CN112994295B - 电机转子和永磁同步电机 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种电机转子和永磁同步电机。该电机转子包括转子铁芯(1)，转子铁芯(1)沿周向交替设置有转子齿(2)和转子槽(3)，转子槽(3)内设置有永磁体(4)，永磁体(4)切向充磁，转子齿(2)的外圆周设置有束磁部，束磁部关于其所在的转子齿(2)的中心线对称，束磁部被配置为疏导转子齿(2)上的磁力线。根据本申请的电机转子，能够有效降低电机谐波含量，降低电机输出转矩的波动，改善电机运行稳定性。

Description

电机转子和永磁同步电机
技术领域
本申请涉及电机技术领域，具体涉及一种电机转子和永磁同步电机。
背景技术
目前，在工业及家电行业中，存在大量追求低速大力矩的应用场合。对于低速大力矩电机，永磁体径向放置、切向充磁时，电机因其转子上良好的聚磁效果，能产生更高的气隙磁密，并且可以充分利用交/直轴不对称产生的磁阻转矩，提高转矩密度，实现优越的性能。
但是，由于定子开槽等因素的影响，切向永磁同步电机的气隙磁密中含有多种谐波，且谐波磁密占比较大，导致该种电机转矩波动高，从而影响电机运行的稳定性。在现有技术中，采用了两种方式，一是增加转子齿的弧度，将气隙变成不均匀气隙，其缺点是加工难度高，精度难以保证；二是在转子槽两侧开设小孔，用于调节磁力线走向，其缺点在于该种结构在放置磁钢时容易造成形变，并且由于孔开设在内部，与气隙有一定距离，对谐波含量的改善效果并不理想。
因此，现有技术中的低速大力矩永磁同步电机均存在着对于谐波含量的改善效果有限，电机运行稳定性改善不足的问题。
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永磁同步电机，能够有效降低电机谐波含量，降低电机输出转矩的波动，改善电机运行稳定性。
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，转子铁芯沿周向交替设置有转子齿和转子槽，转子槽内设置有永磁体，永磁体切向充磁，转子齿的外圆周设置有束磁部，束磁部关于其所在的转子齿的中心线对称，束磁部被配置为疏导转子齿上的磁力线。
优选地，束磁部包括第一调节槽，第一调节槽设置在转子齿的两侧，且关于转子齿的中心线对称。
优选地，第一调节槽沿着转子铁芯的径向向内的方向逐渐向转子槽靠拢。
优选地，第一调节槽沿着转子铁芯的径向向内的方向宽度递减。
优选地，在转子铁芯的横截面上，第一调节槽包括相对设置的第一槽边和第二槽边，第一槽边远离转子齿的中心线，第二槽边靠近转子齿的中心线，第一槽边为折线形、波浪线形、直线形或弧线形，第二槽边为折线形、波浪线形、直线形或弧线形。
优选地，同一个转子齿上设置有两个第一调节槽，两个第一调节槽的第二槽边在转子外圆上的间距为W1，转子齿在转子外圆上的宽度为Wc，0.45≤W1/Wc≤0.55。
优选地，第一调节槽在开口端的宽度为W11，在闭口端的宽度为W12，其中0.45≤W12/W11≤0.52。
优选地，第一槽边为阶梯状，第二槽边为弧形，第一槽边和第二槽边在靠近转子槽的第一端相交，在远离转子槽的第二端分离。
优选地，第一槽边的各级阶梯中每一级的长度L1和深度H1相等，第二槽边的圆心角为θ1，75°≤θ1≤90°。
优选地，束磁部包括第二调节槽，第二调节槽位于转子齿的中心线上，第二调节槽包括第一延伸部和第二延伸部，第一延伸部延伸至转子外圆，第二延伸部设置在第一延伸部远离转子外圆的一侧，第二延伸部的周向宽度大于第一延伸部的周向宽度。
