CN111030339A - 电机转子和交替极电机 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种电机转子和交替极电机。该电机转子包括转子铁芯(1)，转子铁芯(1)包括沿周向交替设置的永磁极和交替极，永磁极上设置有安装槽(2)，安装槽(2)内设置有永磁体，永磁体包括第一磁段(3)、第二磁段(4)、第三磁段(5)、第四磁段(6)和第五磁段(7)，第三磁段(5)沿转子铁芯(1)的周向延伸，第一磁段(3)和第五磁段(7)位于第三磁段(5)的径向外周侧并沿转子铁芯(1)的周向延伸，第二磁段(4)连接在第一磁段(3)和第三磁段(5)之间，第四磁段(6)连接在第三磁段(5)和第五磁段(7)之间。根据本申请的电机转子，能够有效减小电机漏磁，提高永磁体供磁面积，提高电机输出转矩。

Description

电机转子和交替极电机
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。
在现有技术中，交替极电机上的永磁体一般采用一字型或V字型，采用一字型时，永磁体沿转子外周圆分布，首先受限于转子的外圆形状，永磁体靠近转子外圆时，永磁体的体积不能太大，永磁体能提供的磁通面积很小，无法得到足够的转矩；若需要提供足够的磁通面积，则永磁体需安装于靠近转子轴的转子轭上，但是会增大漏磁，同样影响转矩输出。采用V字型时，永磁极上的永磁体安装呈V型分布，但由于永磁体的一端靠近转子轴，增大漏磁，引起电机转矩下降。
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和交替极电机，能够有效减小电机漏磁，提高永磁体供磁面积，提高电机输出转矩。
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交替设置的永磁极和交替极，永磁极上设置有安装槽，安装槽内设置有永磁体，永磁体包括第一磁段、第二磁段、第三磁段、第四磁段和第五磁段，第三磁段位于永磁极中心线上并沿转子铁芯的周向延伸，第一磁段和第五磁段位于第三磁段的径向外周侧并沿转子铁芯的周向延伸，第二磁段连接在第一磁段和第三磁段之间，第四磁段连接在第三磁段和第五磁段之间。
优选地，第一磁段和第五磁段关于永磁极中心线对称，第二磁段和第四磁段关于永磁极中心线对称，第三磁段自身关于永磁极中心线对称。
优选地，永磁体为M形结构。
优选地，安装槽的周向两侧设置有两个空气槽，空气槽沿着远离永磁极中心线的方向周向延伸。
优选地，空气槽的延伸方向与其衔接位置处的安装槽的延伸方向相同。
优选地，第一磁段和第五磁段所对应的安装槽段均相对于转子铁芯的外圆同轴。
优选地，第三磁段为弧形或者一字型。
优选地，第三磁段的径向外侧在衔接位置处与第二磁段和第四磁段的径向外侧齐平，第三磁段的径向内侧凸出于第二磁段和第四磁段的径向内侧。
优选地，在垂直于转子铁芯的中心轴线的平面内，第一磁段和第五磁段的径向外侧边远离永磁极中心线的端点与转子铁芯的中心连线之间的夹角为a53，转子铁芯包括N个极，其中0.9≤a53/(360/N)≤1.2。
优选地，在垂直于转子铁芯的中心轴线的平面内，第三磁段的径向外侧边与第四磁段的径向外侧边在交接位置处所形成的夹角为a512，其中120°≤a512≤160°。
优选地，在垂直于转子铁芯的中心轴线的平面内，第三磁段的径向外侧边两个端点与转子铁芯的中心连线所形成的夹角为a51，第一磁段和第五磁段的径向外侧边远离永磁极中心线的端点与转子铁芯的中心连线之间的夹角为a53，其中0.2≤a51/a53≤0.4；和/或，第三磁段的宽度为t51，第一磁段和第五磁段的宽度为t53，其中1.2≤t51/t53≤1.4。
优选地，在垂直于转子铁芯的中心轴线的平面内，第二磁段和第四磁段的径向外侧边远离永磁极中心线的端点与转子铁芯的中心连线之间的夹角为a52，第一磁段和第五磁段的径向外侧边远离永磁极中心线的端点与转子铁芯的中心连线之间的夹角为a53，其中0.5≤a52/a53≤0.6；和/或，第二磁段和第四磁段的宽度为t52，第一磁段和第五磁段的宽度为t53，其中1≤t51/t53≤1.2。
