CN110994825B - 电机转子及其制作方法、磁阻电机和电动汽车 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种电机转子及其制作方法、磁阻电机和电动汽车。该电机转子包括转子铁芯(1)，转子铁芯(1)包括沿周向间隔设置的多个磁障组，每个磁障组包括沿径向间隔设置的至少两个磁通屏障(2)，相邻的磁通屏障(2)之间形成导磁通道(3)，转子铁芯(1)还包括多个沿轴向叠置的转子冲片(4)，转子冲片(4)上设置有轴孔(5)，沿着转子铁芯(1)的轴向，转子冲片(4)的圆心呈正弦曲线排布。根据本申请的电机转子，能够有效降低电机的转矩脉动，降低电机噪音，减少铁芯齿槽处的磁密饱和情况，减少铁芯铁损，提高电机效率。
Description
技术领域
本申请涉及电机设备技术领域，具体涉及一种电机转子及其制作方法、磁阻电机和电动汽车。
背景技术
永磁同步电机作为高效变频电机主流发展趋势，是支撑中国产业升级的有力支柱，但目前稀土资源的开采限制，严重制约了永磁电机的生产，开发无稀土电机也是势在必行。而永磁辅助同步磁阻电机采用无稀土磁阻电机结构，使用铁氧体磁钢，同时利用磁阻转矩和永磁转矩，能效提高至IE5，具有高能效低成本的特点，同时符合国家限制稀土资源大规模开发的战略国策。
永磁辅助同步磁阻电机由于永磁转矩和磁阻转矩的占比相近的特性，两种转矩磁场混合，谐波电磁激振力发生叠加效应，产生较大的转矩脉动和振动噪声，引起电机性能下降。
发明内容
因此，本申请要解决的技术问题在于提供一种电机转子及其制作方法、磁阻电机和电动汽车，能够有效降低电机的转矩脉动，降低电机噪音，减少铁芯齿槽处的磁密饱和情况，减少铁芯铁损，提高电机效率。
为了解决上述问题，本申请提供一种电机转子，包括转子铁芯，转子铁芯包括沿周向间隔设置的多个磁障组，每个磁障组包括沿径向间隔设置的至少两个磁通屏障，相邻的磁通屏障之间形成导磁通道，转子铁芯还包括多个沿轴向叠置的转子冲片，转子冲片上设置有轴孔，沿着转子铁芯的轴向，转子冲片的圆心呈正弦曲线排布。
优选地，各转子冲片的结构相同，轴孔与转子冲片的外圆同心。
优选地，各转子冲片均设置有轴孔，相邻两个转子冲片的轴孔与转子冲片的外圆圆心的相对位置不同，沿着转子铁芯的轴向，转子冲片的轴孔同心设置。
优选地，转子冲片的圆心相对于转子铁芯的转动轴线的最大偏心距为bmax，转子铁芯外周的气隙厚度为δ，其中0.2≤bmax/δ≤0.5。
优选地，转子铁芯的正弦周期数为3～5。
优选地，转子冲片的圆心相对于转子铁芯的转动轴线的最大偏心距为bmax，转子冲片的轴向高度为h，转子铁芯的轴向总高度为L，其中转子冲片的偏心距b满足：
优选地，电机转子还包括叠装轴，转子铁芯叠装在叠装轴上，转子铁芯与叠装轴之间设置有防转结构。
优选地，防转结构包括设置在叠装轴上的导向键和设置在轴孔内壁上的键槽，键槽设置在导向键上。
优选地，轴孔与转子冲片的外圆同心时，叠装轴为弯轴，弯轴呈正弦曲线形弯曲，转子冲片相对于叠装轴同轴设置。
优选地，转子冲片的轴孔同心设置时，叠装轴为直轴，沿着转子铁芯的轴向，转子冲片的外圆圆心相对于叠装轴的转动轴线呈正弦曲线形。
