CN114204721A - 一种减少齿槽转矩的转子结构及永磁电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种减少齿槽转矩的转子结构，包括轴、转子轮毂、N极磁极单元和S极磁极单元以及挡板，所述的N极磁极单元包含不同外形尺寸的N极磁极单元n1和N极磁极单元n2，所述的S极磁极单元包含不同外形尺寸的S极磁极单元s1和S极磁极单元s2，其中N极磁极单元n1和S极磁极单元s1外形尺寸相同充磁方向相反，所述的N极磁极单元n2和S极磁极单s2元外形尺寸相同充磁方向相反；还公开了采用上述转子结构的永磁电机，本发明解决了传统斜槽或斜极工艺结构复杂、引入斜槽系数降低电机出力的难题。
Description
技术领域
本发明属于永磁电机技术领域，具体涉及一种减少齿槽转矩的转子结构，以及采用该结构的永磁电机。
背景技术
在永磁电机中，即使定子绕组没有激励，即绕组不通电，也存在电磁转矩。这是由转子永磁磁场和定子齿相互作用产生的。这一转矩在文献中称为定位转矩或齿槽转矩。齿槽转矩的存在会对电机的振动产生不利影响。
为了削弱或消除齿槽转矩，永磁电机通常采用斜槽和斜极技术，但无论是斜槽还是斜极技术，都会带来以下两个显著不利影响：1，电机工艺变得复杂、困难，增加了电机的制造成本；2，引入了斜槽系数，抑制齿槽转矩的同时，主磁场也得到了削弱，磁钢性能未能充分发挥，降低了电机的出力。
同时，斜槽还会带来槽满率下降，对绝缘不利的问题（冲斜还会出现大小齿现象，叠斜在大电机中存在轴向拉紧问题）。
而且，无论是斜槽和斜极技术，由于其齿槽转矩抑制效果都与装配工艺关联度非常高，而在现有的技术条件下，装配工艺受人为因素影响较大，存在分散性和不确定性。
因此，实际的斜槽和斜极技术很难保障达到理想的抑制效果。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的之一是提供一种减少齿槽转矩的转子结构，不通过斜槽和斜极，以达到有效削弱永磁电机的齿槽转矩的效果。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种减少齿槽转矩的转子结构，包括轴、安装在轴上的转子轮毂以及沿圆周依次交叉布置在转子轮毂上的N极磁极单元和S极磁极单元，还包括布置在转子轮毂两侧用于轴向夹紧磁极单元为磁极单元提供轴向固定的挡板，所述的N极磁极单元包含不同外形尺寸的N极磁极单元n1和N极磁极单元n2，所述的S极磁极单元包含不同外形尺寸的S极磁极单元s1和S极磁极单元s2，其中N极磁极单元n1和S极磁极单元s1外形尺寸相同充磁方向相反，所述的N极磁极单元n2和S极磁极单元s2外形尺寸相同充磁方向相反。
所述的一种减少齿槽转矩的转子结构，其N极磁极单元和S极磁极单元为纯表贴的永磁体结构，沿轴向粘贴在转子轮毂的表面，N极磁极单元n1和N极磁极单元n2、S极磁极单元s1和S极磁极单元s2的充磁方向对称且中心面重合。
所述的一种减少齿槽转矩的转子结构，其N极磁极单元和S极磁极单元为由嵌放在磁极盒内的永磁体构成的类表贴结构，N极磁极单元n1和N极磁极单元n2通过拉杆沿轴向串接为一个永磁电机的N极，S极磁极单元s1和S极磁极单元s2通过拉杆沿轴向串接为一个永磁电机的S极，其中N极和S极沿圆周依次布置在转子轮毂的定位槽内，用螺栓或楔等固定在转子轮毂4上，N极磁极单元n1和N极磁极单元n2、S极磁极单元s1和S极磁极单元s2的充磁方向对称且中心面重合。
所述的一种减少齿槽转矩的转子结构，其N极磁极单元和S极磁极单元为嵌入式永磁体结构，所述转子轮毂与N极磁极单元和S极磁极单元外形尺寸依次对应，转子轮毂4为分段硅钢片叠压结构。
所述的一种减少齿槽转矩的转子结构，一个Y极磁极单元沿轴向根据设计可布置y2-k*y1-y2、k*y1- k*y2、y1-y2-… -y1-y2等结构，其中，Y为N或S，y为n或s，k为整数，k≥1。