优选地，在垂直于转子铁芯的中心轴线的平面内，永磁极中心线两侧的空气槽的径向外侧边远离永磁极中心线的两个端点与转子铁芯的中心连线所形成的夹角为a6，交替极中心线两侧的空气槽的径向外侧边靠近交替极中心线的两个端点与转子铁芯的中心连线所形成的夹角为a3，其中0.6≤a3/a6≤0.8。
根据本申请的另一方面，提供了一种交替极电机，包括电机转子和电机定子，该电机转子为上述的电机转子。
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交替设置的永磁极和交替极，永磁极上设置有安装槽，安装槽内设置有永磁体，永磁体包括第一磁段、第二磁段、第三磁段、第四磁段和第五磁段，第三磁段位于永磁极中心线上并沿转子铁芯的周向延伸，第一磁段和第五磁段位于第三磁段的径向外周侧并沿转子铁芯的周向延伸，第二磁段连接在第一磁段和第三磁段之间，第四磁段连接在第三磁段和第五磁段之间。本申请中通过限定多块永磁体结构的设置方式和位置关系，能够利用最靠近转子铁芯的中心的第三磁段所形成的周向延伸的永磁体来代替现有技术中的V字形永磁体的尖角部分，从而在增大永磁体磁通面积的同时，减少漏磁，提高永磁体利用率，同时，本申请在靠近转子外圆的位置设置有第一磁段和第五磁段，能够最大化增加磁通面积，还可以起到约束交替极电机磁力线的作用，提高输出转矩。
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磁力线图；
图3为本申请实施例的交替极电机的转矩与a53/(360/N)的关系图；
图4为本申请实施例的交替极电机的转矩与a52/a53的关系图；
图5为本申请实施例的电机与现有技术电机的转矩输出对比图。
附图标记表示为：
1、转子铁芯；2、安装槽；3、第一磁段；4、第二磁段；5、第三磁段；6、第四磁段；7、第五磁段；8、空气槽。
具体实施方式
结合参见图1至图5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包括沿周向交替设置的永磁极和交替极，永磁极上设置有安装槽2，安装槽2内设置有永磁体，永磁体包括第一磁段3、第二磁段4、第三磁段5、第四磁段6和第五磁段7，第三磁段5位于永磁极中心线上并沿转子铁芯1的周向延伸，第一磁段3和第五磁段7位于第三磁段5的径向外周侧并沿转子铁芯1的周向延伸，第二磁段4连接在第一磁段3和第三磁段5之间，第四磁段6连接在第三磁段5和第五磁段7之间。
为了保证转矩能力，交替极电机需要比常规电机更大的磁通面积。常规电机中永磁体的安装方式为表贴或者内置的一字型或者V字型，受到转子拓扑限制，永磁体磁通面积受到限制。研究表明，V字型结构交替极电机的两个永磁体交叉的地方易产生永磁体饱和，并且接近转子轴孔，一方面会使磁力线的磁路变长，另一方面由于铁芯极也就是交替极上没有永磁体的引导，交替极电机中永磁体发出的磁力线一部分会流向转轴，永磁体距离转轴越近，漏磁越多，因此本申请用一块沿周向延伸的永磁体即第三磁段5代替V字型永磁体的夹角部分，增大永磁体磁通面积的同时提高永磁体利用率。另一方面，V字型永磁体夹角张开到一定角度时磁通面积的增加速度会变慢，因此，本申请中将V字型永磁体张开处的永磁体用靠近转子外圆的第一磁段3和第五磁段7替换，最大化增加磁通面积。考虑到交替极电机的特殊性，设置在靠近转子外圆位置的第一磁段3和第五磁段7同样起到约束交替极电机磁力线的作用。如图2所示为交替极电机的磁力线分布图，永磁体在使磁通面积增大的同时，由于沿周向延伸的第三磁段替代了V字型结构的尖角部分，使永磁体与转轴的距离增大，缩短了磁路，减小了漏磁，因此在磁通面积增大、漏磁减小的情况下，交替极电机的输出转矩得到有效增大。
本申请中的转子铁芯1采用盘式开槽结构，由软磁材料薄片叠压而成，在转子铁芯1上的安装槽2也分为多段，每个安装槽段均安装有一个磁段，各安装槽段相互连通，永磁体可以为一体式的整体结构，也可以为多段永磁体所形成的分段结构，每个独立的永磁体可以包括多个磁段，也可以只包括单一磁段。所有的磁段进行合并分解，可以得到1、2、3、4块等不同数量的永磁体安装方式，只需保证每一永磁极上的所有永磁体形成的轮廓形状与本申请方案中的永磁体形成的轮廓形状相似，即可实现交替极电机的大转矩输出。
