CN114640202A - 转子组件及轴向磁通永磁电机 - Google Patents

转子组件及轴向磁通永磁电机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及转子组件及轴向磁通永磁电机。转子组件包括两个盘形构造的转子，每个转子均包括转子主体和布置于转子主体上的磁体，磁体沿周向分成多段，相邻段磁体的磁极交替，且每段磁体的外圆弧角沿一定偏斜方向大于同一段磁体的内圆弧角一个偏斜角，其中，一个转子的磁体的偏斜方向与另一转子的磁体的偏斜方向相反。根据本发明的上述布置大大降低了电机的齿槽扭矩和扭矩波动。

Description

转子组件及轴向磁通永磁电机
技术领域
本发明涉及电机领域，特别是轴向磁通永磁电机。具体而言，在第一方面，本发明涉及转子组件。在第二方面，本发明涉及包括该转子组件的轴向磁通永磁电机。
背景技术
在车辆制造中，电机是十分重要的部件。随着永磁材料性能的不断提高，永磁电机得到越来越广泛地应用。目前市面上使用的多是径向磁通永磁电机，如博泽公司的CFM系列电机。另一方面，轴向磁通永磁电机由于具有轴向体积小、重量轻、功率密度高和效率高等优点，因此特别适合于电力驱动、例如车辆等应用。
为了在永磁电机中布置电枢绕组，需要在电枢铁芯中设置齿槽。这会导致转子永磁体和电枢铁芯之间相互作用，产生齿槽扭矩，其由转子永磁体与电枢齿槽之间相互作用力的切向分量引起。齿槽扭矩还会使电机扭矩波动，产生振动和噪声，同时出现转速波动，使电机不能平稳运行，影响电机的性能，而且还使电机产生不希望的振动和噪声。
为了避免齿槽扭矩造成的不利影响，通常采用的方法是转子斜极方法。对于轴向磁通永磁电机，由于转子为盘形构造，所以一般是将转子磁体沿周向等分成多段，相邻段磁体的磁极交替，且每段磁体沿一定方向偏斜，即每段磁体的外圆弧角沿一定方向(如顺时针或逆时针方向)大于内圆弧角一个角度，该角度也称为偏斜角。
图1A-1C示出一种常规的轴向磁通永磁电机，其中图1A显示的是定子转子布置，图1B显示的是转子组件10’，图1C显示的是定子组件20’。如图所示，该电机为单转子电机，即转子组件10’仅包括一个转子，其为盘形构造，包括磁体11’和转子主体12’，磁体各段可以粘附到转子主体12’上或与之一体形成。定子组件20’为环盘形构造，具有内外径，并且包括定子绕组21’，其安装在绕线柱上并布置在齿槽之间。在该单转子电机中，每段磁体沿一个方向(图中为逆时针方向) 偏斜一个角度。
图2A-2C示出另一种常规的轴向磁通永磁电机，其中图2A显示的是定子转子布置，图2B显示的是转子组件10，图2C显示的是定子组件20。如图所示，该电机为双转子电机，即转子组件10包括两个转子，即上转子11a和下转子11b，每个均包括磁体11和转子主体12，磁体各段可以粘附到转子主体12上或与之一体形成。定子组件20定位于两个转子之间，该定子组件20包括定子绕组21，其安装在绕线柱上并布置在齿槽之间。在该双转子电机中，上下转子构造相同，两个转子的各段磁体均沿同一个方向(图中均为逆时针方向)偏斜一个角度。
目前构造的轴向磁体永磁电机仍然无法满足用户对减小齿槽扭矩的要求。因此，仍然存在既要保证电机性能又要减小齿槽扭矩的需求。
发明内容
本发明为此提供一种改进的用于轴向磁体永磁电机的转子组件，该转子组件包括两个盘形构造的转子，每个转子均包括转子主体和布置于转子主体上的磁体，磁体沿周向分成多段，相邻段磁体的磁极交替，且每段磁体的外圆弧角沿一定偏斜方向大于同一段磁体的内圆弧角一个偏斜角。根据本发明，一个转子的磁体的偏斜方向与另一转子的磁体的偏斜方向相反。与现有的单转子及双转子轴向磁通永磁电机相比，本发明的上述布置大大降低了电机的齿槽扭矩和扭矩波动。
实施例中，一个转子的磁体的偏斜方向为顺时针方向，另一转子的磁体的偏斜方向为逆时针方向。
优选的是，每段磁体的偏斜角为6-7°。
优选的是，每段磁体的磁极圆弧角度与磁极间距角度之比(也称为极弧系数)为0.82-0.86。也就是说，磁体未完全覆盖转子主体的表面。此布置节省磁体材料用量。
优选的是，同一转子的各段磁体彼此相同。此布置便于制造。
优选的是，除偏斜方向相反之外，两个转子的磁体的构造相同，例如各磁体段大小和形状相同，极弧系数和偏斜角相同。此布置便于制造。也可能的是，两个转子的磁体的构造不同。
磁体与转子主体是一体的。例如，磁体与转子主体由一块磁钢一体形成，通过对磁钢进行局部充磁而形成磁极交替的各磁体段。此方式实现柔性制造和高费效比。
作为选择，磁体可以附接于转子主体，例如将各段磁体粘附到转子主体上。
根据本发明，磁体可以是铁氧体或稀土磁体。