所述的一种减少齿槽转矩的转子结构，其N极磁极单元n1和S极磁极单元s1通过调整永磁体单元的极弧系数、偏心距等参数，使其在半个周期内产生的齿槽转矩与N极磁极单元n2和S极磁极单元s2在相同半个周期内产生的齿槽转矩方向相反。
所述的一种减少齿槽转矩的转子结构，其挡板为整体式或与磁极单元配合分段式，其材料为非导磁材料，如不锈钢、铜、铝或环氧板等。
本发明的目的之二是提供一种采用上述转子结构的永磁电机，以简化永磁电机的装配工艺，降低装配难度，同时还不会削弱永磁电机主磁场，有效的保障了电机的出力。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种永磁电机，电机每极（N极或S极）由m个磁极单元沿轴向装配而成，m≥2且为整数；每个N极磁极单元包括k个磁极单元n1和（m-k）个磁极单元n2，设磁极充磁方向对称中心面与定子相对位置不变的初始条件下，一对极下（整数槽为一对极，分数槽为一个单元电机）的k个磁极单元n1在半个齿槽周期内产生的齿槽转矩为Tk, （m-k）个磁极单元n2在对应相同时间段半个齿槽周期内产生的齿槽转矩为Tm-k,，则二者满足|Tk+Tm-k|max≤T0；每个S极磁极单元包括k个磁极单元s1和（m-k）个磁极单元s2，一对极下的k个磁极单元s1在半个齿槽周期内产生的齿槽转矩为Tk, （m-k）个磁极单元s2在对应相同时间段半个齿槽周期内产生的齿槽转矩为Tm-k,，则二者满足|Tk+Tm-k|max≤T0；T0为设定的抑制目标量，T0远小于|Tk|max和|Tm-k|max，通常T0是一个趋近于零的值，即二者在半个齿槽周期内产生瞬态齿槽转矩（指齿槽转矩谐波幅值最大的频次，通常为齿槽转矩基频）之和约为零。
本发明的有益效果是：本发明解决了传统斜槽或斜极工艺结构复杂、引入斜槽系数降低电机出力的难题，既不需要通过斜槽或斜极实现了齿槽转矩的抑制，简化了永磁电机装配工艺，同时还不产生斜槽系数，有效保障了电机出力，提升了电机的转矩密度，可广泛应用于所有永磁电机领域。
附图说明
图1是本发明永磁电机转子典型结构示意图；
图2是本发明的齿槽转矩抑制原理示意图；
图3是本发明类表贴式转子y1-k*y2-y1典型结构示意图（y代表n或s）；
图4是本发明类表贴式转子k*y1- k*y2典型结构示意图（y代表n或s）；
图5是本发明类表贴式转子y1-y2-… -y1-y2典型结构示意图（y代表n或s）。
各附图标记为：1.1—N极磁极单元n1，1.2—N极磁极单元n2，2.1—S极磁极单元s1，2.2—S极磁极单元s2，3—挡板，4—转子轮毂，5—轴。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。
参照图1所示，本发明公开的一种减少齿槽转矩的转子结构，包括轴5、安装在轴5上的转子轮毂4以及沿圆周依次交叉布置在转子轮毂4上的N极磁极单元和S极磁极单元，转子轮毂4既为磁钢提供导磁路径，又为磁钢提供固定结构，还包括布置在转子轮毂4两侧用于轴向夹紧磁极单元为磁极单元提供轴向固定的挡板3，所述的挡板3为整体式或与磁极单元配合分段式，其材料为非导磁材料，如不锈钢、铜、铝或环氧板等。所述的N极磁极单元包含不同外形尺寸的N极磁极单元n11.1和N极磁极单元n21.2，所述的S极磁极单元包含不同外形尺寸的S极磁极单元s12.1和S极磁极单元s22.2，其中N极磁极单元n11.1和S极磁极单元s12.1外形尺寸相同充磁方向相反，所述的N极磁极单元n21.2和S极磁极单元s22.2外形尺寸相同充磁方向相反。
作为一种实施例，所述的N极磁极单元和S极磁极单元为纯表贴的永磁体结构，沿轴向粘贴在转子轮毂4的表面，N极磁极单元n11.1和N极磁极单元n21.2、S极磁极单元s12.1和S极磁极单元s22.2的充磁方向对称且中心面重合。
