CN111082561B - 电机转子和交替极电机 - Google Patents

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，转子铁芯包括第一永磁极、第二永磁极、第一交替极和第二交替极，第一永磁极和第二永磁极邻接，形成一组永磁极组，第一永磁极和第二永磁极的极性相反，第一交替极和第二交替极邻接，形成一组交替极组，永磁极组和交替极组沿电机转子的周向交替设置，第一永磁极上设置有第一安装槽，第二永磁极上设置有第二安装槽，第一安装槽和第二安装槽相互远离的两端分别设置有第一空气槽。根据本申请的电机转子，能够降低控制难度，降低电机转矩波动，减少永磁体的端部漏磁，同时对交替极上的磁力线进行约束，形成较强的气隙磁场，提高电机性能。

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。

现有的交替极永磁电机，在电机运行过程中，当一组U相绕组轴线对准永磁体时，另外两组U相绕组轴线同样对准永磁体，而V相或者W相绕组此时只能对着交替极，即铁芯极，三相绕组磁路不对称，引起控制难度增加，电机转矩波动增加，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和交替极电机，能够降低控制难度，降低电机转矩波动，减少永磁体的端部漏磁，同时对交替极上的磁力线进行约束，形成较强的气隙磁场，提高电机性能。

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，转子铁芯包括第一永磁极、第二永磁极、第一交替极和第二交替极，第一永磁极和第二永磁极邻接，形成一组永磁极组，第一永磁极和第二永磁极的极性相反，第一交替极和第二交替极邻接，形成一组交替极组，永磁极组和交替极组沿电机转子的周向交替设置，第一永磁极上设置有第一安装槽，第二永磁极上设置有第二安装槽，第一安装槽内设置有第一永磁体，第二安装槽内设置有第二永磁体，在垂直于转子铁芯的中心轴线的截面内，第一安装槽和第二安装槽相互远离的两端分别设置有第一空气槽。

优选地，第一空气槽沿转子铁芯的周向延伸；和/或，第一空气槽6沿转子铁芯的径向延伸。

优选地，沿着远离永磁体的方向，第一空气槽的径向宽度递增。

优选地，位于同一永磁极组周向两侧的第一空气槽，其径向外周侧的远离永磁体的两个端点与转子铁芯的中心连线所形成的夹角为a1，位于同一交替极周向两侧的两个第一空气槽，其径向外周侧的远离永磁体的两个端点与转子铁芯的中心连线所形成的夹角为a2，其中1.1≤a1/a2≤1.9。

优选地，第一空气槽靠近永磁体一侧的边缘宽度为t11，第一空气槽远离永磁体一侧的边缘宽度为t12，其中1.1≤t12/t11≤3。

优选地，转子铁芯上还设置有第二空气槽，第二空气槽设置在第一交替极和第二交替极的交接位置处，并沿径向向转子铁芯的中心方向延伸。

优选地，沿着靠近转子铁芯的中心的方向，第二空气槽的周向宽度递增。

优选地，第二空气槽的径向外周侧边缘的宽度为w21，第二空气槽的径向内周侧边缘的宽度为w22，其中1≤w22/w21≤3.3。

优选地，第二空气槽的径向外周侧距离转子铁芯的外圆最大距离为t20，永磁体距离转子铁芯的外圆最大距离为tm，其中0.3≤t20/tm≤0.5。

优选地，转子铁芯上还设置有第三空气槽，第三空气槽连接在第二空气槽的径向内周侧，并沿转子铁芯的周向向两侧延伸，相邻的第三空气槽之间形成桥接部。

优选地，在垂直于转子铁芯的中心轴线的截面内，桥接部的侧边延长线与第一永磁体的径向内侧边形成交点，以交点为分界点，第一永磁体位于交点的远离桥接部一侧的周向长度占第一永磁体的总周向长度的比例为0.67～0.9；桥接部的侧边延长线与第二永磁体的径向内侧边形成交点，以交点为分界点，第二永磁体位于交点的远离桥接部一侧的周向长度占第二永磁体的总周向长度的比例为0.67～0.9。