优选地，第一延伸部的长度为L21，第一延伸部的周向宽度为W21，其中L21＝(1.8～2.2)*W21。
优选地，第一延伸部的周向宽度为W21，第二延伸部的周向宽度为W22，其中2.5≤W22/W21≤3。
优选地，在转子铁芯的横截面上，第一延伸部和第二延伸部之间通过两个斜边相连，两个斜边之间的夹角为θ2，100°≤θ2≤145°。
优选地，束磁部包括第二调节槽，第二调节槽位于转子齿的中心线上，第二调节槽包括第一延伸部和第二延伸部，第一延伸部延伸至转子外圆，第二延伸部设置在第一延伸部远离转子外圆的一侧，第二延伸部的周向宽度大于第一延伸部的周向宽度，第一调节槽的开口宽度为W11，第一延伸部的周向宽度为W21，转子齿在转子外圆处的宽度为Wc，其中0.1≤(W11*2+W21)/Wc≤0.25。
优选地，转子槽的槽口沿着径向向外的方向宽度递减。
优选地，转子槽的槽口呈阶梯状。
优选地，转子槽在转子外圆的槽口宽度为Ws，转子齿在转子外圆处的宽度为Wc，其中0.22≤Ws/Wc≤0.28。
优选地，永磁体的径向长度为Lmag，永磁体的剩磁为Br，转子齿在转子外圆处的宽度为Wc，其中1.7≤Lmag*Br/Wc≤2.5。
根据本申请的另一方面，提供了一种永磁同步电机，包括电机转子，该电机转子为上述的电机转子。
优选地，永磁同步电机还包括电机定子，电机定子与电机转子之间形成气隙，气隙的径向宽度与永磁体的长宽比Lmag/Wmag之间需满足：Lmag/Wmag＝((1.5～3.5)*Lair。
优选地，永磁同步电机的额定转速n≤100rpm；和/或，转子极数p满足30≤2*p≤80，其中p为极对数。
优选地，永磁同步电机还包括电机定子，电机定子包括定子铁芯，转子铁芯的轴向长度为Lef，定子铁芯的外圆半径为Rso，永磁同步电机的长径比x＝Lef/Rso，0.3≤x≤0.45；和/或，永磁同步电机的转子极数为2*p，p为极对数，定子铁芯的槽数为s，永磁同步电机的极槽配比k＝2*p/s，0.85≤k≤1.2。
优选地，永磁同步电机还包括电机定子，电机定子包括定子铁芯，定子铁芯的内圆半径为Rsi，定子铁芯的外圆半径为Rso，电机定子的内外径之比m＝Rsi/Rso，0.7≤m≤0.9；和/或，永磁体的剩磁Br≥1.35T。
本申请提供的电机转子，包括转子铁芯，转子铁芯沿周向交替设置有转子齿和转子槽，转子槽内设置有永磁体，永磁体切向充磁，转子齿的外圆周设置有束磁部，束磁部关于其所在的转子齿的中心线对称，束磁部被配置为疏导转子齿上的磁力线。该电机转子在转子齿的外圆周设置束磁部，通过束磁部能够有效疏导转子齿上的磁力线，调节气隙中磁通密度的分布，从而降低谐波含量，降低电机输出转矩的波动，改善电机运行稳定性。
附图说明
图1为本申请实施例的电机转子的结构图；
图2为本申请实施例的电机转子的局部放大图；
图3为本申请实施例的电机转子的局部放大图；
图4为本申请实施例的电机转子的尺寸关系图；
图5为本申请实施例的电机转子的尺寸关系图；
图6为本申请实施例的永磁同步电机的结构示意图；
图7为(W11*2+W21)/Wc对转矩波动的影响曲线图；
图8为本申请实施例的永磁同步电机与相关技术的永磁同步电机的气隙磁密波形对比图；
图9为本申请实施例的永磁同步电机与相关技术的永磁同步电机的转矩曲线对比图。
附图标记表示为：
1、转子铁芯；2、转子齿；3、转子槽；4、永磁体；5、第一调节槽；6、第一槽边；7、第二槽边；8、第二调节槽；9、第一延伸部；10、第二延伸部；11、斜边；12、气隙；13、定子铁芯。
