CN113489200A - 新型不对称交替极转子 - Google Patents

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何志瞧
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Abstract

本发明涉及新型不对称交替极转子，包括转子铁心、转子转轴孔、磁钢嵌入槽孔、磁钢和磁桥；转子铁心中心位置设有转子转轴孔；转子铁心沿圆周分为若干等份，每一等份为一极，每一极中设有不对称的磁钢嵌入槽孔，磁钢嵌入槽孔内设有磁化方向相同、尺寸不同的磁钢，并且磁钢之间不对称；磁钢靠近气隙的一端设有磁桥，一极内的磁钢之间也设有磁桥；每一极内磁钢嵌入槽孔、磁钢和磁桥的设置均相同。本发明的有益效果是：本发明提出的新型不对称交替极转子，在转子每一极中设置不对称的槽孔，槽孔内嵌入尺寸不同的磁钢，每一极中磁钢磁化方向相同，转子的极数和极对数相等。

Description

新型不对称交替极转子
技术领域
本发明涉及永磁电机转子，具体涉及一种新型不对称交替极转子，可以广泛应用于各种电机产品，特别适用于对于电机磁钢使用成本较敏感的场合。
背景技术
永磁电机中采用了高性能永磁材料，因而使得电机体积减小、转矩密度和功率密度高、结构简单、可靠性高以及效率高。由于这些优点，永磁电机广泛应用于各种领域。永磁电机的诸多优点是由磁钢带来的，相应的磁钢材料本身成本较高，这对于很多对加工成本敏感的地方来讲产生了挑战。一种思路是采用价格相对便宜的非稀土永磁，如铁氧体材料；另外一种思路则是通过对电机结构上进行优化，尽可能少得使用高性能稀土永磁材料，但同时又能满足要求。
为此，有必要设计一种新型不对称交替极转子，通过对转子结构的改进，在满足输出需求的前提下，尽可能减小磁钢的用量，并保证结构的可靠性。
发明内容
本发明的目的是为了解决传统永磁电机转子中磁钢材料需求大，限制永磁电机在成本受限场合应用的问题，提供一种新型不对称交替极转子。
这种新型不对称交替极转子，包括转子铁心、转子转轴孔、磁钢嵌入槽孔、磁钢和磁桥；转子铁心中心位置设有转子转轴孔；转子铁心沿圆周分为若干等份，每一等份为一极，每一极中设有不对称的磁钢嵌入槽孔，磁钢嵌入槽孔内设有磁化方向相同、尺寸不同的磁钢，并且磁钢之间不对称；磁钢靠近气隙的一端设有磁桥，一极内的磁钢之间也设有磁桥；每一极内磁钢嵌入槽孔、磁钢和磁桥的设置均相同。
作为优选：所述转子转轴孔设有凸键或键槽。
作为优选：磁极结构包括V型磁极、一字型磁极、U型磁极或W型磁极。
作为优选：当磁极结构为V型磁极时，转子每一极设有不对称的磁钢一嵌入槽孔和磁钢二嵌入槽孔，磁钢一嵌入槽孔和磁钢二嵌入槽孔内分别嵌入具有相同磁化方向的磁钢一和磁钢二，磁钢一和磁钢二靠近气隙的一端分别设有磁钢一靠近气隙侧磁桥和磁钢二靠近气隙侧磁桥，一极内的磁钢一与磁钢二之间设有磁钢一和磁钢二之间磁桥。
作为优选：磁极结构包括一层磁极、二层磁极或三层磁极，每一极内包含至少两种尺寸的磁钢。
作为优选：转子每一极设有无磁钢槽孔。
作为优选：所述转子铁心上设有通风减重孔，通风减重孔沿圆周均匀布置。
作为优选：所述磁钢材料为铝镍钴、铁氧体、钐钴或钕铁硼。