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。

优选地，电机定子包括定子铁芯，定子铁芯上设置有定子齿，定子齿上缠绕有三相均匀分布的线圈绕组。

本申请提供的电机转子，包括转子铁芯，转子铁芯包括第一永磁极、第二永磁极、第一交替极和第二交替极，第一永磁极和第二永磁极邻接，形成一组永磁极组，第一永磁极和第二永磁极的极性相反，第一交替极和第二交替极邻接，形成一组交替极组，永磁极组和交替极组沿电机转子的周向交替设置，第一永磁极上设置有第一安装槽，第二永磁极上设置有第二安装槽，第一安装槽内设置有第一永磁体，第二安装槽内设置有第二永磁体，在垂直于转子铁芯的中心轴线的截面内，第一安装槽和第二安装槽相互远离的两端分别设置有第一空气槽。本申请的电机转子，改变了永磁极和交替极的分布结构，使得永磁极和交替极两两为一组沿周向交替设置，且一组中的两个永磁极的极性相反，能够使得三相绕组磁路对称，有效降低控制难度，降低电机转矩波动，提高电机性能，同时，由于在第一安装槽和第二安装槽相互远离的两端分别设置有第一空气槽，因此能够利用第一空气槽一方面减少永磁体的端部漏磁，另一方面交替极上的磁力线分布散乱，无法形成有效的磁密，可以通过第一空气槽加以约束以形成较强的气隙磁场，从而提高电机的工作性能。

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为本申请第一实施例的电机转子的结构示意图；

图3为本申请第二实施例的电机转子的结构示意图；

图4为本申请第三实施例的电机转子的结构示意图；

图5为本申请实施例的电机转子的电枢磁力线阻抗示意图；

图6为本申请实施例的电机转子的a1/a2对转矩波动的影响曲线图；

图7为本申请实施例的电机转子的w22/w21对转矩的影响曲线图；

图8为本申请实施例的电机转子与现有技术的电流波形对比图

图9为本申请实施例的电机转子与现有技术的转矩曲线对比图。

附图标记表示为：

1、转子铁芯；2、第一永磁极；3、第二永磁极；4、第一交替极；5、第二交替极；6、第一空气槽；7、第一安装槽；8、第二安装槽；9、第一永磁体；10、第二永磁体；11、第二空气槽；12、第三空气槽；13、桥接部；14、定子铁芯；15、定子齿；16、线圈绕组。

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，电机转子包括转子铁芯1，转子铁芯1包括第一永磁极2、第二永磁极3、第一交替极4和第二交替极5，第一永磁极2和第二永磁极3邻接，形成一组永磁极组，第一永磁极2和第二永磁极3的极性相反，第一交替极4和第二交替极5邻接，形成一组交替极组，永磁极组和交替极组沿电机转子的周向交替设置，第一永磁极2上设置有第一安装槽7，第二永磁极3上设置有第二安装槽8，第一安装槽7内设置有第一永磁体9，第二安装槽8内设置有第二永磁体10，在垂直于转子铁芯1的中心轴线的截面内，第一安装槽7和第二安装槽8相互远离的两端分别设置有第一空气槽6。

本申请的电机转子，改变了永磁极和交替极的分布结构，使得永磁极和交替极两两为一组沿周向交替设置，且一组中的两个永磁极的极性相反，能够使得三相绕组磁路对称，有效降低控制难度，降低电机转矩波动，提高电机性能，同时，由于在第一安装槽7和第二安装槽8相互远离的两端分别设置有第一空气槽6，因此能够利用第一空气槽6一方面减少永磁体的端部漏磁，另一方面交替极上的磁力线分布散乱，无法形成有效的磁密，可以通过第一空气槽6加以约束以形成较强的气隙磁场，从而提高电机的工作性能。