结合参见图5所示，在采用本申请的永磁体结构之后，相比于现有技术中的V字型永磁体，由于第三磁段5替代了V字形结构的尖角部分，使于第三磁段5相对于原V字形结构的尖角部分远离转子轴，因此减小了漏磁；而在第三磁段5的径向外周侧周向延伸的第一磁段3和第五磁段7，相比于现有技术中的一字型永磁体，增大了磁通面积，从而增大了输出转矩，第一磁段3至第五磁段7的组合应用解决了现有技术中一字型永磁体和V字型永磁体中的磁通面积与漏磁的矛盾，增大了输出转矩。
在本申请中，每个磁段均沿该磁段的厚度方向进行充磁，例如，第一磁段3、第三磁段5和第五磁段7均沿径向充磁，第二磁段4和第四磁段6均沿磁段的厚度方向充磁，其充磁方向垂直于该磁段的径向外表面。
第一磁段3和第五磁段7关于永磁极中心线对称，第二磁段4和第四磁段6关于永磁极中心线对称，第三磁段5自身关于永磁极中心线对称，能够使得永磁极在中心线两侧形成对称的磁路结构，从而使得所形成的电机转矩输出更加稳定。
第一磁段3、第二磁段4、第四磁段6和第五磁段7对磁力线具有一定的约束作用，且与现有技术中的一字型永磁体相比，由于一字型永磁体沿转子周向安装，受限于转子的外周圆形状，为了远离转子轴，减小漏磁，一字型永磁体的体积较小，故磁通面积较小，无法提供大输出扭矩，而本申请中的第一磁段3与第二磁段4之间、第四磁段6与第五磁段7之间具有一定的夹角，第二磁段4相对于第一磁段3向转子轭倾斜安装，第四磁段6相对于第五磁段7向转子轭倾斜安装，故增大了磁通面积，增大了输出扭矩。
永磁体例如为M形结构。在本申请中，M形永磁体结构的中间部分采用周向延伸的第三磁段5对磁路结构进行了优化，在减小漏磁的同时，增大了永磁面积，增大了转矩输出。
安装槽2的周向两侧设置有两个空气槽8，空气槽8沿着远离永磁极中心线的方向周向延伸，且关于永磁极中心线对称，因此能够改善永磁极与交替极上的磁密分布，尤其是永磁极与交替极交界处的磁密，从而使得磁密分布更加对称、均匀，减小转矩波动。
优选地，空气槽8的延伸方向与其衔接位置处的安装槽2的延伸方向相同。
第一磁段3和第五磁段7所对应的安装槽2段均相对于转子铁芯1的外圆同轴，能够与转子铁芯1的外圆之间形成等厚的隔磁桥。第一磁段3和第五磁段7与转子铁芯1的外圆之间也可以形成不等厚的隔磁桥。
优选地，第三磁段5为弧形或者一字型。
优选地，第三磁段5的径向外侧在衔接位置处与第二磁段4和第四磁段6的径向外侧齐平，第三磁段5的径向内侧凸出于第二磁段4和第四磁段6的径向内侧。该结构能够避免第三磁段5向着永磁体的径向外侧所形成的凹槽区域内的转子铁芯1凸出。由于永磁体的径向外侧所形成的凹槽区域内的转子铁芯1本身的体积就较小，所能容纳的磁通有限，因此，如果第三磁段5继续向该区域凸出，虽然能够增大第三磁段5本身的磁场强度，但是同时，也会减小该区域的转子铁芯1所能容纳的磁通量，导致第三磁段5所增加的磁通不能够得到充分的利用，甚至反而降低转矩输出，因此，使得第三磁段5向着永磁体的径向内侧的方向凸出，就能够在增加第三磁段5的磁通量的同时，不会对位于径向外侧的转子铁芯1的磁通面积造成影响，有效保证了该区域内的磁通量，使得转子铁芯1的效率得到有效提升，更加有效地提高电机的转矩输出。
在垂直于转子铁芯1的中心轴线的平面内，第一磁段3和第五磁段7的径向外侧边远离永磁极中心线的端点与转子铁芯1的中心连线之间的夹角为a53，转子铁芯1包括N个极，其中0.9≤a53/(360/N)≤1.2。其中永磁体的组数为N/2。如图3所示，当该比值过小时，无法提供足够的磁通面积，当该比值过大时，第一磁段3和第五磁段7向交替极过度延伸，减小了交替极面积，并使部分交替极区域磁场方向反向，该部分反向磁场与电枢磁场作用产生反向转矩，降低输出转矩。
该比值表征了交替极电机供磁面积占圆周的比例。首先，为了保证交替极电机具有足够的面积，比值必须大于或等于0.9，这样才能保证电机的转矩能力。当比值增加的时候，电机输出转矩随着比值增加的增加速度逐渐变慢，当比值大于1.2时，继续增加永磁体面积电机转矩反而会下降，这是因为，假如永磁体的极性为N极，永磁体供磁面积逐渐向两侧增加，则会慢慢进入到原来交替极为S极的区域，进入的部分变多时，电枢磁力线原本和S极相互作用产生正向的转矩，现在与N极磁力线相互作用产生反向的转矩，因此转矩会下降。
