CN113922628B - 一种电机定转子结构和电机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电机定转子结构和电机，电机定转子结构包括：定子和转子，定子包括沿周向间隔布置的多个定子极靴，转子包括沿周向间隔布置的多个转子铁芯，转子铁芯在其周向边缘位置被切边而形成转子切边，定子极靴在其周向边缘位置被切边而形成定子切边，使得转子铁芯与定子极靴沿径向相对时，转子铁芯与定子极靴在径向方向上存在气隙，且位于转子铁芯的周向方向的中部位置的气隙径向宽度小于转子铁芯的周向方向边缘处的气隙径向宽度。根据本发明能使得气隙中磁密更加贴近于正弦曲线，使气隙磁密更符合正弦变化规律，减小转矩脉动，降低了脉动引起的震动噪声，使气隙磁密波形更贴近正弦波，减少谐波含量，提高电机的效率，生产工艺简单。

Description

一种电机定转子结构和电机
技术领域
本发明涉及电机技术领域，具体涉及一种电机定转子结构和电机。
背景技术
随着家电行业的发展，由于永磁无刷电机在较大的转速范围内可以获得较高的效率，更适合家电变频的需要。在空调、冰箱、洗衣机等产品中，逐步取代传统的单相异步电动机驱动，串激电机传动系统而向永磁变频调速发展。
对于家电行业的驱动电机来说，噪声问题对于电机的开发尤为重要。转矩脉动是影响永磁无刷直流风机噪声的主要因素，因此研究如何减小转矩脉动，对于直流风机的开发很关键。目前来说，降低转矩脉动的方法也有很多，例如优化极弧系数、开辅助槽、分数槽极配合、不等槽口宽配合以及一些控制策略上的优化。这些方法通过不断的优化可以不同程度的降低转矩脉动，但有时候这些方法工艺制作复杂，效果很难有明显的改善。
由于现有技术中的电机存在转矩脉动较大，导致引起震动噪声；电机效率低下；降低转矩脉动的生产工艺困难等技术问题，因此本发明研究设计出一种电机定转子结构和电机。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的电机存在转矩脉动较大，导致引起震动噪声的缺陷，从而提供一种电机定转子结构和电机。
为了解决上述问题，本发明提供一种电机定转子结构，其包括：
定子和转子，所述定子包括沿周向间隔布置的多个定子极靴，所述转子包括沿周向间隔布置的多个转子铁芯，且所述转子铁芯在其周向边缘位置被切边而形成转子切边，所述定子极靴在其周向边缘位置被切边而形成定子切边，使得所述转子铁芯与所述定子极靴沿径向相对时，所述转子铁芯与所述定子极靴在径向方向上存在气隙，且位于所述转子铁芯的周向方向的中部位置的气隙径向宽度小于所述转子铁芯的周向方向边缘处的气隙径向宽度。
在一些实施方式中，所述转子切边形成在所述转子铁芯的径向外周的周向边缘处，所述定子切边形成在所述定子极靴的径向内周的周向边缘处，从所述转子铁芯的周向中部位置至所述转子铁芯的周向边缘位置的方向，所述气隙径向宽度逐渐减小。
在一些实施方式中，所述转子铁芯具有径向方向的第一径向中心线，且所述转子铁芯相对于所述第一径向中心线对称，所述转子铁芯的径向外缘相对于所述第一径向中心线对称，从所述转子铁芯的周向一侧外缘至另一侧外缘的方向，所述气隙径向宽度先逐渐减小再逐渐增大。
在一些实施方式中，所述定子极靴具有径向方向的第二径向中心线，且所述定子极靴相对于所述第二径向中心线对称，所述定子极靴的径向内缘相对于所述第二径向中心线对称，从所述定子极靴的周向一侧内缘至另一侧内缘的方向，所述气隙径向宽度先逐渐减小再逐渐增大；所述转子铁芯与所述定子极靴沿径向正对时所述第二径向中心线与所述第一径向中心线重合。
在一些实施方式中，所述转子切边为通过在所述转子铁芯的周向方向的中部位置的径向外缘处做内切圆而形成的弧形切边；
所述定子切边为通过在两个相邻的所述定子极靴之间的槽口的周向中部位置与所述槽口的径向中部位置相交的位置做内切圆而形成的弧形切边。