作为另一种实施例，所述的N极磁极单元和S极磁极单元为由嵌放在磁极盒内的永磁体构成的类表贴结构，N极磁极单元n11.1和N极磁极单元n21.2通过拉杆沿轴向串接为一个永磁电机的N极，S极磁极单元s12.1和S极磁极单元s22.2通过拉杆沿轴向串接为一个永磁电机的S极，其中N极和S极沿圆周依次布置在转子轮毂4的定位槽内，用螺栓或楔等固定在转子轮毂4上，N极磁极单元n11.1和N极磁极单元n21.2、S极磁极单元s12.1和S极磁极单元s22.2的充磁方向对称且中心面重合。磁极单元n1和n2、s1和s2的磁极盒与转子轮毂4定位槽配合的定位尺寸采用同一规格，便于安装。
此外，所述的N极磁极单元和S极磁极单元为嵌入式永磁体结构，所述转子轮毂4与N极磁极单元和S极磁极单元外形尺寸依次对应，所述的转子轮毂4为分段硅钢片叠压结构，其上的磁钢槽为两种规格尺寸，磁极单元组合n1，s1嵌入对应磁钢槽规格的转子轮毂4中，磁极单元组合n2，s2嵌入对应磁钢槽规格的转子轮毂4中，其中，n1和n2、s1和s2的充磁方向对称中心面重合。
所述的一个Y极磁极单元沿轴向根据设计可布置y2-k*y1-y2、k*y1- k*y2、y1-y2-…-y1-y2等结构，其中，Y为N或S，y为n或s，k为整数，k≥1。所述的N极磁极单元n11.1和S极磁极单元s12.1通过调整永磁体单元的极弧系数、偏心距等参数，使其在半个周期内产生的齿槽转矩与N极磁极单元n21.2和S极磁极单元s22.2在相同半个周期内产生的齿槽转矩方向相反。
本发明实施例中，永磁电机转子为类表贴的主体结构，N极磁极单元n11.1、n21.2沿轴向按照n1-n2-n2-n2-n2-n2-n2-n2-n2-n1布置在转子轮毂4上，S极磁极单元s12.1、s22.2沿轴向按照s1-s2-s2-s2-s2-s2-s2-s2-s2-s1布置在转子轮毂4上，y1和y2具有相同的极弧系数及键槽配合尺寸，y代表n或s。N极和S极沿转子轮毂4表面的磁极卡槽交替安装布置，通过螺栓紧固在转子轮毂4上。转子轮毂4既为磁钢提供导磁路径，又为磁钢提供固定结构，本实施例中，转子轮毂4与轴5焊接为整体。挡板3为离心风扇式结构，布置在转子轮毂4两侧，用于轴向固定磁极单元，同时，永磁电机旋转时，还可以产生离心风。
本发明提供的转子结构可广泛应用于所有永磁电机领域。一种采用上述转子结构的永磁电机，电机每极由m个磁极单元沿轴向装配而成，m为≥2的整数，其中，每个N极磁极单元或S极磁极单元包括k个磁极单元y1和（m-k）个磁极单元y2，y为n或s，设磁极充磁方向对称中心面与定子相对位置不变的初始条件下，一对极下（整数槽为一对极，分数槽为一个单元电机）由k个磁极单元组合（n1，s1）在半个齿槽周期内产生的齿槽转矩为Tk,（m-k）个磁极单元组合（n2，s2）在对应相同时间段半个齿槽周期内产生的齿槽转矩为Tm-k,，则二者满足：|Tk+Tm-k|max≤T0，T0为设定的抑制目标量，T0远小于|Tk|max和|Tm-k|max，通常T0是一个趋近于零的值。即：二者在半个齿槽周期内产生瞬态齿槽转矩（指齿槽转矩谐波幅值最大的频次，通常为齿槽转矩基频）之和约为零。
参照图2所示，首先借助有限元软件，通过调整永磁体单元的极弧系数和偏心距对永磁电机的齿槽转矩进行扫描，根据扫描结果，优选出其中一对磁极对组合（n1,s1）、（n2,s2），在本发明实施例中，磁极对组合（n1,s1）、（n2,s2）的极弧系数相同，偏心距不同。一对极下（本案例为整数槽）由k个磁极单元组合（n1，s1）在半个齿槽周期内产生的齿槽转矩为Tk,（m-k）个磁极单元组合（n2，s2）在对应相同时间段半个齿槽周期内产生的齿槽转矩为Tm-k,，则二者满足：|Tk+Tm-k|max≤T0，T0为设定的抑制目标量，通常，T0是一个趋近于零的值，本案例中k=2，m=10，T0=1Nm。即一个磁极单元沿轴向包括2y1和8y2,y代表n或s。
参照图3所示，本发明实施例中，永磁体单元采取的是y1-k*y2-y1布局方案，以N极为例，即n1-n2-n2-n2-n2-n2-n2-n2-n2-n1。