根据本申请的另一方面，提供了一种上述的电机转子的制作方法，包括：
加工预设数量的转子冲片；
在转子冲片上加工轴孔；
将转子冲片叠置，使得转子冲片的外圆圆心沿轴向呈正弦曲线排布。
优选地，在转子冲片上加工轴孔的步骤包括：
使得各转子冲片的规格相同，在各转子冲片上同心开设轴孔，并在轴孔的侧壁上开设键槽；
将转子冲片叠置，使得转子冲片的外圆圆心沿轴向呈正弦曲线排布的步骤包括：
加工弯曲的叠装轴，使得叠装轴沿轴向呈正弦曲线状，在叠装轴的外周壁加工沿轴向延伸的导向槽；
将转子冲片沿着导向键逐片叠装，形成正弦偏心结构转子。
优选地，在转子冲片上加工轴孔的步骤包括：
使得各转子冲片的规格相同，在各转子冲片的预设位置加工轴孔，并在轴孔的侧壁上开设键槽，使得各转子冲片的轴孔相对于转子冲片的外圆圆心呈现预设的偏心距；
将转子冲片叠置，使得转子冲片的外圆圆心沿轴向呈正弦曲线排布的步骤包括：
加工叠装轴，使得叠装轴沿轴向呈直轴状，在叠装轴的外周壁加工沿轴向延伸的导向槽；
将转子冲片沿着导向键按照预设顺序逐片叠装，形成正弦偏心结构转子。
优选地，制作方法还包括：
将叠压好的正弦偏心结构转子进行二次装夹；
对装夹好的正弦偏心结构转子进行冲压，将磁通屏障冲压成型。
根据本申请的另一方面，提供了一种磁阻电机，包括电机转子和电机定子，该电机转子为上述的电机转子。
根据本申请的另一方面，提供了一种电动汽车，包括上述的电机转子或上述的磁阻电机。
本申请提供的电机转子，包括转子铁芯，转子铁芯包括沿周向间隔设置的多个磁障组，每个磁障组包括沿径向间隔设置的至少两个磁通屏障，相邻的磁通屏障之间形成导磁通道，转子铁芯还包括多个沿轴向叠置的转子冲片，转子冲片上设置有轴孔，沿着转子铁芯的轴向，转子冲片的圆心呈正弦曲线排布。该电机转子的转子冲片外圆圆心与转子铁芯的转动轴线之间的偏移距离随着轴向距离不同，呈正弦变化，能够有效降低谐波磁场，抑制谐波反电势，从而降低转矩脉动，降低电机噪声，此外，由于转子冲片的圆心呈正弦曲线排布，因此可以使得相邻的两片转子冲片所在磁场的偏心距不同，形成错位，进而可以使得磁通屏障槽口位置处的饱和磁密通过轴向漏磁流入非饱和磁密的冲片层，从而避免了单层冲片局部磁密过于饱和，有效降低电机铁损，提高电机效率。
附图说明
图1为本申请实施例的电机转子的立体结构示意图；
图2为图1的A向结构示意图；
图3为图1的B向结构示意图；
图4为本申请实施例的电机转子的正弦偏心示意图；
图5为本申请实施例的电机转子的正弦偏心轴向示意图；
图6为本申请实施例的电机转子的生产工艺示意图；
图7为本申请实施例的电机转子的磁通屏障槽口结构示意图。
附图标记表示为：
1、转子铁芯；2、磁通屏障；3、导磁通道；4、转子冲片；5、轴孔；6、叠装轴；7、键槽；8、导向键；9、止挡凸缘。
具体实施方式
结合参见图1至图7所示，根据本申请的实施例，电机转子包括转子铁芯1，转子铁芯1包括沿周向间隔设置的多个磁障组，每个磁障组包括沿径向间隔设置的至少两个磁通屏障2，相邻的磁通屏障2之间形成导磁通道3，转子铁芯1还包括多个沿轴向叠置的转子冲片4，转子冲片4上设置有轴孔5，沿着转子铁芯1的轴向，转子冲片4的圆心呈正弦曲线排布。