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沿周向交替设置有转子齿2和转子槽3，转子槽3内设置有永磁体4，永磁体4切向充磁，转子齿2的外圆周设置有束磁部，束磁部关于其所在的转子齿2的中心线对称，束磁部被配置为疏导转子齿2上的磁力线。
该电机转子在转子齿2的外圆周设置束磁部，通过束磁部能够有效疏导转子齿2上的磁力线，改变经转子齿2达到气隙12的不同位置的磁通密度，调节气隙12中磁通密度的分布，从而调节气隙波形的正弦度，降低谐波含量，降低电机输出转矩的波动，改善电机运行稳定性。
常规切向电机中含有很多谐波，导致电机转矩波动大，从而使得电机的振动噪声高，性能差。本申请实施例的切向电机，通过对靠近气隙12处的转子外圆的结构进行优化，一方面不会对转子槽3的内部两侧结构造成影响，避免永磁体4装入转子槽3后造成形变，另一方面由于束磁部设置在转子外圆，因此加工更加简单方便，精度也更加容易保证，此外，由于束磁部设置在转子外圆，与气隙12邻接，因此对谐波含量的改善效果更加明显，能够显著降低电机转矩波动，提高电机工作稳定性。
在一个实施例中，束磁部包括第一调节槽5，第一调节槽5设置在转子齿2的两侧，且关于转子齿2的中心线对称。由于一对极范围内的气隙磁密波形是一个周期的正弦波，对称位置设置束磁部，可以使一个周期内的气隙磁密波形在相同位置得到改善，进而增加气隙磁密波形的正弦度，降低电机转矩波动。
在一个实施例中，第一调节槽5沿着转子铁芯1的径向向内的方向逐渐向转子槽3靠拢，第一调节槽5沿着转子铁芯1的径向向内的方向宽度递减，可以使得第一调节槽5的形状与磁力线分布形状更加适配，便于磁力线向着气隙12流动。
在本实施例中，第一调节槽5的开口端位于转子齿2的表面，并且沿着径向向内的方向向转子槽3所在侧斜向延伸，且宽度逐渐变小，可以使得永磁体4的磁力线向着转子齿2的中心靠拢，从而对磁通分布进行有效调节，使得转子齿2所对应位置的电机气隙处的磁通密度更大，转子槽3中心所对应位置的电机气隙处的磁通密度更小，更加符合正弦曲线分布特性，可以获得更加良好的正弦度。
在转子铁芯1的横截面上，第一调节槽5包括相对设置的第一槽边6和第二槽边7，第一槽边6远离转子齿2的中心线，第二槽边7靠近转子齿2的中心线，第一槽边6为折线形、波浪线形、直线形或弧线形，第二槽边7为折线形、波浪线形、直线形或弧线形。
在一个实施例中，第一槽边6为阶梯状，第二槽边7为弧形，第一槽边6和第二槽边7在靠近转子槽3的第一端相交，在远离转子槽3的第二端分离。在本实施例中，靠近转子槽3的第一槽边6为三级阶梯状，远离转子槽3的第二槽边7为弧形边，采用阶梯边与弧形边相配合形成第一调节槽5，能够更好地约束磁力线，从而获取更加想要的气隙磁密正弦曲线波形。
在一个实施例中，同一个转子齿2上设置有两个第一调节槽5，两个第一调节槽5的第二槽边7在转子外圆上的间距为W1，转子齿2在转子外圆上的宽度为Wc，0.45≤W1/Wc≤0.55。第一调节槽5在转子齿2上的位置影响气隙磁密波形的正弦度，经过试验研究验证，通过上述的关系所限定的第一调节槽5，能够对气隙磁密波形正弦度的提升有较好的效果。
在一个实施例中，第一调节槽5在开口端的宽度为W11，在闭口端的宽度为W12，其中0.45≤W12/W11≤0.52，在此取值范围内，第一调节槽5的设置既能改善气隙磁密波形，又不会影响气隙磁密幅值的大小。
在一个实施例中，第一槽边6的各级阶梯中每一级的长度L1和深度H1相等，第二槽边7的圆心角为θ1，75°≤θ1≤90°，可以很好地均布磁力线，使气隙磁密谐波含量降低。
