点与转子铁芯1的中心的连线所形成的夹角为ar3，其中ar1/ar3＝0.28～0.61。ar3表征了永磁体能够提供的最大的磁通面积，ar1表征了磁极中心部的宽度，两者的比值越大，磁极中心部的磁密越饱和，反电势畸变率增加。两者的比值越小，磁极中心部的磁力线越少，磁密基波幅值减小，电机转矩下降。研究表明，将二者的比值限制在0.28～0.61最好。

第三空气槽6具有径向厚度w12，第二延伸部9具有径向厚度w11，其中w11/w12＝0.5～0.8。二者的比值过小，第二延伸部9形成的有效磁阻小，无法有效调整磁力线的流动方向。二者的比值过大，第二延伸部9过多地遮挡磁力线引起电磁转矩的下降。研究表明，二者的比值在0.5～0.8较好，这个范围内的转矩波动较小，如图9所示。

第二空气槽5和第四空气槽7均与安装槽2连通，第二空气槽5和第四空气槽7内填塞有粘结剂。由于相邻的第二空气槽5是连通的，因此转子被分离成了两部分，互不接触，为了保证转子为一个整体，可以在第二空气槽5和第四空气槽7中填入粘结剂。

优选地，本实施例中的永磁体3为一字型。永磁体3也可以采用其他形状，例如V字型。

在本实施例中，转子铁芯1由软磁材料薄片叠压而成，并采用盘式开槽结构，在转子铁芯1上开设有数组安装槽2，每个安装槽2内均设置有一个永磁体3，多个安装槽2沿转子铁芯1的周向均匀分布。本实施例中的转子铁芯的每个磁极上均设置有永磁体3，从而使得每个磁极都能够形成永磁极。安装槽2例如为矩形或者其他形状。安装槽2的形状与永磁体3的形状相适配，且数量与永磁体3的数量一致。

永磁体3安装在转子轭上的安装槽2内，多个永磁体3沿周向间隔分布在转子轭上，且相邻永磁体的同极性相对设置。

采用本申请设计的永磁电机的转矩曲线与现有技术的对比如图9所示，很明显，本申请实施例的永磁电机具有更大的平均转矩以及更小的转矩波动。

根据本申请的实施例，永磁电机包括定子组件和转子组件，该转子组件为上述的转子组件。

优选地，定子组件包括定子齿靴10，定子齿靴10内周侧中部为圆弧面，定子齿靴10的周向两端为平面。定子齿靴10的周向方向的两端均形成梯形结构，两端的内周侧形成向上倾斜的平面，能够增大定子齿靴10的内周侧两端与转子组件之间的气隙，通过在定子齿靴10两侧形成较大的气隙，能够削弱谐波的幅值，定子齿靴10的中心形成较小的气隙，能够保证基波的幅值。

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 (18)

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)上沿周向设置有安装槽(2)，所述安装槽(2)内安装有永磁体(3)，磁极中心线上设置有第一空气槽(4)，所述安装槽(2)的两端分别设置有第二空气槽(5)，所述磁极中心线与所述第二空气槽(5)之间靠近所述第二空气槽(5)的一侧设置有第三空气槽(6)。

2.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)沿着磁极中心线的径向间隔设置，靠近转子铁芯(1)中心轴线的第一空气槽(4)的径向厚度为tr01，远离转子铁芯(1)中心轴线的第一空气槽(4)的径向厚度为tr02，其中tr01＜tr02。

3.根据权利要求2所述的转子组件，其特征在于，tr01/tr02＝0.4～0.6。

4.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，所述第一空气槽(4)的径向外边缘的两端点与所述转子铁芯(1)的中心的连线所形成的夹角为ar0，所述永磁体(3)的径向外边缘的两端点与所述转子铁芯(1)的中心的连线所形成的夹角为ar3，其中

ar0/ar3＝0.1～0.3。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的转子组件，其特征在于，所述第二空气槽(5)向磁极中心线延伸出第一延伸部(8)，所述第一延伸部(8)与所述第三空气槽(6)间隔设置。

6.根据权利要求5所述的转子组件，其特征在于，所述第二空气槽(5)和所述第一延伸部(8)为弧形，所述第二空气槽(5)的圆心角为ar22，所述第一延伸部(8)的圆心角为ar21，其中ar21/ar22＝0.1～0.2。

7.根据权利要求5所述的转子组件，其特征在于，所述第一延伸部(8)的径向厚度为w21，所述第二空气槽(5)的径向厚度为w22，其中w21/w22＝0.3～0.5。

8.根据权利要求5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，两个所述第一延伸部(8)的径向外边缘的两端点与所述转子铁芯(1)的中心的连线所形成的夹角为ar2，所述永磁体(3)的径向外边缘的两端点与所述转子铁芯(1)的中心的连线所形成的夹角为ar3，其中ar2/ar3＝0.7～0.9。

9.根据权利要求5所述的转子组件，其特征在于，分属不同磁极的相邻第二空气槽(5)之间相互连通，形成第四空气槽(7)。

10.根据权利要求9所述的转子组件，其特征在于，所述第四空气槽(7)的径向厚度为tr3，所述第四空气槽(7)与所述转子铁芯(1)的外周缘之间的最小径向距离为tr30，tr3/tr30＝0.2～0.5。

11.根据权利要求1至4中任一项所述的转子组件，其特征在于，所述第三空气槽(6)向磁极中心线延伸出第二延伸部(9)，所述第二延伸部(9)与所述第一空气槽(4)间隔设置。

12.根据权利要求11所述的转子组件，其特征在于，所述第三空气槽(6)和所述第二延伸部(9)为弧形，所述第三空气槽(6)的圆心角为ar12，所述第二延伸部(9)的圆心角为ar11，其中ar11/ar12＝0.2～0.4。

13.根据权利要求11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，两个所述第二延伸部(9)的径向外边缘的两端点与所述转子铁芯(1)的中心的连线所形成的夹角为ar1，所述永磁体(3)的径向外边缘的两端点与所述转子铁芯(1)的中心的连线所形成的夹角为ar3，其中ar1/ar3＝0.28～0.61。

14.根据权利要求11所述的转子组件，其特征在于，所述第三空气槽(6)具有径向厚度w12，所述第二延伸部(9)具有径向厚度w11，其中

w11/w12＝0.5～0.8。

15.根据权利要求1至4中任一项所述的转子组件，其特征在于，所述第二空气槽(5)和所述第四空气槽(7)均与所述安装槽(2)连通，所述第二空气槽(5)和所述第四空气槽(7)内填塞有粘结剂。

16.根据权利要求1至4中任一项所述的转子组件，其特征在于，所述永磁体(3)为一字型。

17.一种永磁电机，包括定子组件和转子组件，其特征在于，所述转子组件为权利要求1至16中任一项所述的转子组件。

18.根据权利要求17所述的永磁电机，其特征在于，所述定子组件包括定子齿靴(10)，所述定子齿靴(10)内周侧中部为圆弧面，所述定子齿靴(10)的周向两端为平面。