该电机转子的转子冲片4外圆圆心与转子铁芯1的转动轴线之间的偏移距离随着轴向距离不同，呈正弦变化，能够有效降低谐波磁场，抑制谐波反电势，从而降低转矩脉动，降低电机噪声，此外，由于转子冲片4的圆心呈正弦曲线排布，因此可以使得相邻的两片转子冲片4所在磁场的偏心距不同，形成错位，进而可以使得磁通屏障2槽口位置处的饱和磁密通过轴向漏磁流入非饱和磁密的冲片层，如图7中的D区域所示，从而避免了单层冲片局部磁密过于饱和，有效降低电机铁损，提高电机效率。
在采用本申请的方案之后，转矩脉动能够控制在5％以内，电机铁损能够降低20％～30％，电机性能得到明显提升，电机噪声得到有效控制。
优选地，转子冲片4的圆心相对于转子铁芯1的转动轴线的最大偏心距为bmax，转子冲片4的轴向高度为h，转子铁芯1的轴向总高度为L，其中转子冲片4的偏心距b满足：
通过限定各个转子冲片4的偏心距b与转子冲片4的最大偏心距bmax、转子冲片4所在轴向高度h以及转子铁芯1的轴向总高度L之间的关系，能够实现对各个位置的转子冲片4结构的精确加工，从而有效保证加工出的转子冲片4在叠装之后能够达到设计要求，形成所需的正弦偏心式转子，有效保证电机转子的加工精度。
在其中一个实施例中，各转子冲片4的结构相同，轴孔5与转子冲片4的外圆同心。在本实施例中，各个转子冲片4的最终结构相同，因此能够进行批量化生产，降低了加工难度，提高了加工效率。由于各个转子冲片4的结构均相同，因此在进行叠装时，需要使得各转子冲片4能够沿着正弦曲线排布，从而形成正弦偏心结构的电机转子。
在本实施例中，电机转子还包括叠装轴6，转子铁芯1叠装在叠装轴6上，转子铁芯1与叠装轴6之间设置有防转结构。该防转结构能够防止转子铁芯1安装在叠装轴6上之后，各转子冲片4相对于叠装轴6之间发生转动，提高电机转子结构的稳定性和可靠性。
防转结构包括设置在叠装轴6上的导向键8和设置在轴孔5内壁上的键槽7，键槽7设置在导向键8上。防转结构也可以包括设置在叠装轴6上的键槽7和设置在轴孔5上的导向键8，也可以为其它结构形式的防转结构。
轴孔5与转子冲片4的外圆同心时，叠装轴6为弯轴，弯轴呈正弦曲线形弯曲，转子冲片4相对于叠装轴6同轴设置。由于各个转子冲片4的结构相同，轴孔5相对于转子冲片4的外圆圆心的设置位置也相同，因此依靠转子冲片4自身的结构是难以实现转子冲片4的圆心相对于转子铁芯的转动轴线呈正弦曲线排布的，此时需要将叠装轴6加工成弯轴，该弯轴的形状呈正弦曲线形，这样一来，当各转子冲片4逐片叠装在该叠装轴6上时，受叠装轴6的弯曲形状影响，转子冲片4叠置所形成的转子铁芯1其弯曲方向的外表面呈正弦曲线状，且各转子冲片4的外圆圆心沿轴向也是呈正弦曲线状的，而且由于各个转子冲片4的结构均是相同的，只需要保证叠装轴6的加工结构即可，因此实现更加容易，实现成本更低，能够通过叠装轴6的结构保证最终所形成的电机转子为所需的正弦偏心结构转子。
在本实施例中，各转子冲片4的外圆圆心所形成的正弦曲线位于经过转子铁芯1的转动轴线的平面内，该平面与转子铁芯1的外周壁的交线也呈正弦曲线形。外圆圆心仅在该平面内相对于转动轴线偏心，在其他方向上并不相对于转动轴线偏心。