本发明的有益效果是：本发明提出的新型不对称交替极转子，在转子每一极中设置不对称的槽孔，槽孔内嵌入尺寸不同的磁钢，每一极中磁钢磁化方向相同，转子的极数和极对数相等；本发明不对称交替极转子易于加工，材料浪费少，成本低，通过合理的确定磁钢和槽孔的数目和尺寸就能保证所应用的电机输出大且平稳，因此能够广泛应用于各类相关产品上。
附图说明
图1为新型不对称交替极转子三维示意图；
图2为转子和定子组合三维示意图；
图3为新型不对称交替极转子二维截面示意图；
图4为U型磁钢布置磁极示意图；
图5为双层磁钢布置磁极示意图；
图6为外转子结构示意图。
附图标记说明：电机的旋转轴中心1、圆周正方向2、转子铁心3、转子转轴孔4、凸键5、键槽6、磁钢一嵌入槽孔7、磁钢二嵌入槽孔8、磁钢一9、磁钢二10、无磁钢槽孔一11、无磁钢槽孔二12、磁钢一靠近气隙侧磁桥13、磁钢二靠近气隙侧磁桥14、磁钢一和磁钢二之间磁桥15、通风减重孔16、17定子铁心、定子绕组18、磁钢一主磁化方向19、磁钢二主磁化方向20。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
实施例一
本申请实施例一提供一种新型不对称交替极转子，由相同极性的不同尺寸磁钢构成。交替极结构意味着转子内部在一个极距内包含磁化方向相同的磁钢，更确切的说转子的极数和极对数相等，这是与传统非交替极电机最大的不同；不对称意味着构成转子每极的磁钢或槽孔排布，无法在这一极上的任何位置找到结构对称轴。针对旋转电机，对于磁路结构没有限制。沿着轴向的某一剖面具有本发明所述特征即意味着采用了本发明。选择能表征本专利所述特征的这些剖面中的一个作为参照截面图。沿着电机的旋转轴中心1定义其中一个方向为正，另一方向为负。以轴向正方向为参考，定义圆周正方向2。以转子铁心3为基准，在其中心位置加工出转子转轴孔4，转子转轴孔可以结合凸键5或键槽6进行后续装配。将转子铁心按照所需极数沿圆周分为若干等份，以每一等份的中心线为基准在其两侧对转子进行磁钢一嵌入槽孔7、磁钢二嵌入槽孔8、无磁钢槽孔一11、无磁钢槽孔二12加工。磁钢一嵌入槽孔7、磁钢二嵌入槽孔8中按照相应的尺寸分别嵌入具有相同磁化方向的磁钢一9、磁钢二10。转子结构的不对称性首先就体现在这些槽孔在每极中心线两侧分布的不对称以及槽孔尺寸的不对称。转子的不对称性还体现在每极中嵌入的磁钢尺寸必定不同。为保证一定的机械强度，磁钢靠近气隙的一端设有磁桥，分别为磁钢一靠近气隙侧磁桥13、磁钢二靠近气隙侧磁桥14；一个极内的磁钢之间一般也需要磁桥，磁钢一9与磁钢二10之间设有磁钢一和磁钢二之间磁桥15。转子铁心上也可以根据需要进行额外的开孔，如通风减重孔16。对每一极完成磁钢内嵌后相邻极距内的磁钢和槽孔分布、尺寸和极性完全相同。最终得到不对称交替极转子。
所述磁钢材料为铝镍钴、铁氧体、钐钴或钕铁硼等各类磁钢材料。
所述不对称交替极转子用于旋转电机，定转子两侧电机的磁场在通过气隙时可以沿着径向或者轴向，旋转磁场运动方向可以和转子运动方向在同一平面内或不同平面内。
所述交替极不对称转子一个极主要由尺寸不同的磁钢一9、磁钢二10，尺寸不同的用于嵌入磁钢的磁钢一嵌入槽孔7、磁钢二嵌入槽孔8，数目、位置、形状、尺寸任意的用于调整电机性能的无磁钢槽孔一11、无磁钢槽孔二12，用于隔磁和保证机械强度的磁钢一靠近气隙侧磁桥13、磁钢二靠近气隙侧磁桥14和磁钢之间尺寸可变的磁钢一和磁钢二之间磁桥15构成。
