CN111431309A - 电器设备、永磁电机及其转子 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电机领域，提供一种电器设备、永磁电机及其转子。转子包括铁芯及多组磁钢，各组磁钢沿周向阵列分布，安装磁钢的第一组槽与第二组槽的数量相等且各具有至少两组，各第一组槽与各第二组槽沿周向交错分布，第一组槽具有第一内侧槽和第一外侧槽，第二组槽具有第二内侧槽和第二外侧槽；相邻的两组磁钢对称分布于对称面两侧，沿周向相邻第一组槽与第二组槽中，第一外侧槽与对称面之间的空间对应第一圆心角，第二外侧槽与对称面之间的空间对应第二圆心角，第一圆心角与第二圆心角之差的绝对值大于0°且小于2.5°。这样有利于减小永磁电机的转矩脉动和谐波含量，有利于提升永磁电机的性能。
Description
技术领域
本发明涉及电机领域，具体是涉及一种电器设备、永磁电机及其转子。
背景技术
永磁电机的性能主要由转矩、转矩脉动和谐波含量三大指标进行衡量。
其中转矩脉动越强，永磁电机的振动和噪声越强；反电动势谐波含量越大，说明磁钢在气隙中产生的磁场谐波越多，反电动势谐波会在电机中产生额外的损耗从而产生跟多的热量。
为了提升永磁电机的转矩，公开号为CN208423971U的中国实用新型专利提出了一种双层V型内置式永磁同步电机转子，该方案的设置能够有效提升转矩，然而，该方案的永磁电机具有较强的转矩脉动和反电动势谐波，造成永磁电机的振动噪声较强，电机运行不够平稳，并且造成永磁电机能耗较高，效率较低。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种有利于降低电机振动噪声且有利于提升运行效率的永磁电机的转子。
为了实现上述目的，本发明提供的永磁电机的转子包括铁芯及多个磁钢，铁芯具有多个安装槽，各磁钢一一对应嵌于各安装槽中，多个磁钢分为至少四组，各组磁钢沿周向阵列分布；多个安装槽分为第一组槽和第二组槽，第一组槽与第二组槽的数量相等且各具有至少两组，各第一组槽与各第二组槽沿周向交错分布，第一组槽具有第一内侧槽和位于第一内侧槽径向外侧的第一外侧槽，第二组槽具有第二内侧槽和位于第二内侧槽径向外侧的第二外侧槽；沿周向相邻的两组磁钢之间具有过电机轴线的对称面，该两组磁钢对称分布于对称面两侧，沿周向相邻第一组槽与第二组槽中，第一外侧槽与对称面之间的空间对应第一圆心角，第二外侧槽与对称面之间的空间对应第二圆心角，第一圆心角与第二圆心角之差的绝对值大于0°且小于2.5°。
由上可见，本发明通过对永磁电机的转子的结构设计，通过将第一圆心角与第二圆心角之差的绝对值设为大于0°且小于2.5°，这样有利于降低永磁电机的转矩脉动和谐波含量，有利于降低永磁电机的振动噪声和能耗，有利于提升永磁电机的效率，有利于提升永磁电机的性能。
现有的磁钢内置式永磁电机中，安装磁钢的槽与磁钢均为阵列分布，相邻两组磁钢槽也为对称设置，而本发明将相邻的磁钢槽设为不对称，以此降低永磁电机的转矩脉动和谐波含量。
一个优选的方案是，第一内侧槽包括两个沿周向间隔分布的第一槽，法线沿轴向的截面中，第一槽的截面形状呈条形，同一第一内侧槽的两个第一槽呈V形布置；第一外侧槽包括两个沿周向间隔分布的第二槽，法线沿轴向的截面中，第二槽的截面形状呈条形，同一第一外侧槽的两个第二槽呈V形布置；第二内侧槽包括两个沿周向间隔分布的第三槽，法线沿轴向的截面中，第三槽的截面形状呈条形，同一第二内侧槽的两个第三槽呈V形布置；第二外侧槽包括两个沿周向间隔分布的第四槽，法线沿轴向的截面中，第四槽的截面形状呈条形，同一第二外侧槽的两个第四槽呈V形布置。
由上可见，这样各组磁钢中，内层磁钢和外层磁钢均在法线沿电机轴线方向的截面均呈V形，有利于提升电机的转矩。