在一个实施例中，束磁部包括第二调节槽8，第二调节槽8包括第一延伸部9和第二延伸部10，第一延伸部9延伸至转子外圆，第二延伸部10设置在第一延伸部9远离转子外圆的一侧，第二延伸部10的周向宽度大于第一延伸部9的周向宽度。第二调节槽8位于转子齿2的中心线上，且关于转子齿2的中心线对称，能够对到达转子齿2的中心线位置处的磁力线进行调节，避免磁力线过于集中在转子齿2的中心位置，对磁力线分布进行调节，更加有利于形成正弦化的气隙磁密波形。
在一个实施例中，第一延伸部9的长度为L21，第一延伸部9的周向宽度为W21，其中L21＝(1.8～2.2)*W21，保证其发挥调节气隙磁密波形的作用的同时，可以保证转子铁芯1的机械强度。
在一个实施例中，第一延伸部9的周向宽度为W21，第二延伸部10的周向宽度为W22，其中2.5≤W22/W21≤3，使磁力线均布的同时不影响磁场的强度，保证输出转矩维持在需要的技术水平上。
在一个实施例中，在转子铁芯1的横截面上，第一延伸部9和第二延伸部10之间通过两个斜边11相连，两个斜边11之间的夹角为θ2，100°≤θ2≤145°，可以很好的分隔相邻两极之间的磁场，减少相邻极之间漏磁对气隙磁密谐波含量的影响。
在一个实施例中，束磁部包括第二调节槽8，第二调节槽8包括第一延伸部9和第二延伸部10，第一延伸部9延伸至转子外圆，第二延伸部10设置在第一延伸部9远离转子外圆的一侧，第二延伸部10的周向宽度大于第一延伸部9的周向宽度，第一调节槽5的开口宽度为W11，第一延伸部9的周向宽度为W21，转子齿2在转子外圆处的宽度为Wc，其中0.1≤(W11*2+W21)/Wc≤0.25，结合参见图7所示，在采用上述范围对束磁部与转子齿2的宽度进行限定之后，可以使得转矩波动降到较低值，有利于电机的稳定运行。
在一个实施例中，转子槽3的槽口沿着径向向外的方向宽度递减，可以有效减小转子槽3的槽口处的漏磁。
在一个实施例中，转子槽3的槽口呈阶梯状，也可以为八字形。转子槽3的槽口呈阶梯状，能够利用靠近永磁体侧的内阶梯对永磁体4起定位作用，越靠近气隙侧，槽口宽度越小，该设计可以有效降低槽口漏磁，并且不会影响气隙磁密的大小。
在一个实施例中，转子槽3在转子外圆的槽口宽度为Ws，转子齿2在转子外圆处的宽度为Wc，其中0.22≤Ws/Wc≤0.28，在此范围内，既能使转子齿2上有足够的空间通过磁力线，又能避免磁力线从转子槽3的槽口闭合，产生漏磁。
在一个实施例中，永磁体4的径向长度为Lmag，永磁体4的剩磁为Br，转子齿2在转子外圆处的宽度为Wc，其中1.7≤Lmag*Br/Wc≤2.5，此时，在保证气隙磁密大小的同时，转子上不会发生过饱和，永磁体的利用率可以取得较优值。
结合参见图1至图9所示，根据本申请的实施例，永磁同步电机包括电机转子，该电机转子为上述的电机转子。
在一个实施例中，永磁同步电机还包括电机定子，电机定子与电机转子之间形成气隙12，气隙12的径向宽度与永磁体4的长宽比Lmag/Wmag之间需满足：Lmag/Wmag＝(1.5～3.5)*Lair，可以保证永磁体的利用率处于优势范围内。
在一个实施例中，永磁同步电机的额定转速n≤100rpm；和/或，转子极数p满足30≤2*p≤80，其中p为极对数。
永磁同步电机还包括电机定子，电机定子包括定子铁芯13，转子铁芯1的轴向长度为Lef，定子铁芯13的外圆半径为Rso，永磁同步电机的长径比x＝Lef/Rso，0.3≤x≤0.45；和/或，永磁同步电机的转子极数为2*p，p为极对数，定子铁芯13的槽数为s，永磁同步电机的极槽配比k＝2*p/s，0.85≤k≤1.2。
永磁同步电机还包括电机定子，电机定子包括定子铁芯13，定子铁芯13的内圆半径为Rsi，定子铁芯13的外圆半径为Rso，电机定子的内外径之比m＝Rsi/Rso，0.7≤m≤0.9；和/或，永磁体4的剩磁Br≥1.35T。
通过上述的限制，可以对电机的结构参数进行精确限定，能够使得应用本申请上述实施例电机转子的电机，在应用于上述限定的电机时，具有更大的优势，可以在满足转矩要求的情况下，减少永磁体用量，降低永磁体的成本。
本实施例中，永磁同步电机的工作原理为，电机定子上的绕组通入三相对称电流，会产生圆形旋转磁场，该磁场的极对数等于电机转子上永磁体4产生的磁场的极对数，两个磁场的旋转速度相同，通过气隙进行能量转换，稳定地传递转矩。
结合参见图8所示，采用本申请实施例的低速大力矩永磁同步电机，相对于相关技术的永磁同步电机而言，可以有效降低气隙磁密中的谐波含量，提高气隙磁密波形的正弦度。
结合参见图9所示，采用本申请实施例的低速大力矩永磁同步电机，相对于相关技术的永磁同步电机而言，可以在保证输出转矩的同时，明显降低转矩波动，降低振动噪声，提升电机性能。
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 (20)

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)沿周向交替设置有转子齿(2)和转子槽(3)，所述转子槽(3)内设置有永磁体(4)，所述永磁体(4)切向充磁，所述转子齿(2)的外圆周设置有束磁部，所述束磁部关于其所在的所述转子齿(2)的中心线对称，所述束磁部被配置为疏导所述转子齿(2)上的磁力线；所述束磁部包括第一调节槽(5)，所述第一调节槽(5)设置在所述转子齿(2)的两侧，且关于所述转子齿(2)的中心线对称；
所述第一调节槽(5)在开口端的宽度为W11，在闭口端的宽度为W12，其中0.45≤W12/W11≤0.52；
在所述转子铁芯(1)的横截面上，所述第一调节槽(5)包括相对设置的第一槽边(6)和第二槽边(7)，所述第一槽边(6)远离所述转子齿(2)的中心线，所述第二槽边(7)靠近所述转子齿(2)的中心线，所述第一槽边(6)为折线形、波浪线形、直线形或弧线形，所述第二槽边(7)为折线形、波浪线形、直线形或弧线形。
2.根据权利要求1所述的电机转子，其特征在于，所述第一调节槽(5)沿着所述转子铁芯(1)的径向向内的方向逐渐向所述转子槽(3)靠拢。
3.根据权利要求1所述的电机转子，其特征在于，所述第一调节槽(5)沿着所述转子铁芯(1)的径向向内的方向宽度递减。
4.根据权利要求1所述的电机转子，其特征在于，同一个转子齿(2)上设置有两个所述第一调节槽(5)，两个所述第一调节槽(5)的第二槽边(7)在转子外圆上的间距为W1，所述转子齿(2)在转子外圆上的宽度为Wc，0.45≤W1/Wc≤0.55。
5.根据权利要求1所述的电机转子，其特征在于，所述第一槽边(6)为阶梯状，所述第二槽边(7)为弧形，所述第一槽边(6)和所述第二槽边(7)在靠近所述转子槽(3)的第一端相交，在远离所述转子槽(3)的第二端分离。
6.根据权利要求5所述的电机转子，其特征在于，所述第一槽边(6)的各级阶梯中每一级的长度L1和深度H1相等，所述第二槽边(7)的圆心角为θ1，75°≤θ1≤90°。
7.根据权利要求1所述的电机转子，其特征在于，所述束磁部包括第二调节槽(8)，所述第二调节槽(8)位于所述转子齿(2)的中心线上，所述第二调节槽(8)包括第一延伸部(9)和第二延伸部(10)，所述第一延伸部(9)延伸至转子外圆，所述第二延伸部(10)设置在所述第一延伸部(9)远离所述转子外圆的一侧，所述第二延伸部(10)的周向宽度大于所述第一延伸部(9)的周向宽度。