在一些实施方式中，所述弧形切边的所述定子切边的弧线长度小于1/3极靴长；弧形切边的所述定子切边的沿定子的径向方向的最大厚度大于1/5极靴厚且小于1/2极靴厚；所述极靴长为周向一侧的极靴沿周向延伸的长度，所述极靴厚为周向一侧的极靴沿径向方向的最大长度。
在一些实施方式中，所述弧形切边的所述转子切边的弧线直径为25.0～29.0mm，所述弧形切边的定子切边的弧线直径为16.0～20.0mm，所述定子切边的沿定子的径向方向的最大厚度为0.10～0.40mm。
在一些实施方式中，所述转子切边为通过在所述转子铁芯的周向方向的中部位置的径向外缘处做内切圆而形成的弧形切边；
所述定子切边为通过在两个相邻的所述定子极靴之间的槽口的周向中部位置与所述槽口)的径向中部位置相交的位置沿着其内切圆的切边方向而形成的直线切边。
在一些实施方式中，所述直线切边的所述定子切边的沿切向方向的切边长度小于1/3极靴长；所述直线切边的所述定子切边的沿径向方向的切边厚度大于1/5极靴厚且小于1/2极靴厚；所述极靴长为周向一侧的极靴沿周向延伸的长度，所述极靴厚为周向一侧的极靴沿径向方向的最大长度。
本发明还提供一种电机，其包括前任一项所述的电机定转子结构。
本发明提供的一种电机定转子结构和电机具有如下有益效果：
本发明通过在转子铁芯的周向边缘位置开设转子切边，在定子极靴的周向边缘位置开设定子切边，从而使得定子极靴与转子铁芯之间的气隙形成中间窄两端宽(周向中部窄，两端宽)的结构，有效削弱极靴两端的磁场，增强靠近齿部中间位置的磁场，使得气隙中磁密更加贴近于正弦曲线，使气隙磁密更符合正弦变化规律，进而起到减小转矩脉动的作用，减小了电机的转矩脉动，进而降低了脉动引起的震动噪声，使气隙磁密波形更贴近正弦波，减少谐波含量，提高了电机的效率，本发明仅改变定转子靠近气隙的边缘形状，有效避免了生产工艺困难的问题。
附图说明
图1为现有技术中未进行切边的定转子结构图；
图2为本发明进行转子切边和定子切边后的定转子结构图；
图3为本发明的实施例1的圆弧形切边的结构图；
图4为本发明的实施例2的直线切边的结构图；
图5为本发明的转矩脉动&转矩输出与外切圆直径之间的曲线关系图；
图6为本发明与现有技术相比的转矩脉动对比曲线图。
附图标记表示为：
1、定子；10、定子铁芯；2、转子；20、转子铁芯；3、绕组；4、永磁体；5、转子切边；6、定子切边；7、气隙；8、定子极靴；9、槽口。
具体实施方式
如图2-6所示，本发明提供一种电机定转子结构，其包括：
定子1和转子2，所述定子1包括沿周向间隔布置的多个定子极靴8，所述转子2包括沿周向间隔布置的多个转子铁芯20，且所述转子铁芯20在其周向边缘位置被切边而形成转子切边5，所述定子极靴8在其周向边缘位置被切边而形成定子切边6，使得所述转子铁芯20与所述定子极靴8沿径向相对时，所述转子铁芯20与所述定子极靴8在径向方向上存在气隙7，且位于所述转子铁芯20的周向方向的中部位置的气隙径向宽度小于所述转子铁芯20的周向方向边缘处的气隙径向宽度。
本发明通过在转子铁芯的周向边缘位置开设转子切边，在定子极靴的周向边缘位置开设定子切边，从而使得定子极靴与转子铁芯之间的气隙形成中间窄两端宽(周向中部窄，两端宽)的结构，有效削弱极靴两端的磁场，增强靠近齿部中间位置的磁场，使得气隙中磁密更加贴近于正弦曲线，使气隙磁密更符合正弦变化规律，进而起到减小转矩脉动的作用，减小了电机的转矩脉动，进而降低了脉动引起的震动噪声，使气隙磁密波形更贴近正弦波，减少谐波含量，提高了电机的效率，本发明仅改变定转子靠近气隙的边缘形状，有效避免了生产工艺困难的问题。
图2为本发明的模型及切边示意图，其中转子切边5为转子铁芯20外径的切割线，定子切边6为定子1内径上靠近仅定子极靴8两端的切割线。切割边缘的形状和切割量无固定要求，只要能够使定转子之间的气隙7形成两端宽中间窄的结构就可。