在另外一个实施例中，各转子冲片4均设置有轴孔5，相邻两个转子冲片4的轴孔5与转子冲片4的外圆圆心的相对位置不同，沿着转子铁芯1的轴向，转子冲片4的轴孔5同心设置。在本实施例中，在未加工轴孔5之前，各个转子冲片4的规格相同，在加工轴孔5之后，各个转子冲片4形成各种相同或者不同的结构。在加工轴孔5的过程中，各个轴孔5均相对于转子冲片4的外圆圆心形成预设距离的偏心，从而使得所有的转子冲片4在按照预设顺序叠置之后，能够形成正弦偏心结构的电机转子。
在本实施例中，电机转子还包括叠装轴6，转子铁芯1叠装在叠装轴6上，转子铁芯1与叠装轴6之间设置有防转结构。该防转结构能够防止转子铁芯1安装在叠装轴6上之后，各转子冲片4相对于叠装轴6之间发生转动，提高电机转子结构的稳定性和可靠性。
防转结构包括设置在叠装轴6上的导向键8和设置在轴孔5内壁上的键槽7，键槽7设置在导向键8上。防转结构也可以包括设置在叠装轴6上的键槽7和设置在轴孔5上的导向键8，也可以为其它结构形式的防转结构。
转子冲片4的轴孔5同心设置时，叠装轴6为直轴，沿着转子铁芯1的轴向，转子冲片4的外圆圆心相对于叠装轴6的转动轴线呈正弦曲线形。
在本实施例中，由于各个转子冲片4的结构基本上都是不同的，因此对于转子冲片4的加工量较大，但是由于本申请是从转子冲片4的结构加工上来实现电机转子的正弦偏心式结构，因此叠装轴6无需加工成弯曲形，可以直接加工成直轴，然后直接将转子冲片4按照预设的顺序叠置在叠装轴6上即可，能够降低转子冲片4在叠装轴6上的安装难度，提高安装效率，而且能够更加有效地保证叠装轴6的加工精度。
转子冲片4的圆心相对于转子铁芯1的转动轴线的最大偏心距为bmax，转子铁芯1外周的气隙厚度为δ，其中0.2≤bmax/δ≤0.5。
转子铁芯1的正弦周期数为3～5。
由于正弦偏心结构，其气隙磁密延轴向上呈正弦排布，合成的总磁密相比原不偏心结构，会乘上一个削弱系数k，该系数与正弦偏心尺寸关系如下：
式中，p为电机极数，L为铁芯高度，n为正弦周期数，δ为电机的气隙厚度。
对于v次谐波磁场，其削弱系数kv有所变化，如下：
为使谐波磁场削弱幅度最大，并且考虑装配工艺的难易度，偏心距与气隙长度的比值bmax/δ取0.2～0.5，正弦周期数n取3～5，能够使得主要的谐波磁场如齿谐波磁场的削弱幅度达80％，转矩脉动削弱至5％以内。
优选地，在叠装轴6的末端设置有止挡凸缘9，该止挡凸缘9可以在转子冲片4的安装过程中，对转子冲片4的安装形成轴向止挡，从而保证转子冲片4能够快速准确安装到位。该止挡凸缘9的直径大于转子冲片4的轴孔5的直径。该止挡凸缘9可以与叠装轴6一体成型，也可以分开加工之后固定安装在叠装轴6上。
为了降低转子冲片4在叠装轴6上的安装难度，提高安装效率，优选地，键槽7与导向键8间隙配合，间隙为0.1～0.15mm，键槽7的槽壁和导向键8的外周的粗糙度小于或等于1.6。
导向键8的截面呈矩形、梯形、三角形或半圆形。
根据本申请的实施例，一种上述的电机转子的制作方法包括：加工预设数量的转子冲片4；在转子冲片4上加工轴孔5；将转子冲片4叠置，使得转子冲片4的外圆圆心沿轴向呈正弦曲线排布。