进一步的方案是，第一内侧槽至铁芯外周的距离及第二内侧槽至铁芯外周的距离均为第一距离，同一第一内侧槽的两个第一槽之间的距离及同一第二内侧槽的两个第三槽之间的距离均为第二距离，第二距离为第一距离的1至4倍；和/或第一外侧槽至铁芯外周的距离及第二外侧槽至铁芯外周的距离均为第三距离，同一第一外侧槽的两个第二槽之间的距离及同一第二外侧槽的两个第四槽之间的距离均为第四距离，第四距离为第三距离的1至4倍。
由上可见，这样有利于降低永磁电机的转矩脉动，有利于提升永磁电机的性能。
另一个优选的方案是，第一内侧槽与对称面之间的空间对应第三圆心角，第二内侧槽与对称面之间的空间对应第四圆心角，第三圆心角与第四圆心角之差的绝对值大于0°且小于等于1°。
由上可见，这样有利于平衡调整永磁电机的谐波含量和转矩脉动。
进一步的方案是，第一外侧槽与第二外侧槽之间的空间对应的圆心角之和为158.4°至223.2°；和/或第一内侧槽与第二内侧槽之间的空间对应的圆心角之和为36°至72°。
再一个优选的方案是，第一内侧槽中的磁钢及第二内侧槽中的磁钢均为内层磁钢，第一外侧槽中的磁钢及第二外侧槽中的磁钢均为外层磁钢。
进一步的方案是，内层磁钢的厚度为外层磁钢厚度的2至3倍。
进一步的方案是，内层磁钢至铁芯外周的距离为外层磁钢至铁芯外周距离的1.5至3倍。
进一步的方案是，外层磁钢的极弧系数为0.27至0.3；和/或内层磁钢的极弧系数为0.63至0.68。
由上可见，这样有利于平衡永磁电机的转矩和转矩脉动。
进一步的方案是，内层磁钢的极弧系数与外层磁钢的极弧系数之和为0.9至0.95。
本发明的目的之二是提供一种有利于降低电机振动和噪声的永磁电机。
为了实现上述目的，本发明提供的永磁电机包括前述的永磁电机的转子。
本发明的目的之三是提供一种有利于降低电机振动和噪声的电器设备。
为了实现上述目的，本发明提供的电器设备包括前述的永磁电机。
附图说明
图1是本发明永磁电机的转子实施例的剖视图。
具体实施方式
电器设备、永磁电机及其转子实施例：
本实施例的电器设备例如可以是电动汽车、机器人、数控机床等。
请参照图1，本实施例的电器设备包括本实施例的永磁电机，本实施例永磁电机包括定子(图中未示出)和本实施例的转子，转子包括铁芯1和多个磁钢2，铁芯1呈圆环状，铁芯1具有多个安装槽11，各磁钢2一一对应嵌于各安装槽11中。
安装槽11分为八组，也即转子的极数P为8极，其中四组为第一组槽11a，另外四组为第二组槽11b，各第一组槽11a与各第二组槽11b沿周向交错分布，每组安装槽11中的各磁钢2为一组，各组磁钢2沿周向阵列分布。
可选择地，在本发明的其它实施例中，转子技术也可以调整。
每一第一组槽11a包括两个第一槽112a和两个第二槽111a，同一第一组槽11a中，两个第一槽112a沿周向间隔分布，两个第二槽111a沿周向间隔分布，两个第一槽112a组成第一内侧槽，两个第二槽111a组成第一外侧槽，第一外侧槽位于第一内侧槽的径向外侧。
法线沿轴向的截面中，第一槽112a的截面形状及第二槽111a的截面形状均呈条形，同一第一组槽11a中的两个第一槽112a呈V形布置，同一第一组槽11a的两个第二槽111a呈V形布置。
每一第二组槽11b包括两个第三槽112b和两个第四槽111b，同一第二组槽11b中，两个第三槽112b沿周向间隔分布，两个第四槽111b沿周向间隔分布，两个第三槽112b组成第二内侧槽，两个第四槽111b组成第二外侧槽。
法向沿轴向的截面中，第三槽112b的截面形状及第四槽111b的截面形状均呈条形，同一第二组槽11b中的两个第三槽112b呈V形布置，同一第二组槽11b的两个第四槽111b呈V形布置。
各第一槽112a、各第二槽111a、各第三槽112b及各第四槽111b中均设置有磁钢2，位于第一槽112a及第三槽112b中的磁钢2为内层磁钢22，位于第二槽111a及第四槽111b中的磁钢2为外层磁钢21。