在一些实施方式中，所述转子切边5形成在所述转子铁芯20的径向外周的周向边缘处，所述定子切边6形成在所述定子极靴8的径向内周的周向边缘处，从所述转子铁芯20的周向中部位置至所述转子铁芯20的周向边缘位置的方向，所述气隙径向宽度逐渐减小。这是本发明的转子切边和定子切边的优选设置位置，即设置在定转子相对的位置的周向边缘，并且气隙从周向中部至边缘逐渐减小，能够有效增大中部位置两侧的气隙的宽度，有效减弱两侧位置的磁场，进一步使其气隙磁密波形尽可能符合正弦波，进一步有效降低转矩脉动，并且减小谐波含量，增强振动噪声的减弱程度，进一步提高电机效率。
在一些实施方式中，所述转子铁芯20具有径向方向的第一径向中心线，且所述转子铁芯20相对于所述第一径向中心线对称，所述转子铁芯20的径向外缘相对于所述第一径向中心线对称，从所述转子铁芯20的周向一侧外缘至另一侧外缘的方向，所述气隙径向宽度先逐渐减小再逐渐增大。这是本发明的转子铁芯的进一步优选结构形式，即其具有第一径向中心线，转子铁芯相对于第一径向中心线对称，径向外缘相对于第一径向中心线对称，能够使得周向一侧外缘至另一侧外缘的气隙宽度先逐渐减小再逐渐增大，能够进一步地使得气隙磁密波形符合正弦波形，进一步提高转矩脉动的减弱程度，进一步减弱谐波，提高电机效率。
在一些实施方式中，所述定子极靴8具有径向方向的第二径向中心线，且所述定子极靴8相对于所述第二径向中心线对称，所述定子极靴8的径向内缘相对于所述第二径向中心线对称，从所述定子极靴8的周向一侧内缘至另一侧内缘的方向，所述气隙径向宽度先逐渐减小再逐渐增大；所述转子铁芯20与所述定子极靴8沿径向正对时所述第二径向中心线与所述第一径向中心线重合。这是本发明的定子极靴的进一步优选结构形式，即其具有第二径向中心线，定子极靴相对于第二径向中心线对称，径向内缘相对于第二径向中心线对称，能够使得周向一侧内缘至另一侧内缘的气隙宽度先逐渐减小再逐渐增大，能够进一步地使得气隙磁密波形符合正弦波形，进一步提高转矩脉动的减弱程度，进一步减弱谐波，提高电机效率。
实施例1，如图3，在一些实施方式中，所述转子切边5为通过在所述转子铁芯20的周向方向的中部位置的径向外缘处做内切圆而形成的弧形切边；
所述定子切边6为通过在两个相邻的所述定子极靴8之间的槽口9的周向中部位置与所述槽口9的径向中部位置相交的位置做内切圆而形成的弧形切边。
这是本发明的实施例1的转子切边和定子切边的优选结构形式，即转子切边通过在转子铁芯的周向最中心位置(即径向外缘与第一径向中心线相接的位置)做内切圆，而与转子铁芯其他位置相交并切除一部分，增大第一径向中心线两侧的气隙，减弱该部分的磁场强度，使得磁密分布贴近正弦波分布，提高转矩脉动的减弱程度和能够减弱谐波的减弱程度，提高噪声降低程度和提高电机效率；定子切边通过在相邻两个定子极靴之间的槽口的周向最中心位置和径向中心相交的位置做内切圆形成弧形切边，而与定子极靴其他位置相交并切除一部分，增大第二径向中心线两侧的气隙，减弱该部分的磁场强度，使得磁密分布贴近正弦波分布，提高转矩脉动的减弱程度和能够减弱谐波的减弱程度，提高噪声降低程度和提高电机效率。
在一些实施方式中，所述弧形切边的所述定子切边6的弧线长度小于1/3极靴长；弧形切边的所述定子切边6的沿定子的径向方向的最大厚度大于1/5极靴厚且小于1/2极靴厚；所述极靴长为周向一侧的极靴沿周向延伸的长度，所述极靴厚为周向一侧的极靴沿径向方向的最大长度。为尽可能降低转矩脉动则需降低偏心圆直径，但是偏心圆直径过小则会导致转矩也减小，所以偏心圆直径不能过小，因此需要对弧形切边的弧线长度、弧形切边沿径向的最大厚度进行限制，满足上述范围的定子切边能够在提高输出转矩的同时能够最大程度地降低转矩脉动，减小噪声，提高电机效率。
在一些实施方式中，所述弧形切边的所述转子切边5的弧线直径为25.0～29.0mm，优选27.1mm，所述弧形切边的定子切边6的弧线直径为16.0～20.0mm，优选18.5mm，所述定子切边6的沿定子的径向方向的最大厚度为0.10～0.40mm，优选0.25mm。