通过上述的方法，能够快速准确地加工制作出正弦偏心式电机转子，从而满足电机转子的设计需求。
通过该方式形成的电机转子，采用呈轴向正弦分布的结构，能够形成正弦偏心式的电机转子结构，在由于运行不当产生轴向窜动造成轴向位移时，正弦结构会作为一个缓冲机构，产生与振动位移相反的轴向磁拉力，以抵消轴向窜动的机械冲击，从而减缓轴向窜动，提高稳定性。
在其中一个实施例中，在转子冲片4上加工轴孔5的步骤包括：使得各转子冲片4的规格相同，在各转子冲片4上同心开设轴孔5，并在轴孔5的侧壁上开设键槽7；将转子冲片4叠置，使得转子冲片4的外圆圆心沿轴向呈正弦曲线排布的步骤包括：加工弯曲的叠装轴6，使得叠装轴6沿轴向呈正弦曲线状，在叠装轴6的外周壁加工沿轴向延伸的导向槽；将转子冲片4沿着导向键8逐片叠装，形成正弦偏心结构转子。
在另外一个实施例中，在转子冲片4上加工轴孔5的步骤包括：使得各转子冲片4的规格相同，在各转子冲片4的预设位置加工轴孔5，并在轴孔5的侧壁上开设键槽7，使得各转子冲片4的轴孔5相对于转子冲片4的外圆圆心呈现预设的偏心距；将转子冲片4叠置，使得转子冲片4的外圆圆心沿轴向呈正弦曲线排布的步骤包括：加工叠装轴6，使得叠装轴6沿轴向呈直轴状，在叠装轴6的外周壁加工沿轴向延伸的导向槽；将转子冲片4沿着导向键8按照预设顺序逐片叠装，形成正弦偏心结构转子。
制作方法还包括：将叠压好的正弦偏心结构转子进行二次装夹；对装夹好的正弦偏心结构转子进行冲压，将磁通屏障2冲压成型。
通过上述方式，能够加工出磁阻电机的磁通屏障，从而完成转子铁芯的加工过程。
根据本申请的实施例，磁阻电机包括电机转子和电机定子，该电机转子为上述的电机转子。
根据本申请的实施例，电动汽车包括上述的电机转子或上述的磁阻电机。
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 (16)
1.一种电机转子，其特征在于，包括转子铁芯(1)，所述转子铁芯(1)包括沿周向间隔设置的多个磁障组，每个磁障组包括沿径向间隔设置的至少两个磁通屏障(2)，相邻的所述磁通屏障(2)之间形成导磁通道(3)，所述转子铁芯(1)还包括多个沿轴向叠置的转子冲片(4)，所述转子冲片(4)上设置有轴孔(5)，沿着所述转子铁芯(1)的轴向，所述转子冲片(4)的圆心呈正弦曲线排布。
2.根据权利要求1所述的电机转子，其特征在于，各所述转子冲片(4)的结构相同，所述轴孔(5)与所述转子冲片(4)的外圆同心。
3.根据权利要求1所述的电机转子，其特征在于，各所述转子冲片(4)均设置有轴孔(5)，相邻两个所述转子冲片(4)的轴孔(5)与所述转子冲片(4)的外圆圆心的相对位置不同，沿着所述转子铁芯(1)的轴向，所述转子冲片(4)的轴孔(5)同心设置。
4.根据权利要求1所述的电机转子，其特征在于，所述转子冲片(4)的圆心相对于所述转子铁芯(1)的转动轴线的最大偏心距为bmax，所述转子铁芯(1)外周的气隙厚度为δ，其中0.2≤bmax/δ≤0.5。
5.根据权利要求1所述的电机转子，其特征在于，所述转子铁芯(1)的正弦周期数为3～5。