所述交替极不对称转子每一极的磁钢一9、磁钢二10具有相同的充磁方向。每一极的合成磁化方向以径向正方向为参考，对交替极电机全部呈现N极或S极。不同于传统电机中相邻磁极的合成磁化方向必定为N极、S极交替排布。由此决定了交替极转子极数等于极对数，传统电机中极数等于极对数的2倍。
所述不对称交替极转子通过转子转轴孔4与转轴进行装配，装配可以通过键槽6或凸键5进行。
所述转子铁心3上可以根据需要在不同的位置开通风减重孔16，孔的数量、尺寸、形状、位置根据需要决定。
所述不对称交替极转子关键在于每极中心线两侧磁钢和用于嵌入磁钢槽孔分布的不对称以及尺寸的不对称，嵌入磁钢的槽孔可以根据需要进行设计，形式不限。
实施例二
本申请实施例二基于图2进行分解详细说明。如图1所示为一台30kW的三相永磁同步电机，转子采用V型内置永磁体(磁钢一与磁钢二组成V型结构)不对称交替极结构。定子槽数为36，转子极对数和极数相等为6，定子绕组18为双层叠绕组形式，线圈节距为5个定子齿距，定转子铁心轴向由硅钢片叠压而成总厚100mm。电机的三维结构如图2所示。其中定转子铁心都采用硅钢片叠压而成。电机的主要尺寸参数如下表所示。
表1 30kW永磁同步电机主要尺寸
定子外径-300mm 气隙-1mm
定子内径-204mm 转子外径-202mm
定子齿宽-11mm 转子内径-45mm
额定相电流-46A 磁钢厚度-6mm
磁钢一宽度-50mm 磁钢二宽度-26.5mm
每相串联匝数-51 磁钢材料-N38UH
并联支路数-1 定转子铁芯材料-50DW470
定子相电阻-0.06Ω 额定转速-1000rpm
转子结构细节详图如图3的二维截面示意图所示，磁钢为简单的矩形，转子每极由一大一小两块磁钢构成不对称结构，磁钢表面标注的箭头代表了磁钢主要磁化方向。此方向并不唯一。如前所述，本发明重点在于转子结构的不同。交替极结构意味着转子极对数和转子极数相等，本例中均为6。定子齿槽数、绕组结构等隶属于定子部分的特性并非本发明的重点保护对象，本例中的36槽定子铁心17以及线圈节距为5个定子齿距的双层叠绕组结构也只是应用中的具体实例，绝非限制。6极意味着转子上沿圆周正方向60度的范围内为一极的极距。一极之内包含两块磁钢，磁钢的尺寸必须不同，因而用于嵌入磁钢的槽孔尺寸不同，从而构成不对称结构。在本实施例中一极内的两块磁钢都采用平行充磁工艺，实现磁钢宽度范围内的均匀充磁，两块永磁体的磁化方向按图3中所示需要合成径向磁场，合成磁场的方向可以沿着径向正方向，或者为径向负方向，但无论沿着什么方向，相邻极的磁钢磁化方向必须完全相同，从而保证极对数和极数相等这一关键限制。其余部分如不用嵌入永磁体的槽孔、用于通风散热减重等辅助功能的槽孔、转轴和转子的转配孔形状都可以根据需要进行修改，不予以约束。本发明中的转子为重点，电机相数也不是约束所在，本例中为三相电机，实际中可以根据所需相数进行齿槽数和绕组结构的修改。
实施例三