在垂直于转子铁芯1的中心轴线的平面内，第三磁段5的径向外侧边与第四磁段6的径向外侧边在交接位置处所形成的夹角为a512，其中120°≤a512≤160°。若该比值过小，将会使位于永磁极中心线两侧的第二磁段4和第四磁段6之间的区域面积减小，即减小了磁通面积，减小了输出转矩，此外也会增大了永磁极上的磁密，增大了永磁极与交替极上的磁密非对称性，增大谐波含量，减小转矩；若该比值过大，将会使第三磁段5与转子外圆间的磁桥宽度过小，造成磁密饱和，无法有效增大输出扭矩。
在垂直于转子铁芯1的中心轴线的平面内，第三磁段5的径向外侧边两个端点与转子铁芯1的中心连线所形成的夹角为a51，第一磁段3和第五磁段7的径向外侧边远离永磁极中心线的端点与转子铁芯1的中心连线之间的夹角为a53，其中0.2≤a51/a53≤0.4。若该比值过小，则a51过小或a53过大，a51过小会导致第三磁段5的宽度过窄，磁通面积减小，降低输出转矩，a53过大会导致第一磁段3和第五磁段7的宽度过大，减小了交替极面积，影响磁密分布，增大了交替极与永磁极上的磁密非对称性，增大谐波含量，降低输出转矩。
第三磁段5的宽度为t51，第一磁段3和第五磁段7的宽度为t53，其中1.2≤t51/t53≤1.4。若该比值过小，则t51过小或t53过大，t51过小将会使磁通减小，降低输出转矩，t53过大将会使磁桥过饱和，永磁体利用率低，同时也会增大第一磁段3和第五磁段7上的端部漏磁。
在垂直于转子铁芯1的中心轴线的平面内，第二磁段4和第四磁段6的径向外侧边远离永磁极中心线的端点与转子铁芯1的中心连线之间的夹角为a52，第一磁段3和第五磁段7的径向外侧边远离永磁极中心线的端点与转子铁芯1的中心连线之间的夹角为a53，其中0.5≤a52/a53≤0.6。若该比值过小，则a52过小或a53过大，a52过小会减小永磁极面积，减小磁通面积，使输出转矩减小，此外也会增大了永磁极上的磁密，增大永磁极与交替极上的磁密非对称性，增大谐波含量，减小转矩增大永磁极上的磁密；若该比值过大，则a52过大或a53过小，a52过大将会使第二磁段4和第四磁段6的倾斜角度过大，使第一磁段3和第五磁段7向两侧交替极过度延伸，减小交替极面积，同样影响交替极与永磁极磁密的对称性，增大谐波含量，增大转矩波动，减小输出转矩，甚至与电枢磁场作用产生反向转矩，降低输出转矩，如图4所示。
第二磁段4和第四磁段6的宽度为t52，第一磁段3和第五磁段7的宽度为t53，其中1≤t51/t53≤1.2。永磁体的厚度同样影响磁通及磁饱和，因此，通过合理限定t51/t53的比值，能够增大磁通面积，增大输出转矩，有效避免发生磁饱和现象。
在垂直于转子铁芯1的中心轴线的平面内，永磁极中心线两侧的空气槽8的径向外侧边远离永磁极中心线的两个端点与转子铁芯1的中心连线所形成的夹角为a6，交替极中心线两侧的空气槽8的径向外侧边靠近交替极中心线的两个端点与转子铁芯1的中心连线所形成的夹角为a3，其中0.6≤a3/a6≤0.8。该比值规定了交替极与永磁极的相对大小，该比值过大或过小均会导致交替极或永磁极过大和过小，从而影响交替极与永磁极上的磁密，增大转矩波动，降低输出转矩的稳定性，影响平均转矩。
根据本申请的实施例，交替极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。
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 (14)

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)包括沿周向交替设置的永磁极和交替极，所述永磁极上设置有安装槽(2)，所述安装槽(2)内设置有永磁体，所述永磁体包括第一磁段(3)、第二磁段(4)、第三磁段(5)、第四磁段(6)和第五磁段(7)，所述第三磁段(5)位于永磁极中心线上并沿所述转子铁芯(1)的周向延伸，所述第一磁段(3)和所述第五磁段(7)位于所述第三磁段(5)的径向外周侧并沿所述转子铁芯(1)的周向延伸，所述第二磁段(4)连接在所述第一磁段(3)和所述第三磁段(5)之间，所述第四磁段(6)连接在所述第三磁段(5)和所述第五磁段(7)之间。