在一个实施例中，第一空气槽6沿转子铁芯1的周向延伸。在本实施例中，位于同一永磁极组周向两侧的两个第一空气槽6，沿着远离彼此的方向周向延伸，从而能够在永磁体的周向两端形成更加有效的隔磁效果，有效减少永磁体的端部漏磁，使得磁力线能够更加集中地通过交替极组的中间区域，形成较强的气隙磁场。两个第一空气槽6均与其邻接的安装槽连通，能够形成更加良好的隔磁效果，可以对磁路形成更加良好的规划，更好地优化磁路。在本实施例中，第一空气槽6的径向外侧边为弧边，且该弧边相对于转子铁芯1的外圆周同心，从而能够在径向外边缘形成均匀厚度的隔磁桥结构。

在另外一个实施例中，第一空气槽6沿转子铁芯1的径向延伸。在本实施例中，两个第一空气槽6设置在同一永磁极组周向两侧，然后从径向外侧向径向内侧延伸，从而对由永磁极组出发至交替极组的磁力线进行调整，使得第一空气槽6能够从径向约束磁力线，改善电机性能。

在再一个实施例中，第一空气槽6也可以同时沿转子铁芯1的径向和轴向延伸，从而能够同时从径向和周向方向对磁力线进行约束，使得磁力线的路径最优化，使得电机性能的改进最大化。

优选地，沿着远离永磁体的方向，第一空气槽6的径向宽度递增。

位于同一永磁极组周向两侧的第一空气槽6，其径向外周侧的远离永磁体的两个端点与转子铁芯的中心连线所形成的夹角为a1，位于同一交替极周向两侧的两个第一空气槽6，其径向外周侧的远离永磁体的两个端点与转子铁芯的中心连线所形成的夹角为a2，其中1.1≤a1/a2≤1.9。

当a1/a2的比值过小，流入交替极的磁力线既有N极又有S极，当这两股磁力线相遇时会抵消，引起输出转矩下降。当a1/a2的比值增大时，输出转矩会增加，增大超过一定限度时，交替极面对的气隙磁密显著下降，电机输出转矩下降，如图6所示。

第一空气槽6靠近永磁体一侧的边缘宽度为t11，第一空气槽6远离永磁体一侧的边缘宽度为t12，其中1.1≤t12/t11≤3。

如果t12/t11的比值过大，永磁体发出磁力线的磁阻将会增加，引起电磁转矩下降，如果t12/t11的比值过小，第一空气槽6对磁力线的约束作用会大幅下降，交替极上无法形成有效地转矩。

转子铁芯1上还设置有第二空气槽11，第二空气槽11设置在第一交替极4和第二交替极5的交接位置处，并沿径向向转子铁芯1的中心方向延伸。

由于永磁体的磁力线总是从N极出发到S极，所以当距离较远的永磁体安装槽相距不太远时，会存在如图3所示的漏磁路1，引起转矩的下降。设置沿径向眼神的第二空气槽11，能够将该漏磁路1切断，大幅提升电机的输出转矩。

优选地，沿着靠近转子铁芯1的中心的方向，第二空气槽11的周向宽度递增。在本申请中已经通过设置第一空气槽6调整两个永磁极之间的两个交替极区域的宽度，如果再给第二空气槽11在靠近转子外周的地方设置较宽的宽度，那么交替极上将会非常饱和，因此设置了较小的宽度。为了保证第二空气槽11对磁力线的阻挡作用，在靠近转子中心的地方设置较大的宽度，保证转矩强度的前提下第二空气槽11的面积越大越好，第二空气槽11的主要作用是防止相邻的永磁极之间的磁力线短路。

第二空气槽11的径向外周侧边缘的宽度为w21，第二空气槽11的径向内周侧边缘的宽度为w22，其中1≤w22/w21≤3.3。第二空气槽11靠近转子外圆的一端宽度较小，为了不增加交替极上的磁阻从而保证转矩输出能力。靠近转子中心的一端宽度较大，从有有效截断磁力线的磁路，研究表明，将两者的大小进行关联效果最好，如图7所示，当其比值范围位于上述范围内时，能够在保证转折句输出能力的同时，最大程度地减小漏磁，提高电机性能。