另一方面，本发明提供一种轴向磁通永磁电机，其包括具有定子和定子绕组的定子组件以及如上所述的转子组件，其中所述定子组件定位于所述两个转子之间。
根据本发明，与传统径向磁通永磁电机相比，在保持基本相同的电机性能的同时，磁体材料用量得以大幅度减少。与现有的轴向磁通永磁电机相比，齿槽扭矩以及因此扭矩波动大幅降低，电机效率更高，抗退磁能力更高。
附图说明
通过下面参照附图对本发明实施例进行的详细描述，本发明的特征及其优点将是显而易见的。在附图中：
图1A-图1C是现有技术单转子轴向磁通电机的示意图，其中图1A 显示定子转子布置，图1B显示转子组件，图1C显示定子组件；
图2A-图2C是现有技术双转子轴向磁通电机的示意图，其中图2A 显示定子转子布置，图2B显示转子组件，图2C显示定子组件；
图3A-3D是本发明实施例的双转子轴向磁通电机的示意图，其中图3A显示定子转子布置，图3B显示转子组件，图3C和3D分别显示图3B中的转子组件的两个转子；
图4是现有技术的轴向磁通电机和本发明实施例的轴向磁通电机的齿槽扭矩测试图；
图5是现有技术的轴向磁通电机和本发明实施例的轴向磁通电机扭矩波动测试图；并且
图6是本发明实施例的双转子轴向磁通电机的转子组件的示意图，其中显示了其中一个转子的各磁体段的充磁方向。
在附图中，为了清楚起见，实施例和对照例以简化方式示出。相似的附图标记在图中指代类似的部分。
另外，为了便于描述，说明书使用了方向性术语。可以理解的是，实际方向可以是不同的。
附图标记列表
10’ 转子组件
11’ 磁体
12’ 转子主体
20’ 定子组件
21’ 定子绕组
10 转子组件
11 磁体
11a 上转子
11b 下转子
12 转子主体
20 定子组件
21 定子绕组
100 转子组件
110 磁体
110a 上转子
110b 下转子
120 转子主体
200 定子组件
θa、θb 偏斜角
具体实施方式
本发明实施例的双转子轴向磁通电机如图3A-3D所示，其中图3A 显示定子转子布置，图3B显示转子组件，图3C和3D分别显示图3B 中的转子组件的两个转子。如图所示，该转子组件100包括两个盘形构造的转子，即上转子110a和下转子110b，定子组件定位于两个转子之间。每个转子均包括转子主体120和布置于转子主体上的磁体110，磁体沿周向等分成多段(本例中为10段，图中仅示出一半)，相邻段磁体的磁极交替(5对磁极)。图3B示出上下转子的磁体的偏斜方向相反。图3C示出下转子110b的每段磁体的外圆弧角沿逆时针偏斜方向大于同一段磁体的内圆弧角，偏斜角为θb。图3D示出上转子110a 的每段磁体的外圆弧角沿顺时针偏斜方向大于同一段磁体的内圆弧角，偏斜角为θa。每段磁体的偏斜角可在6°-7°的范围内选择(本例中为6.687°)，极弧系数可在0.82-0.86的范围内选择(本例中为0.8542)。
除偏斜方向相反之外，两个转子的磁体的构造相同。
图6显示上转子110a的磁体与转子主体120是一体的，其中磁体与转子主体120由一块磁钢一体形成，通过对磁钢进行局部充磁而形成磁极S和N交替的磁体段，即仅对磁钢的磁体段部分进行充磁，磁体段部分之间不充磁。磁体可以是铁氧体或稀土磁体。以上同样适合于下转子110b。
本发明实施例
提供按照图3A-图3D的双转子布置，其中上下转子的各段磁体的偏斜方向相反，其余参数与图1B和图2B中的转子组件的基本相同。定子组件与图1C和图2C的构造相同。
对照例1
提供按照图2A-图2C的双转子布置，即上下转子构造相同，两个转子的各段磁体均沿逆时针方向偏斜。
对照例2
提供与对照例1类似的双转子布置，即上下转子构造相同，但是两个转子的各段磁体均沿顺时针方向偏斜。
针对本发明实施例和对照例1和2的双转子布置的轴向磁通电机，发明人进行了试验。图4和图5分别显示了本发明实施例的双转子布置与对照例1和对照例2的双转子布置的电机齿槽扭矩和扭矩波动的比较。
从图4和图5中的试验结果可以清楚看到，与传统的径向磁通电机相比，本发明实施例的电机的有效重量(包括磁体，磁钢和铜)减重近30％。此外，相比于现有的双转子布置(两个转子的磁体的偏斜方向相同)，本发明的双转子布置能够显著地降低电机的齿槽扭矩和扭矩波动，其中齿槽扭矩和扭矩波动分别降低大约100％和600％。
在一些情形中，在本发明中公开的特征可以与其它特征无关地使用。另一方面，当有必要时，可以组合在本发明中公开的特征以提供各种组合。
本发明中使用的措辞和表述都是说明性的而非限制性的，因此使用这些措辞和表述并不意图将图示和描述的特性的任何等同物排除在本发明的范围之外。在权利要求书的范围内可能存在各种修改、变型和替代例。权利要求书意图涵盖所有此类等同物。