本发明在满足上述转子切边的弧线直径范围、定子切边的弧线直径范围以及定子切边的最大厚度的范围下，其输出转矩能够保持一个较高的范围，同时还能有效降低转矩脉动，最大程度减小噪声的同时保证足够的功率输出。
随着转子切边偏心圆直径的减小，转矩脉动减低，同时输出转矩也随之降低。本例选择直径为27.1mm，在保证转矩的前提下，尽可能的减小偏心圆的直径，以减小转矩脉动。
图3为本发明的一种实施例，其中转子切边5和定子切边6为圆形切边，均为转子外径的偏心圆，此种实施例，气隙变化更加缓和。所述偏心圆直径需合理设置，经过仿真扫描分析可知，转子切边的偏心圆半径越小(图2中的两个虚线圆就是标示出的切割圆的轨迹)，转矩脉动越小，但输出转矩也随之变小(因为偏心圆半径越小，转子铁芯切割后的外弧的弧度就越小，这样气隙的两端就越宽，因为磁力线会沿着磁阻小的路径走，两端更宽就会让磁力线更趋向于从中间窄的地方走，使得气隙磁密波形更接近正弦，消除了一些谐波分量，所以转矩脉动就会越小，但是也也不能太小，太小的话转矩小)，因此需合理平衡转矩脉动和输出转矩，具体仿真结果见下文。本专利所述电机，转子切边偏心圆直径为27.1mm，定子切边偏心圆直径为18.5mm，切边厚度为0.25mm(这个切边厚度是指定子的切边圆，切除极靴的径向厚度，因为定子切边圆不与任何圆相切，所以用切入的厚度来限制)。这里的两个内切圆的圆心均不在转子中心上，定子切边6圆心优选在定子两齿的轴线上。
实施例2，如图4，在一些实施方式中，所述转子切边5为通过在所述转子铁芯20的周向方向的中部位置的径向外缘处做内切圆而形成的弧形切边；
所述定子切边6为通过在两个相邻的所述定子极靴8之间的槽口9的周向中部位置与所述槽口9的径向中部位置相交的位置沿着其内切圆的切边方向而形成的直线切边。
这是本发明的实施例2的转子切边和定子切边的优选结构形式，即转子切边通过在转子铁芯的周向最中心位置(即径向外缘与第一径向中心线相接的位置)做内切圆，而与转子铁芯其他位置相交并切除一部分，增大第一径向中心线两侧的气隙，减弱该部分的磁场强度，使得磁密分布贴近正弦波分布，提高转矩脉动的减弱程度和能够减弱谐波的减弱程度，提高噪声降低程度和提高电机效率；定子切边通过在相邻两个定子极靴之间的槽口的周向最中心位置和径向中心相交的位置沿着其内切圆的方向进行直线切边，而与定子极靴其他位置相交并切除一部分，增大第二径向中心线两侧的气隙，减弱该部分的磁场强度，使得磁密分布贴近正弦波分布，提高转矩脉动的减弱程度和能够减弱谐波的减弱程度，提高噪声降低程度和提高电机效率。
本发明重点在定子的切边，切边形式不限于上述所有形状，只要使得定子齿与转子极之间气隙两端宽于中间即可，切边的大小可根据需求进行调节。本专利不限于上述切向式转子，对于其他类型转子(例如表贴式)同样适用，重点在于齿极之间气隙宽度的变化。
切向式转子是指磁石的充磁方向是整个转子的切线方向，这里说的切向是指圆柱体的径向轴向和切向的切向，可以看到永磁体4，在二维中看是一个长方形，这里的切向充磁就是沿着这个长方形的宽的方向充磁，就是转子的切向，就叫做切向式转子。
在一些实施方式中，所述直线切边的所述定子切边6的沿切向方向的切边长度小于1/3极靴长；所述直线切边的所述定子切边6的沿径向方向的切边厚度大于1/5极靴厚且小于1/2极靴厚；所述极靴长为周向一侧的极靴沿周向延伸的长度，所述极靴厚为周向一侧的极靴沿径向方向的最大长度。
为尽可能降低转矩脉动则需降低偏心圆直径，但是偏心圆直径过小则会导致转矩也减小，所以偏心圆直径不能过小，因此需要对弧形切边的弧线长度、弧形切边沿径向的最大厚度进行限制，满足上述范围的定子切边能够在提高输出转矩的同时能够最大程度地降低转矩脉动，减小噪声，提高电机效率。