同组的各磁钢2面对称分布，相邻两组磁钢2的对称面为第一面x，同组的各磁钢2的对称面为第二面y，第一面x与第二面y均过电机轴线。
沿周向相邻的第一组槽11a与第二组槽11b中，第一槽112a与第一面x之间的空间对应第三圆心角β3，第二槽111a与第一面x之间的空间对应第一圆心角β1，第三槽112b与第一面x之间的空间对应第四圆心角β4，第四槽111b与第一面x之间的空间对应第二圆心角β2，第一圆心角β1为12°，第二圆心角β2为14°，第三圆心角β3为4°，第四圆心角β4为3°，第三圆心角β3与第四圆心角β4的差值为1°，第二圆心角β2与第一圆心角β1的差值为2°。
各第一圆心角β1与各第二圆心角β2之和为(12°+14°)＊8＝208°，各第三圆心角β3与各第四圆心角β4之和为(4°+3°)＊8＝56°。
可选择地，第三圆心角β3与第四圆心角β4的差值大于0°且小于等于1°，第二圆心角β2与第一圆心角β1的差值大于0°且小于2.5°。
内层磁钢22的厚度与外层磁钢21的厚度比为2.5，可选择地，在本发明的其它实施例中，内层磁钢22的厚度为外层磁钢21的厚度的2至3倍。
内层磁钢22至铁芯外周的距离为外层磁钢21至铁芯外周距离的1.5倍，可选择地，在本发明的其它实施例中，内层磁钢22至铁芯外周的距离为外层磁钢21至铁芯外周距离的1.5至3倍。
内层磁钢22的极弧角度为α2＝28.8°，外层磁钢21的极弧角度为α1＝12.6°；内层磁钢22的极弧系数为α2/(360°/P)＝0.64，外层磁钢21的极弧系数为α1/(360°/P)＝0.28。
第一槽112a至铁芯外周的距离及第三槽112b至铁芯外周的距离均为第一距离d1，第一距离d1为同一第一内侧槽的两个第一槽112a之间的距离及同一第二内侧槽的两个第三槽112b之间的距离均为第二距离d2，第二距离d2为第一距离d1的1.3倍。
可选择地，在本发明的其它实施例中，第二距离d2为第一距离d1的1至4倍。
第一外侧槽至铁芯外周的距离及第二外侧槽至铁芯外周的距离均为第三距离d3，同一第一外侧槽的两个第二槽111a之间的距离及同一第二外侧槽的两个第四槽111b之间的距离均为第四距离d4，第三距离d3与第四距离d4相等。
可选择地，在本发明的其它实施例中，第四距离d4为第三距离d3的1至4倍。
为了说明本实施例技术方案的技术效果，引入对比例，并通过仿真实验分别得出各例的转矩、转矩脉动和谐波含量，本实施例及对比例的相关参数参见表一。
表一：本实施例与对比例参数对比表
| 对比例 | 本实施例 | |
| 外层磁钢21极弧系数 | 0.28 | 0.28 |
| 内层磁钢22极弧系数 | 0.64 | 0.64 |
| 内外层磁钢厚度比 | 2.5 | 2.5 |
| 内外层磁钢距铁芯外周的距离比 | 1.5 | 1.5 |
| 第一圆心角β1 | 13° | 12° |
| 第二圆心角β2 | 13° | 14° |
| 第三圆心角β3 | 3.5° | 4° |
| 第四圆心角β4 | 3.5° | 3° |
| 转矩 | 275.9Nm | 275Nm |
| 转矩脉动 | 3.8％ | 3.3％ |
| 谐波含量 | 6.4％ | 5.2％ |
通过对比上表中本实施例与对比例的相关参数可以看出，对比例方案与本实施例方案的区别仅在于第三圆心角β3、第一圆心角β1、第四圆心角β4、第二圆心角β2的数值不同，对比例的第三圆心角与第四圆心角均为3.5°，第一圆心角与第二圆心角均为13°，并且，相较于对比例，本实施例的转矩降低了(275.9－275)/275.9＝3.26％，本实施例的转矩脉动降低了(3.8－3.3)/3.8＝13.16％，本实施例的谐波含量减少了(6.4－5.2)/6.4＝18.75％，也即通过第三圆心角β3、第一圆心角β1、第四圆心角β4、第二圆心角β2数值关系的改变，使得本实施例的转矩脉动明显减弱，谐波含量明显降低，并且对转矩影响较小。