Claims (10)

1.一种用于轴向磁体永磁电机的转子组件，其包括两个盘形构造的转子，每个转子均包括转子主体和布置于转子主体上的磁体，磁体沿周向分成多段，相邻段磁体的磁极交替，且每段磁体的外圆弧角沿一定偏斜方向大于同一段磁体的内圆弧角一个偏斜角，其特征在于，一个转子的磁体的偏斜方向与另一转子的磁体的偏斜方向相反。
2.如权利要求1所述的转子组件，其特征在于，一个转子的磁体的偏斜方向为顺时针方向，另一转子的磁体的偏斜方向为逆时针方向。
3.如权利要求1或2所述的转子组件，其特征在于，每段磁体的偏斜角为6-7°。
4.如权利要求1或2所述的转子组件，其特征在于，每段磁体的磁极圆弧角度与磁极间距角度之比、即极弧系数为0.82-0.86。
5.如权利要求1或2所述的转子组件，其特征在于，同一转子的各段磁体彼此相同。
6.如权利要求1或2所述的转子组件，其特征在于，除偏斜方向相反之外，两个转子的磁体的构造相同，或者两个转子的磁体的构造不同。
7.如权利要求1或2所述的转子组件，其特征在于，磁体与转子主体是一体的。
8.如权利要求7所述的转子组件，其特征在于，通过局部充磁而形成磁极交替的各磁体段。
9.如权利要求1或2所述的转子组件，其特征在于，磁体附接于转子主体。
10.一种轴向磁通永磁电机，其包括具有定子和定子绕组的定子组件，其特征在于，所述轴向磁体永磁电机还包括根据权利要求1-9中任一项所述的转子组件，其中所述定子组件定位于所述两个转子之间。
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