本发明还提供一种电机，其包括前任一项所述的电机定转子结构。
如图6所示，仿真结果显示，定转子切边优化方案有效，能够最大程度地降低转矩脉动，减小噪声，提高电机效率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种电机定转子结构，其特征在于：包括：
定子(1)和转子(2)，所述定子(1)包括沿周向间隔布置的多个定子极靴(8)，所述转子(2)包括沿周向间隔布置的多个转子铁芯(20)，且所述转子铁芯(20)在其周向边缘位置被切边而形成转子切边(5)，所述定子极靴(8)在其周向边缘位置被切边而形成定子切边(6)，使得所述转子铁芯(20)与所述定子极靴(8)沿径向相对时，所述转子铁芯(20)与所述定子极靴(8)在径向方向上存在气隙(7)，且位于所述转子铁芯(20)的周向方向的中部位置的气隙径向宽度小于所述转子铁芯(20)的周向方向边缘处的气隙径向宽度；
所述转子切边(5)为通过在所述转子铁芯(20)的周向方向的中部位置的径向外缘处做内切圆而形成的弧形切边；
所述定子切边(6)为通过在两个相邻的所述定子极靴(8)之间的槽口(9)的周向中部位置与所述槽口(9)的径向中部位置相交的位置做内切圆而形成的弧形切边；或者，所述定子切边(6)为通过在两个相邻的所述定子极靴(8)之间的槽口(9)的周向中部位置与所述槽口(9)的径向中部位置相交的位置沿着其内切圆的切边方向而形成的直线切边。
2.根据权利要求1所述的电机定转子结构，其特征在于：
所述转子切边(5)形成在所述转子铁芯(20)的径向外周的周向边缘处，所述定子切边(6)形成在所述定子极靴(8)的径向内周的周向边缘处，从所述转子铁芯(20)的周向中部位置至所述转子铁芯(20)的周向边缘位置的方向，所述气隙径向宽度逐渐增大。
3.根据权利要求2所述的电机定转子结构，其特征在于：
所述转子铁芯(20)具有径向方向的第一径向中心线，且所述转子铁芯(20)相对于所述第一径向中心线对称，所述转子铁芯(20)的径向外缘相对于所述第一径向中心线对称，从所述转子铁芯(20)的周向一侧外缘至另一侧外缘的方向，所述气隙径向宽度先逐渐减小再逐渐增大。
4.根据权利要求3所述的电机定转子结构，其特征在于：
所述定子极靴(8)具有径向方向的第二径向中心线，且所述定子极靴(8)相对于所述第二径向中心线对称，所述定子极靴(8)的径向内缘相对于所述第二径向中心线对称，从所述定子极靴(8)的周向一侧内缘至另一侧内缘的方向，所述气隙径向宽度先逐渐减小再逐渐增大；所述转子铁芯(20)与所述定子极靴(8)沿径向正对时所述第二径向中心线与所述第一径向中心线重合。
5.根据权利要求1所述的电机定转子结构，其特征在于：
所述弧形切边的所述定子切边(6)的弧线长度小于1/3极靴长；弧形切边的所述定子切边(6)的沿定子的径向方向的最大厚度大于1/5极靴厚且小于1/2极靴厚；所述极靴长为周向一侧的极靴沿周向延伸的长度，所述极靴厚为周向一侧的极靴沿径向方向的最大长度。
6.根据权利要求5所述的电机定转子结构，其特征在于：
所述弧形切边的所述转子切边(5)的弧线直径为25.0～29.0mm，所述弧形切边的定子切边(6)的弧线直径为16.0～20.0mm，所述定子切边(6)的沿定子的径向方向的最大厚度为0.10～0.40mm。
7.根据权利要求1所述的电机定转子结构，其特征在于：
所述直线切边的所述定子切边(6)的沿切向方向的切边长度小于1/3极靴长；所述直线切边的所述定子切边(6)的沿径向方向的切边厚度大于1/5极靴厚且小于1/2极靴厚；所述极靴长为周向一侧的极靴沿周向延伸的长度，所述极靴厚为周向一侧的极靴沿径向方向的最大长度。
8.一种电机，其特征在于：包括权利要求1-7中任一项所述的电机定转子结构。
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