本实施例与对比例中，内层磁钢22与外层磁钢21的总用量保持不变。
并且，为了进一步明确改变第三圆心角β3、第一圆心角β1、第四圆心角β4、第二圆心角β2数值的技术效果，在外层磁钢21极弧系数0.28，内层磁钢22极弧系数0.64，内外层磁钢厚度比＝2.5，内外层磁钢距铁芯外周的距离比＝1.5，(β2+β4)/(360°/P)＝0.58，(β1+β3)/(360°/P)＝0.16的基础上，通过改变第三圆心角β3、第一圆心角β1、第四圆心角β4与第二圆心角β2的具体数值检测转矩、转矩脉动及谐波含量的变化情况。
表二：转矩变化表
表三：谐波含量变化表
表四：转矩脉动变化表
由表二可知，虽然将第一圆心角β1与第二圆心角β2设置为不相等以及将第三圆心角β3与第四圆心角β4设置为不相等会引起永磁电机的转矩降低，但永磁电机转矩降低的幅度较小。
由表三可知，将第一圆心角β1与第二圆心角β2设置为不相等以及将第三圆心角β3与第四圆心角β4设置为不相等会导致电机的谐波含量出现较大波动，并且在第三圆心角β3与第四圆心角β4的差值在－1°至1°的范围内且第一圆心角β1与第二圆心角β2的差值在－2°
至2°的范围内时，谐波含量较小，尤其是在第三圆心角β3与第四圆心角β4的差值在－1°左右且第二圆心角β2与第一圆心角β1的差值为2°左右时(或β3－β4＝1°左右，且β1－β2＝－2°左右时)，谐波含量降到最低。
由表四可知，将第一圆心角β1与第二圆心角β2设置为不相等以及将第三圆心角β3与第四圆心角β4设置为不相等会导致电机转矩脉动的大小出现较大波动，并且在第三圆心角β3与第四圆心角β4的差值在－1°至1°的范围内且第一圆心角β1与第二圆心角β2的差值在－2°至2°的范围内时，转矩脉动较小，尤其是在第三圆心角β3与第四圆心角β4的差值在1°左右且第二圆心角β2与第一圆心角β1的差值为2°左右时(或β3－β4＝－1°左右，且β1－β2＝－2°左右时)，转矩脉动降到最低。
结合表三及表四可以看出，在β3－β4的值保持不变的情况下，随着β1－β2的绝对值从0°至2°增大，谐波含量及转矩脉动均逐渐减小，因而本实施例优选β1－β2的绝对值为2°。
并且，在β1－β2的值保持不变的情况下，谐波含量及转矩脉动均具有最小值，且转矩脉动的最小值与转矩脉动的最小值分别位于β3－β4＝0°的正负两侧，因而，需要根据电机对谐波含量与转矩脉动的需求选择β3－β4的具体数值，当然优选β3－β4的绝对值小于等于1°。
为了说明本实施例内外层磁钢极弧系数的技术效果，作如下实验，该实验中，内外层磁钢厚度比＝2.5，内外层磁钢距离铁芯外周的距离比＝1.5，β3＝β4＝3.5°，β1＝β2＝13°，检测不同内层磁钢极弧系数和外层磁钢极弧系数情况下的转矩和转矩脉动，得下表五和表六。
表五：
表六：
表五表示不同内层磁钢极弧系数与不同外层磁钢极弧系数情况下的转矩变化，表六表示不同内层磁钢极弧系数与不同外层磁钢极弧系数情况下的转矩脉动变化。
从表五可以看出，内外层磁钢极弧系数的改变对永磁电机的转矩变化较小。
从表六可以看出，在内层磁钢的极弧系数较小时，永磁电机的转矩脉动随着外层磁钢极弧系数的增大而减弱；在内层磁钢的极弧系数较大时，永磁电机的转矩脉动随着外层磁钢极弧系数的增大而增强。
因而本实施例优选内层磁钢22的极弧系数为0.63至0.68，外层磁钢21的极弧系数为0.27至0.3，更优选地，内层磁钢22的极弧系数与外层磁钢21的极弧系数之和为0.9至0.95。