2.根据权利要求1所述的电机转子，其特征在于，所述第一磁段(3)和所述第五磁段(7)关于永磁极中心线对称，所述第二磁段(4)和所述第四磁段(6)关于永磁极中心线对称，所述第三磁段(5)自身关于永磁极中心线对称。
3.根据权利要求1所述的电机转子，其特征在于，所述永磁体为M形结构。
4.根据权利要求1所述的电机转子，其特征在于，所述安装槽(2)的周向两侧设置有两个空气槽(8)，所述空气槽(8)沿着远离永磁极中心线的方向周向延伸。
5.根据权利要求4所述的电机转子，其特征在于，所述空气槽(8)的延伸方向与其衔接位置处的所述安装槽(2)的延伸方向相同。
6.根据权利要求1所述的电机转子，其特征在于，所述第一磁段(3)和所述第五磁段(7)所对应的安装槽段均相对于所述转子铁芯(1)的外圆同轴。
7.根据权利要求1所述的电机转子，其特征在于，所述第三磁段(5)为弧形或者一字型。
8.根据权利要求1所述的电机转子，其特征在于，所述第三磁段(5)的径向外侧在衔接位置处与所述第二磁段(4)和所述第四磁段(6)的径向外侧齐平，所述第三磁段(5)的径向内侧凸出于所述第二磁段(4)和所述第四磁段(6)的径向内侧。
9.根据权利要求1所述的电机转子，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，所述第一磁段(3)和所述第五磁段(7)的径向外侧边远离永磁极中心线的端点与所述转子铁芯(1)的中心连线之间的夹角为a53，所述转子铁芯(1)包括N个极，其中0.9≤a53/(360/N)≤1.2。
10.根据权利要求8所述的电机转子，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，所述第三磁段(5)的径向外侧边与所述第四磁段(6)的径向外侧边在交接位置处所形成的夹角为a512，其中120°≤a512≤160°。
11.根据权利要求2所述的电机转子，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，所述第三磁段(5)的径向外侧边两个端点与所述转子铁芯(1)的中心连线所形成的夹角为a51，所述第一磁段(3)和所述第五磁段(7)的径向外侧边远离永磁极中心线的端点与所述转子铁芯(1)的中心连线之间的夹角为a53，其中0.2≤a51/a53≤0.4；和/或，所述第三磁段(5)的宽度为t51，所述第一磁段(3)和所述第五磁段(7)的宽度为t53，其中1.2≤t51/t53≤1.4。
12.根据权利要求2所述的电机转子，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，所述第二磁段(4)和所述第四磁段(6)的径向外侧边远离永磁极中心线的端点与所述转子铁芯(1)的中心连线之间的夹角为a52，所述第一磁段(3)和所述第五磁段(7)的径向外侧边远离永磁极中心线的端点与所述转子铁芯(1)的中心连线之间的夹角为a53，其中0.5≤a52/a53≤0.6；和/或，所述第二磁段(4)和所述第四磁段(6)的宽度为t52，所述第一磁段(3)和所述第五磁段(7)的宽度为t53，其中1≤t51/t53≤1.2。
13.根据权利要求4所述的电机转子，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，所述永磁极中心线两侧的所述空气槽(8)的径向外侧边远离所述永磁极中心线的两个端点与所述转子铁芯(1)的中心连线所形成的夹角为a6，所述交替极中心线两侧的所述空气槽(8)的径向外侧边靠近所述交替极中心线的两个端点与所述转子铁芯(1)的中心连线所形成的夹角为a3，其中0.6≤a3/a6≤0.8。
14.一种交替极电机，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13中任一项所述的电机转子。
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