图4是本发明类表贴式转子k*y1- k*y2典型结构示意图（y代表n或s）；图5是本发明类表贴式转子y1-y2-… -y1-y2典型结构示意图（y代表n或s）。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的范围内，可轻易想到的变化或者替换，都应该涵盖在本发明的保护范围内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种减少齿槽转矩的转子结构，其特征在于：包括轴（5）、安装在轴（5）上的转子轮毂（4）以及沿圆周依次交叉布置在转子轮毂（4）上的N极磁极单元和S极磁极单元，还包括布置在转子轮毂（4）两侧用于轴向夹紧磁极单元的挡板（3），所述的N极磁极单元包含不同外形尺寸的N极磁极单元n1（1.1）和N极磁极单元n2（1.2），所述的S极磁极单元包含不同外形尺寸的S极磁极单元s1（2.1）和S极磁极单元s2（2.2），其中N极磁极单元n1（1.1）和S极磁极单元s1（2.1）外形尺寸相同充磁方向相反，所述的N极磁极单元n2（1.2）和S极磁极单元s2（2.2）外形尺寸相同充磁方向相反。
2.根据权利要求1所述的一种减少齿槽转矩的转子结构，其特征在于，所述的N极磁极单元和S极磁极单元为纯表贴的永磁体结构，沿轴向粘贴在转子轮毂（4）的表面，N极磁极单元n1（1.1）和N极磁极单元n2（1.2）、S极磁极单元s1（2.1）和S极磁极单元s2（2.2）的充磁方向对称且中心面重合。
3.根据权利要求1所述的一种减少齿槽转矩的转子结构，其特征在于，所述的N极磁极单元和S极磁极单元为由嵌放在磁极盒内的永磁体构成的类表贴结构，N极磁极单元n1（1.1）和N极磁极单元n2（1.2）通过拉杆沿轴向串接为一个永磁电机的N极，S极磁极单元s1（2.1）和S极磁极单元s2（2.2）通过拉杆沿轴向串接为一个永磁电机的S极，其中N极和S极沿圆周依次布置在转子轮毂（4）的定位槽内，N极磁极单元n1（1.1）和N极磁极单元n2（1.2）、S极磁极单元s1（2.1）和S极磁极单元s2（2.2）的充磁方向对称且中心面重合。
4.根据权利要求1所述的一种减少齿槽转矩的转子结构，其特征在于，所述的N极磁极单元和S极磁极单元为嵌入式永磁体结构，所述的转子轮毂（4）为分段硅钢片叠压结构。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种减少齿槽转矩的转子结构，其特征在于，一个Y极磁极单元沿轴向布置为y2-k*y1-y2、k*y1- k*y2、y1-y2-… -y1-y2的结构，其中，Y为N或S，y为n或s，k为整数，k≥1。
6.根据权利要求1或2或3或4所述的一种减少齿槽转矩的转子结构，其特征在于，所述的N极磁极单元n1（1.1）和S极磁极单元s1（2.1）在半个周期内产生的齿槽转矩与N极磁极单元n2（1.2）和S极磁极单元s2（2.2）方向相反。
7.根据权利要求1或2或3或4所述的一种减少齿槽转矩的转子结构，其特征在于，所述的挡板（3）为整体式或分段式，材料为不锈钢、铜、铝或环氧板。
8.一种采用权利要求1所述转子结构的永磁电机，其特征在于，电机每极由m个磁极单元沿轴向装配而成，m≥2且为整数；每个N极磁极单元包括k个磁极单元n1和（m-k）个磁极单元n2，一对极下的k个磁极单元n1在半个齿槽周期内产生的齿槽转矩为Tk, （m-k）个磁极单元n2在对应相同时间段半个齿槽周期内产生的齿槽转矩为Tm-k,，二者满足|Tk+Tm-k|max≤T0；每个S极磁极单元包括k个磁极单元s1和（m-k）个磁极单元s2，一对极下的k个磁极单元s1在半个齿槽周期内产生的齿槽转矩为Tk, （m-k）个磁极单元s2在对应相同时间段半个齿槽周期内产生的齿槽转矩为Tm-k,，二者满足|Tk+Tm-k|max≤T0；T0为设定的抑制目标量。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant |