CN113078751A - 电机转子和永磁同步电机 - Google Patents

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肖勇
陈彬
李权锋
刘美扬
漆凌君
黄侠昌
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Gree Electric Appliances Inc of Zhuhai
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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)，同一个转子齿(2)的外圆周设置有至少两个磁束整理槽(5)，至少两个磁束整理槽(5)关于其所在的转子齿(2)的中心线对称，磁束整理槽(5)为梯形槽。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，由于定转子表面开槽等因素的影响，该类型电机中含有多种谐波，且谐波占比较大，导致该种电机转矩波动高，从而影响电机的振动噪声等性能。在现有技术中，对该种问题的解决方式是将转子铁心表面做成波浪形结构，从而使气隙变成周期变化的不均匀气隙，达到降低谐波的目的；但是，这种方法对工艺要求极高，由于气隙本身就比较小，稍有加工误差就会导致谐波不减反增，使电机性能变差。
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差，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，同一个转子齿的外圆周设置有至少两个磁束整理槽，至少两个磁束整理槽关于其所在的转子齿的中心线对称，磁束整理槽为梯形槽。
优选地，梯形槽沿着径向向内的方向宽度递减。
优选地，梯形槽的截面为直角梯形，梯形槽的直角边设置在靠近转子槽的一侧。
优选地，同一个转子齿上的两个磁束整理槽的直角边在转子外圆处的距离为L_2ms，转子齿在转子外圆处的宽度为W_Rt，0.5≤L_2ms/W_Rt≤0.8。
优选地，0.58≤L_2ms/W_Rt≤0.65。
优选地，直角边与转子外圆相交形成交点，或者直角边的延长线与转子外圆相交形成交点，直角边垂直于转子外圆在该交点处的切线。
优选地，梯形槽的槽口宽度为W_ms，转子槽的槽口宽度为W_Rs，0.32≤W_ms/W_Rs≤0.37；和/或，永磁体切向充磁。
优选地，梯形槽的槽口宽度为W_ms，梯形槽的深度为T_ms，W_ms＝(1.1～1.2)*T_ms。
优选地，梯形槽的直边和斜边之间的夹角为θ0，20°≤θ0≤35°。
优选地，梯形槽与转子外圆之间通过倒圆角平滑过渡，梯形槽的侧边和底边之间通过倒圆角平滑过渡。
优选地，圆角的半径相同，圆角的半径为Ro1，梯形槽的底边长度为Lmin，0.15≤Ro1/Lmin≤0.5。
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W_Rt，其中1.1≤Lmag*Br/W_Rt≤1.98。
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，永磁体的长度为Lmag，永磁体的宽度为Wmag，气隙的径向宽度为Lair，Lair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2*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。
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，梯形槽的深度T_ms与气隙的径向宽度Lair之间满足T_ms＝(0.85～0.95)*Lair。
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，电机定子与电机转子之间形成气隙，梯形槽的开口朝向气隙，每个转子齿上的两个磁束整理槽作用于一段气隙，该段气隙在转子铁芯的横截面上的面积为Sair，转子铁芯的转子外圆的半径为Rro，定子铁芯的内圆半径为Rsi，p为极对数，Sair＝(Rsi^2-Rro^2)*π/(2*p)。
优选地，单个梯形槽在转子铁芯的横截面上的面积为Sms，Sms＝(0.02～0.1)*Sair。
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，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，转子齿在转子外圆处的宽度为W_Rt，定子铁芯的定子齿靴的宽度为W_Stb，0.75≤W_Rt/(W_Stb*k)≤1。
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，同一个转子齿的外圆周设置有两个磁束整理槽，两个磁束整理槽关于其所在的转子齿的中心线对称，磁束整理槽为梯形槽。该电机转子在转子齿的外圆周设置磁束整理槽，通过磁束整理槽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，实现减振降噪。
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尺寸关系图；
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为本申请实施例的永磁同步电机的L_2ms/W_Rt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的T_ms/Lair对转矩波动的影响曲线图；
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反电势波形对比图；
图10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、磁束整理槽；6、定子铁芯；7、气隙。
具体实施方式
结合参见图1至图10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，同一个转子齿2的外圆周设置有至少两个磁束整理槽5，至少两个磁束整理槽5关于其所在的转子齿2的中心线对称，磁束整理槽5为梯形槽。
该电机转子在转子齿2的外圆周设置磁束整理槽5，通过磁束整理槽5能够有效疏导转子齿2上的磁力线，调节气隙7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，实现减振降噪。
在一个实施例中，永磁体4切向充磁。
在其他实施例中，永磁体4也可以径向充磁。
以下各个实施例中的结构尺寸关系均指相关结构在转子铁芯横截面上的尺寸关系。
电机转子还包括转子轭，转子齿2和转子轭是构成主磁路的主要路径。转子槽3用于放置永磁体4，转子槽3的四个边角为内嵌形式，用于槽内永磁体4的限位。一个转子齿2上设置两个磁束整理槽5，可以有效约束齿部的磁力线在气隙7中的分布情况，使得气隙7中的磁场分布更为均匀。
磁束整理槽5在转子齿2上的位置直接影响其对磁力线的约束作用，进而影响输出转矩的波动情况。两个磁束整理槽5关于其所在的转子齿2的中心线对称，能够进一步降低输出转矩的波动，提高减振降噪效果。
梯形槽沿着径向向内的方向宽度递减，可以使得磁束整理槽5开设在转子齿2的表面，且越靠近气隙7，磁束整理槽5的面积越大，对磁力线的约束能力越强，更加有助于气隙磁密正弦化，降低转矩波动，提高电机性能。
梯形槽的截面为直角梯形，梯形槽的直角边设置在靠近转子槽3的一侧。
同一个转子齿2上的两个磁束整理槽5的直角边在转子外圆处的距离为L_2ms，转子齿2在转子外圆处的宽度为W_Rt，0.5≤L_2ms/W_Rt≤0.8。
优选地，0.58≤L_2ms/W_Rt≤0.65。
参见图7所示，当该比值取值较大或较小时，转矩波动会急速增加，只有在上述区间内，转矩波动较为平稳，有利于提高电机性能。
直角边与转子外圆相交形成交点，或者该直角边的延长线与转子外圆相交形成交点，直角边垂直于转子外圆在该交点处的切线。
梯形槽的槽口宽度为W_ms，转子槽3的槽口宽度为W_Rs，0.32≤
W_ms/W_Rs≤0.37，可以保证转子铁芯1上有足够的磁通路径，进而保证输出转矩维持在需求水平。
在一个实施例中，梯形槽的槽口宽度为W_ms，梯形槽的深度为T_ms，W_ms＝(1.1～1.2)*T_ms，从而能够得到更好的转矩性能。
在一个实施例中，梯形槽的直边和斜边之间的夹角为θ0，20°≤θ0≤35°。θ0的大小影响转子齿部靠近气隙侧的磁通分布，当该角度满足20°≤θ0≤35°时，磁束整理槽5对气隙磁密分布的调节作用达到最优。
梯形槽与转子外圆之间通过倒圆角平滑过渡，梯形槽的侧边和底边之间通过倒圆角平滑过渡，圆角的半径相同，圆角的半径为Ro1，梯形槽的底边长度为Lmin，0.15≤Ro1/Lmin≤0.5。由于梯形槽的各个顶角处磁场容易发生饱和，因此在磁束整理槽的四个顶角处均以圆角过渡，所有过渡圆角半径相同，且圆角的半径Ro1与梯形槽的底边长度Lmin之间满足0.15≤Ro1/Lmin≤0.5时，可以很好地过渡磁力线，不易发生饱和情况。
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W_Rt，其中1.1≤Lmag*Br/W_Rt≤1.98，在此范围内，可以保证永磁体4提供的磁场绝大部分均通过转子齿部进入气隙7，增加气隙7的磁密，提高输出转矩。
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7，永磁体4的长度为Lmag，永磁体4的宽度为Wmag，气隙7的径向宽度为Lair，Lair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2*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6，转子铁芯1的轴向长度为Lef，定子铁芯6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6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6，定子铁芯6的内圆半径为Rsi，定子铁芯6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。
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7，梯形槽的深度T_ms与气隙7的径向宽度Lair之间满足T_ms＝(0.85～0.95)*Lair。由于空气磁导与铁芯磁导不同，如果T_ms过小，无法发挥疏导磁力线的作用，T_ms过大则会影响磁力线进入气隙的数量，从而使转矩波动上升、输出转矩急剧下降。参见图8所示，当限定为上述比值时，能够保证电机输出转矩的波动较小，维持在一个较低的转矩波动范围内。
在一个实施例中，永磁同步电机还包括电机定子，电机定子包括定子铁芯6，电机定子与电机转子之间形成气隙7，梯形槽的开口朝向气隙7，每个转子齿2上的两个磁束整理槽5作用于一段气隙7，该段气隙7在转子铁芯1的横截面上的面积为Sair，转子铁芯1的转子外圆的半径为Rro，定子铁芯6的内圆半径为Rsi，p为极对数，Sair＝(Rsi^2-Rro^2)*π/(2*p)。
在一个实施例中，单个梯形槽在转子铁芯1的横截面上的面积为Sms，Sms＝(0.02～0.1)*Sair，可以使磁束整理槽5对气隙磁密的影响处于较优的范围内。
在一个实施例中，永磁同步电机还包括电机定子，电机定子包括定子铁芯6，永磁同步电机的转子极数为2*p，p为极对数，定子铁芯6的槽数为s，永磁同步电机的极槽配比k＝2*p/s，转子齿2在转子外圆处的宽度为W_Rt，定子铁芯6的定子齿靴的宽度为W_Stb，0.75≤W_Rt/(W_Stb*k)≤1，优选地，0.75≤W_Rt/(W_Stb*k)≤0.85，此时，每极每槽下定转子之间主磁路的磁阻最小，利于磁力线通过。
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，本申请实施例的低速大力矩永磁同步电机的反电势波形正弦度得到了明显提升。
结合参见图10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，在相同输出转矩水平上，转矩波动明显下降。
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 (21)

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)，同一个所述转子齿(2)的外圆周设置有至少两个磁束整理槽(5)，所述至少两个所述磁束整理槽(5)关于其所在的所述转子齿(2)的中心线对称，所述磁束整理槽(5)为梯形槽。
2.根据权利要求1所述的电机转子，其特征在于，所述梯形槽沿着径向向内的方向宽度递减。
3.根据权利要求2所述的电机转子，其特征在于，所述梯形槽的截面为直角梯形，所述梯形槽的直角边设置在靠近所述转子槽(3)的一侧。
4.根据权利要求3所述的电机转子，其特征在于，同一个所述转子齿(2)上的两个所述磁束整理槽(5)的直角边在转子外圆处的距离为L_2ms，所述转子齿(2)在转子外圆处的宽度为W_Rt，0.5≤L_2ms/W_Rt≤0.8。
5.根据权利要求4所述的电机转子，其特征在于，0.58≤L_2ms/W_Rt≤0.65。
6.根据权利要求3所述的电机转子，其特征在于，所述直角边与转子外圆相交形成交点，或者所述直角边的延长线与转子外圆相交形成交点，所述直角边垂直于转子外圆在该交点处的切线。
7.根据权利要求1所述的电机转子，其特征在于，所述梯形槽的槽口宽度为W_ms，所述转子槽(3)的槽口宽度为W_Rs，0.32≤W_ms/W_Rs≤0.37；和/或，所述永磁体(4)切向充磁。
8.根据权利要求1所述的电机转子，其特征在于，所述梯形槽的槽口宽度为W_ms，所述梯形槽的深度为T_ms，W_ms＝(1.1～1.2)*T_ms。
9.根据权利要求3所述的电机转子，其特征在于，所述梯形槽的直边和斜边之间的夹角为θ0，20°≤θ0≤35°。
10.根据权利要求1所述的电机转子，其特征在于，所述梯形槽与转子外圆之间通过倒圆角平滑过渡，所述梯形槽的侧边和底边之间通过倒圆角平滑过渡。
11.根据权利要求10所述的电机转子，其特征在于，所述圆角的半径相同，所述圆角的半径为Ro1，所述梯形槽的底边长度为Lmin，0.15≤Ro1/Lmin≤0.5。
12.根据权利要求1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W_Rt，其中1.1≤Lmag*Br/W_Rt≤1.98。
13.一种永磁同步电机，包括电机转子，其特征在于，所述电机转子为权利要求1至12中任一项所述的电机转子。
14.根据权利要求13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(7)，永磁体(4)的长度为Lmag，所述永磁体(4)的宽度为Wmag，所述气隙(7)的径向宽度为Lair，Lair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。
15.根据权利要求13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2*p满足30≤2*p≤80，其中p为极对数。
16.根据权利要求13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(6)，所述转子铁芯(1)的轴向长度为Lef，所述定子铁芯(6)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(6)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。
17.根据权利要求13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(6)，所述定子铁芯(6)的内圆半径为Rsi，所述定子铁芯(6)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。
18.根据权利要求13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(7)，所述梯形槽的深度T_ms与气隙(7)的径向宽度Lair之间满足T_ms＝(0.85～0.95)*Lair。
19.根据权利要求13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(6)，所述电机定子与所述电机转子之间形成气隙(7)，所述梯形槽的开口朝向所述气隙(7)，每个所述转子齿(2)上的两个所述磁束整理槽(5)作用于一段气隙(7)，该段气隙(7)在所述转子铁芯(1)的横截面上的面积为Sair，所述转子铁芯(1)的转子外圆的半径为Rro，所述定子铁芯(6)的内圆半径为Rsi，p为极对数，Sair＝(Rsi^2-Rro^2)*π/(2*p)。
20.根据权利要求19所述的永磁同步电机，其特征在于，单个所述梯形槽在所述转子铁芯(1)的横截面上的面积为Sms，Sms＝(0.02～0.1)*Sair。
21.根据权利要求13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(6)，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(6)的槽数为s，所述永磁同步电机的极槽配比k＝2*p/s，所述转子齿(2)在转子外圆处的宽度为W_Rt，所述定子铁芯(6)的定子齿靴的宽度为W_Stb，0.75≤W_Rt/(W_Stb*k)≤1。
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