8.根据权利要求7所述的电机转子，其特征在于，所述第一延伸部(9)的长度为L21，所述第一延伸部(9)的周向宽度为W21，其中L21＝(1.8～2.2)*W21。
9.根据权利要求7所述的电机转子，其特征在于，所述第一延伸部(9)的周向宽度为W21，所述第二延伸部(10)的周向宽度为W22，其中2.5≤W22/W21≤3。
10.根据权利要求7所述的电机转子，其特征在于，在所述转子铁芯(1)的横截面上，所述第一延伸部(9)和所述第二延伸部(10)之间通过两个斜边(11)相连，两个所述斜边(11)之间的夹角为θ2，100°≤θ2≤145°。
11.根据权利要求1所述的电机转子，其特征在于，所述束磁部包括第二调节槽(8)，所述第二调节槽(8)位于所述转子齿(2)的中心线上，所述第二调节槽(8)包括第一延伸部(9)和第二延伸部(10)，所述第一延伸部(9)延伸至转子外圆，所述第二延伸部(10)设置在所述第一延伸部(9)远离所述转子外圆的一侧，所述第二延伸部(10)的周向宽度大于所述第一延伸部(9)的周向宽度，所述第一调节槽(5)的开口宽度为W11，所述第一延伸部(9)的周向宽度为W21，所述转子齿(2)在转子外圆处的宽度为Wc，其中0.1≤(W11*2+W21)/Wc≤0.25。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的电机转子，其特征在于，所述转子槽(3)的槽口沿着径向向外的方向宽度递减。
13.根据权利要求12所述的电机转子，其特征在于，所述转子槽(3)的槽口呈阶梯状。
14.根据权利要求12所述的电机转子，其特征在于，所述转子槽(3)在转子外圆的槽口宽度为Ws，所述转子齿(2)在转子外圆处的宽度为Wc，其中0.22≤Ws/Wc≤0.28。
15.根据权利要求1至11中任一项所述的电机转子，其特征在于，所述永磁体(4)的径向长度为Lmag，所述永磁体(4)的剩磁为Br，所述转子齿(2)在转子外圆处的宽度为Wc，其中1.7≤Lmag*Br/Wc≤2.5。
16.一种永磁同步电机，包括电机转子，其特征在于，所述电机转子为权利要求1至15中任一项所述的电机转子。
17.根据权利要求16所述的永磁同步电机，其特征在于，所述永磁同步电机还包括电机定子，所述电机定子与所述电机转子之间形成气隙(12)，所述气隙(12)的径向宽度与所述永磁体(4)的长宽比Lmag/Wmag之间需满足：Lmag/Wmag＝(1.5～3.5)*Lair。
18.根据权利要求16所述的永磁同步电机，其特征在于，所述永磁同步电机的额定转速n≤100rpm；和/或，转子极数p满足30≤2*p≤80，其中p为极对数。
19.根据权利要求16所述的永磁同步电机，其特征在于，所述永磁同步电机还包括电机定子，所述电机定子包括定子铁芯(13)，所述转子铁芯(1)的轴向长度为Lef，所述定子铁芯(13)的外圆半径为Rso，所述永磁同步电机的长径比x＝Lef/Rso，0.3≤x≤0.45；和/或，所述永磁同步电机的转子极数为2*p，p为极对数，所述定子铁芯(13)的槽数为s，所述永磁同步电机的极槽配比k＝2*p/s，0.85≤k≤1.2。
20.根据权利要求16所述的永磁同步电机，其特征在于，所述永磁同步电机还包括电机定子，所述电机定子包括定子铁芯(13)，所述定子铁芯(13)的内圆半径为Rsi，所述定子铁芯(13)的外圆半径为Rso，电机定子的内外径之比m＝Rsi/Rso，0.7≤m≤0.9；和/或，所述永磁体(4)的剩磁Br≥1.35T。
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