第二空气槽11的径向外周侧距离转子铁芯1的外圆最大距离为t20，永磁体距离转子铁芯1的外圆最大距离为tm，其中0.3≤t20/tm≤0.5。

尽管交替极上没有永磁体，但是考虑到两者面对的气隙是一样的，这是磁阻的主要来源，因此可以等效的认为交替极上也存在厚度为tm一半的永磁体，为了准确地将N极磁力线与S极磁力线分离，必须让t20小于或等于tm的一半，但是太小转子强度会受到影响，因此将两者的比值控制在0.3～0.5最好。

转子铁芯1上还设置有第三空气槽12，第三空气槽12连接在第二空气槽11的径向内周侧，并沿转子铁芯1的周向向两侧延伸，相邻的第三空气槽12之间形成桥接部13。

为了提升空气槽对磁力线引导的作用，在第二空气槽11的径向内周侧设置沿周向延伸的第三空气槽12，可以更好的约束磁力线的方向，具体的如图3和图4中所示，当磁力线从所示第一永磁体9的N极永磁体面发出时，约左半部分的磁力线由N极至左侧相邻的永磁体S面，约右半部分的磁力线从N极发出往转子轭部延伸，然后径向向外延伸至相邻的交替极，形成S极。第二空气槽11可以缩短该部分磁力线向转子轭部延伸的长度，磁路长会引起磁力线利用率的下降，更好、更快的将磁力线引导至右侧的铁芯极。同时交替极电机存在转轴漏磁问题，即永磁体发出的磁力线会有一部分进入电机的转轴，如漏磁路2所示。通过设置沿周向眼神的第三空气槽12，能够对进入电机转轴的磁力线形成阻碍，减少进入电机转轴的磁力线，进而减少转轴漏磁问题，提高电机运行效率。

在垂直于转子铁芯1的中心轴线的截面内，桥接部13的侧边延长线与第一永磁体9的径向内侧边形成交点，以交点为分界点，第一永磁体9位于交点的远离桥接部13一侧的周向长度占第一永磁体9的总周向长度的比例为0.67～0.9；桥接部13的侧边延长线与第二永磁体10的径向内侧边形成交点，以交点为分界点，第二永磁体10位于交点的远离桥接部13一侧的周向长度占第二永磁体10的总周向长度的比例为0.67～0.9。

第三空气槽12调整的磁力线主要为图4中第一永磁体的N极面约右半部分发出的磁力线，使其更好地进入相邻的铁芯极，所以第三空气槽12主要遮挡的是其所面对的永磁体的右半部分的磁力线。如果交点A落的范围小于第一永磁体9的总周向长度的0.67，无法有效遮盖该永磁体的右半部分，如果交点A的位置大于第一永磁体9的总周向长度的0.9，第三空气槽12不但会遮挡住右半部分，还会遮挡住左半部分，因为左半部分相当于两块永磁体串联共同产生磁力线，磁密较强，如果遮挡较多，容易发生磁饱和，引起转矩下降，并且桥接部13的尺寸会受到限制，机械强度下降。对于第三空气槽12与第二永磁体10之间的设置关系，其与第三空气槽12和第一永磁体9之间的设置关系相同，此处不再详述。

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。

优选地，电机定子包括定子铁芯14，定子铁芯14上设置有定子齿15，定子齿15上缠绕有三相均匀分布的线圈绕组16。

本实施例中，交替极电机为18槽12极电机，三相绕组各有6个线圈，当U1对着永磁极时，U2对着交替极，U3对着永磁极，U4对着交替极，U5对着永磁极，U6对着交替极，V相于W相同也是一样，绕组磁路示意图如图1和图5所示，R永磁极表示永磁极磁阻，R交替极表示交替极磁阻，不难看出三线绕组磁路磁阻完全对称，控制难度显著下降。

采用本申请实施例的电机转子的电机，其电流波形如图8所示，从图中可以明显看出，本申请实施例的电机的控制电流具有更小的谐波含量，转矩曲线对比如图9所示，本申请实施例的电机具有更小的转矩波动。

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 (11)