在实施例二的基础上，本发明中的转子结构不限于V型磁极，在实际中可以是一字型磁极、U型磁极、W型磁极等磁极结构。关键点在于每个极距内的磁极布置完全相同，意味着当一个极距内的磁钢特征在沿圆周正方向旋转正整数倍的极距后完全相同，同时更为关键的是在一个极距内若磁钢数目大于1，必须存在至少2种尺寸的磁钢，且磁钢的布置在极距内对于任一径向直线都不能实现径向对称，从而构成不对称的特征。图4中为转子一极内改为U型磁钢布置磁极的实施例。
实施例四
在实施例二的基础上，本发明中的转子结构不限于单层磁极，在实际中可以是一层磁极、二层磁极、三层磁极等层数磁极结构。无论磁极为几层结构，一个极距内的磁钢特征在沿圆周正方向旋转正整数倍的极距后完全相同，同时更为关键的是在一个极距内必须存在至少2种尺寸的磁钢，且磁钢的布置在极距内对于任一径向直线都不能实现径向对称，从而构成不对称的特征。每一层的磁钢数目可以相同也可以不同，但是总体上极距内磁钢分布的不对称性必须存在。图5中为转子一极内改为双层磁钢布置磁极的实施例。靠近气隙的一侧为一字型磁钢，而第二层磁钢为V型不对称磁钢。
实施例五
在实施例二的基础上，本发明中的转子结构不局限于径向磁路的内转子结构形式。径向磁路外转子、轴向磁路转子等结构也可以采用，转子形式不限，关键还是在于交替极结构和不对称结构这两者的结合。基于图3的6极内转子，图6给出了相应的外转子结构加以说明。一般的电机是内转子结构，即里面是转子，永磁体位于转子上，外面是嵌绕组的定子。外转子结构指的是定转子位置交换一下，永磁体仍然位于外面的转子上。

Claims (8)

1.一种新型不对称交替极转子，其特征在于：包括转子铁心(3)、转子转轴孔(4)、磁钢嵌入槽孔、磁钢和磁桥；转子铁心(3)中心位置设有转子转轴孔(4)；转子铁心(3)沿圆周分为若干等份，每一等份为一极，每一极中设有不对称的磁钢嵌入槽孔，磁钢嵌入槽孔内设有磁化方向相同、尺寸不同的磁钢，并且磁钢之间不对称；磁钢靠近气隙的一端设有磁桥，一极内的磁钢之间也设有磁桥；每一极内磁钢嵌入槽孔、磁钢和磁桥的设置均相同。
2.根据权利要求1所述的新型不对称交替极转子，其特征在于：所述转子转轴孔(4)设有凸键(5)或键槽(6)。
3.根据权利要求1所述的新型不对称交替极转子，其特征在于：磁极结构包括V型磁极、一字型磁极、U型磁极或W型磁极。
4.根据权利要求3所述的新型不对称交替极转子，其特征在于：当磁极结构为V型磁极时，转子每一极设有不对称的磁钢一嵌入槽孔(7)和磁钢二嵌入槽孔(8)，磁钢一嵌入槽孔(7)和磁钢二嵌入槽孔(8)内分别嵌入具有相同磁化方向的磁钢一(9)和磁钢二(10)，磁钢一(9)和磁钢二(10)靠近气隙的一端分别设有磁钢一靠近气隙侧磁桥(13)和磁钢二靠近气隙侧磁桥(14)，一极内的磁钢一(9)与磁钢二(10)之间设有磁钢一和磁钢二之间磁桥(15)。
5.根据权利要求1所述的新型不对称交替极转子，其特征在于：磁极结构包括一层磁极、二层磁极或三层磁极，每一极内包含至少两种尺寸的磁钢。
6.根据权利要求1所述的新型不对称交替极转子，其特征在于：转子每一极设有无磁钢槽孔。
7.根据权利要求1所述的新型不对称交替极转子，其特征在于：所述转子铁心(3)上设有通风减重孔(16)，通风减重孔(16)沿圆周均匀布置。
8.根据权利要求1所述的新型不对称交替极转子，其特征在于：所述磁钢材料为铝镍钴、铁氧体、钐钴或钕铁硼。
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