6.根据权利要求1所述的电机转子，其特征在于，所述转子冲片(4)的圆心相对于所述转子铁芯(1)的转动轴线的最大偏心距为bmax，所述转子冲片(4)的轴向高度为h，所述转子铁芯(1)的轴向总高度为L，其中所述转子冲片(4)的偏心距b满足：
7.根据权利要求1至6中任一项所述的电机转子，其特征在于，所述电机转子还包括叠装轴(6)，所述转子铁芯(1)叠装在所述叠装轴(6)上，所述转子铁芯(1)与所述叠装轴(6)之间设置有防转结构。
8.根据权利要求7所述的电机转子，其特征在于，所述防转结构包括设置在所述叠装轴(6)上的导向键(8)和设置在所述轴孔(5)内壁上的键槽(7)，所述键槽(7)设置在所述导向键(8)上。
9.根据权利要求8所述的电机转子，其特征在于，所述轴孔(5)与所述转子冲片(4)的外圆同心时，所述叠装轴(6)为弯轴，所述弯轴呈正弦曲线形弯曲，所述转子冲片(4)相对于所述叠装轴(6)同轴设置。
10.根据权利要求8所述的电机转子，其特征在于，所述转子冲片(4)的轴孔(5)同心设置时，所述叠装轴(6)为直轴，沿着所述转子铁芯(1)的轴向，所述转子冲片(4)的外圆圆心相对于所述叠装轴(6)的转动轴线呈正弦曲线形。
11.一种如权利要求1至10中任一项所述的电机转子的制作方法，其特征在于，包括：
加工预设数量的转子冲片(4)；
在转子冲片(4)上加工轴孔(5)；
将转子冲片(4)叠置，使得转子冲片(4)的外圆圆心沿轴向呈正弦曲线排布。
12.根据权利要求11所述的电机转子的制作方法，其特征在于，
在转子冲片(4)上加工轴孔(5)的步骤包括：
使得各转子冲片(4)的规格相同，在各转子冲片(4)上同心开设轴孔(5)，并在轴孔(5)的侧壁上开设键槽(7)；
将转子冲片(4)叠置，使得转子冲片(4)的外圆圆心沿轴向呈正弦曲线排布的步骤包括：
加工弯曲的叠装轴(6)，使得叠装轴(6)沿轴向呈正弦曲线状，在叠装轴(6)的外周壁加工沿轴向延伸的导向槽；
将转子冲片(4)沿着导向键(8)逐片叠装，形成正弦偏心结构转子。
13.根据权利要求11所述的电机转子的制作方法，其特征在于，
在转子冲片(4)上加工轴孔(5)的步骤包括：
使得各转子冲片(4)的规格相同，在各转子冲片(4)的预设位置加工轴孔(5)，并在轴孔(5)的侧壁上开设键槽(7)，使得各转子冲片(4)的轴孔(5)相对于转子冲片(4)的外圆圆心呈现预设的偏心距；
将转子冲片(4)叠置，使得转子冲片(4)的外圆圆心沿轴向呈正弦曲线排布的步骤包括：
加工叠装轴(6)，使得叠装轴(6)沿轴向呈直轴状，在叠装轴(6)的外周壁加工沿轴向延伸的导向槽；
将转子冲片(4)沿着导向键(8)按照预设顺序逐片叠装，形成正弦偏心结构转子。
14.根据权利要求12或13所述的电机转子的制作方法，其特征在于，所述制作方法还包括：
将叠压好的正弦偏心结构转子进行二次装夹；
对装夹好的正弦偏心结构转子进行冲压，将磁通屏障(2)冲压成型。
15.一种磁阻电机，包括电机转子和电机定子，其特征在于，所述电机转子为权利要求1至10中任一项所述的电机转子。
16.一种电动汽车，其特征在于，包括权利要求1至10中任一项所述的电机转子。
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