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)包括第一永磁极(2)、第二永磁极(3)、第一交替极(4)和第二交替极(5)，所述第一永磁极(2)和所述第二永磁极(3)邻接，形成一组永磁极组，所述第一永磁极(2)和所述第二永磁极(3)的极性相反，所述第一交替极(4)和所述第二交替极(5)邻接，形成一组交替极组，所述永磁极组和所述交替极组沿所述电机转子的周向交替设置，所述第一永磁极(2)上设置有第一安装槽(7)，所述第二永磁极(3)上设置有第二安装槽(8)，所述第一安装槽(7)内设置有第一永磁体(9)，所述第二安装槽(8)内设置有第二永磁体(10)，在垂直于所述转子铁芯(1)的中心轴线的截面内，所述第一安装槽(7)和所述第二安装槽(8)相互远离的两端分别设置有第一空气槽(6)；所述转子铁芯(1)上还设置有第二空气槽(11)，所述第二空气槽(11)设置在所述第一交替极(4)和所述第二交替极(5)的交接位置处，并沿径向向所述转子铁芯(1)的中心方向延伸；所述第二空气槽(11)的径向外周侧距离所述转子铁芯(1)的外圆最大距离为t20，所述永磁体距离所述转子铁芯(1)的外圆最大距离为tm，其中0.3≤t20/tm≤0.5。

2.根据权利要求1所述的电机转子，其特征在于，所述第一空气槽(6)沿所述转子铁芯(1)的周向延伸；和/或，所述第一空气槽6沿转子铁芯(1)的径向延伸。

3.根据权利要求1所述的电机转子，其特征在于，沿着远离所述永磁体的方向，所述第一空气槽(6)的径向宽度递增。

4.根据权利要求1所述的电机转子，其特征在于，位于同一永磁极组周向两侧的所述第一空气槽(6)，其径向外周侧的远离永磁体的两个端点与所述转子铁芯的中心连线所形成的夹角为a1，位于同一交替极周向两侧的两个所述第一空气槽(6)，其径向外周侧的远离永磁体的两个端点与所述转子铁芯的中心连线所形成的夹角为a2，其中1.1≤a1/a2≤1.9。

5.根据权利要求1所述的电机转子，其特征在于，所述第一空气槽(6)靠近所述永磁体一侧的边缘宽度为t11，所述第一空气槽(6)远离所述永磁体一侧的边缘宽度为t12，其中1.1≤t12/t11≤3。

6.根据权利要求1所述的电机转子，其特征在于，沿着靠近所述转子铁芯(1)的中心的方向，所述第二空气槽(11)的周向宽度递增。

7.根据权利要求6所述的电机转子，其特征在于，所述第二空气槽(11)的径向外周侧边缘的宽度为w21，所述第二空气槽(11)的径向内周侧边缘的宽度为w22，其中1≤w22/w21≤3.3。

8.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)上还设置有第三空气槽(12)，所述第三空气槽(12)连接在所述第二空气槽(11)的径向内周侧，并沿所述转子铁芯(1)的周向向两侧延伸，相邻的所述第三空气槽(12)之间形成桥接部(13)。

9.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)的中心轴线的截面内，所述桥接部(13)的侧边延长线与所述第一永磁体(9)的径向内侧边形成交点，以所述交点为分界点，所述第一永磁体(9)位于所述交点的远离所述桥接部(13)一侧的周向长度占所述第一永磁体(9)的总周向长度的比例为0.67～0.9；所述桥接部(13)的侧边延长线与所述第二永磁体(10)的径向内侧边形成交点，以所述交点为分界点，所述第二永磁体(10)位于所述交点的远离所述桥接部(13)一侧的周向长度占所述第二永磁体(10)的总周向长度的比例为0.67～0.9。

10.一种交替极电机，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9中任一项所述的电机转子。

11.根据权利要求10所述的交替极电机，其特征在于，所述电机定子包括定子铁芯(14)，所述定子铁芯(14)上设置有定子齿(15)，所述定子齿(15)上缠绕有三相均匀分布的线圈绕组(16)。

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