最后需要强调的是，以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种变化和更改，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.永磁电机的转子，包括铁芯及多个磁钢，所述铁芯具有多个安装槽，各所述磁钢一一对应嵌于各所述安装槽中，多个所述磁钢分为至少四组，各组所述磁钢沿周向阵列分布；
其特征在于：
多个所述安装槽分为第一组槽和第二组槽，所述第一组槽与所述第二组槽的数量相等且各具有至少两组，各所述第一组槽与各所述第二组槽沿周向交错分布，所述第一组槽具有第一内侧槽和位于所述第一内侧槽径向外侧的第一外侧槽，所述第二组槽具有第二内侧槽和位于所述第二内侧槽径向外侧的第二外侧槽；
沿周向相邻的两组所述磁钢之间具有过电机轴线的对称面，该两组所述磁钢对称分布于所述对称面两侧，沿周向相邻所述第一组槽与所述第二组槽中，所述第一外侧槽与所述对称面之间的空间对应第一圆心角，所述第二外侧槽与所述对称面之间的空间对应第二圆心角，所述第一圆心角与所述第二圆心角之差的绝对值大于0°且小于2.5°。
2.根据权利要求1所述的转子，其特征在于：
所述第一内侧槽包括两个沿周向间隔分布的第一槽，法线沿轴向的截面中，所述第一槽的截面形状呈条形，同一所述第一内侧槽的两个第一槽呈V形布置；
所述第一外侧槽包括两个沿周向间隔分布的第二槽，法线沿轴向的截面中，所述第二槽的截面形状呈条形，同一所述第一外侧槽的两个第二槽呈V形布置；
所述第二内侧槽包括两个沿周向间隔分布的第三槽，法线沿轴向的截面中，所述第三槽的截面形状呈条形，同一所述第二内侧槽的两个第三槽呈V形布置；
所述第二外侧槽包括两个沿周向间隔分布的第四槽，法线沿轴向的截面中，所述第四槽的截面形状呈条形，同一所述第二外侧槽的两个第四槽呈V形布置。
3.根据权利要求2所述的转子，其特征在于：
所述第一内侧槽至所述铁芯外周的距离及所述第二内侧槽至所述铁芯外周的距离均为第一距离，同一所述第一内侧槽的两个所述第一槽之间的距离及同一所述第二内侧槽的两个所述第三槽之间的距离均为第二距离，所述第二距离为所述第一距离的1至4倍；和/或
所述第一外侧槽至所述铁芯外周的距离及所述第二外侧槽至所述铁芯外周的距离均为第三距离，同一所述第一外侧槽的两个所述第二槽之间的距离及同一所述第二外侧槽的两个所述第四槽之间的距离均为第四距离，所述第四距离为所述第三距离的1至4倍。
4.根据权利要求1所述的转子，其特征在于：
所述第一内侧槽与所述对称面之间的空间对应第三圆心角，所述第二内侧槽与所述对称面之间的空间对应第四圆心角，所述第三圆心角与所述第四圆心角之差的绝对值大于0°且小于等于1°。
5.根据权利要求4所述的转子，其特征在于：
所述第一外侧槽与所述第二外侧槽之间的空间对应的圆心角之和为158.4°至223.2°；
和/或所述第一内侧槽与所述第二内侧槽之间的空间对应的圆心角之和为36°至72°。
6.根据权利要求1至5任一项所述的转子，其特征在于：
所述第一内侧槽中的磁钢及所述第二内侧槽中的磁钢均为内层磁钢，所述第一外侧槽中的磁钢及所述第二外侧槽中的磁钢均为外层磁钢。
7.根据权利要求6所述的转子，其特征在于：
所述内层磁钢的厚度为所述外层磁钢厚度的2至3倍。
8.根据权利要求6所述的转子，其特征在于：
所述内层磁钢至所述铁芯外周的距离为所述外层磁钢至所述铁芯外周距离的1.5至3倍。
9.根据权利要求6所述的转子，其特征在于：
所述外层磁钢的极弧系数为0.27至0.3；和/或所述内层磁钢的极弧系数为0.63至0.68。
10.根据权利要求6所述的转子，其特征在于：
所述内层磁钢的极弧系数与所述外层磁钢的极弧系数之和为0.9至0.95。
11.永磁电机，其特征在于：
包括如权利要求1至10任一项所述的永磁电机的转子。
12.电器设备，其特征在于：
包括如权利要求11所述的永磁电机。
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