CN115549340A - 一种永磁电机转子冲片及永磁电机转子 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁电机转子冲片及永磁电机转子。该永磁电机转子冲片包括冲片本体，冲片本体沿周向均匀划分为若干扇形磁极单元，每个磁极单元上关于自身的中心轴线对称设置有第一磁钢槽和第二磁钢槽，第一磁钢槽与第二磁钢槽呈开口向冲片本体外侧的V字形布置，第一磁钢槽与磁极单元外圆之间设置有第一隔磁槽，第一隔磁槽从靠近第一磁钢槽顶端位置向磁极单元中心轴线延伸，且末端与中心轴线间隔，第二磁钢与磁极单元外圆之间设置有第二隔磁槽，第二隔磁槽从靠近第二磁钢槽顶端位置向磁极单元中心轴线延伸，且末端与中心轴线间隔。通过设置隔磁槽达到削弱气隙磁场谐波的效果，转子外圆可采用完整圆形，无需在表面开凹槽。

Description

一种永磁电机转子冲片及永磁电机转子

技术领域

本发明涉及电机技术领域，具体涉及一种永磁电机转子冲片及永磁电机转子。

背景技术

内置式永磁同步电机具有体积小、效率高、功率密度高、调速范围宽等优点，得到广大电机从业者的青睐。

现阶段关于内置式永磁同步电机的拓扑结构设计中，通常在电机的转子内设置磁钢槽，在槽内放置磁钢作为励磁磁源，磁钢槽端部与转子外圆之间留出一小段距离用作磁桥，目的是在保证转子结构强度的基础上减少转子漏磁；磁钢槽中间位置与转子外圆之间的区域一般不设置其他结构，目的是保证主磁路上磁力线的通畅；

由于磁钢在转子上内置布置，电机的气隙磁密波形通常呈现出马鞍形状，波形的正弦性较差，通过傅利叶分解后得到大量低次磁场谐波，从而导致电机转矩脉动变大以及电磁振动噪声恶化的问题，因此在电机转子结构设计阶段，需要采取方法改善气隙磁密波形，降低磁场谐波。

现有技术中，常用在转子外圆侧特定位置开凹槽的方法来优化气隙磁密波形，从而削弱磁场谐波；但是该方法通常是定向地削弱某些特定次谐波，而且凹槽数量一般较多，导致转子结构复杂，加工制造过程有一定难度；除此之外，转子外圆开凹槽还会导致电机等效气隙长度变大，对电机地转矩输出能力有一定影响。

现有技术中，另一常用削弱磁场谐波的方法是采用转子斜极或分段斜极，通过将气隙磁场在轴向空间进行分段错位抵消，达到削弱谐波的效果；但是该方法是对气隙磁密波形的整体削弱，即基波和各次谐波均被削弱，从而导致电机转矩能力出现下降；而且转子采用斜极或分段斜极方案后，增加了电机制造过程中转子装配的难度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种永磁电机转子冲片及永磁电机转子，在尽可能降低转子结构复杂程度以及装配难度的情况下，仅通过转子拓扑结构设计，达到改善永磁电机气隙磁密波形，削弱低次谐波的效果。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种永磁电机转子冲片，包括冲片本体，所述冲片本体沿周向均匀划分为若干扇形磁极单元，每个所述磁极单元上关于自身的中心轴线对称设置有第一磁钢槽和第二磁钢槽，所述第一磁钢槽与所述第二磁钢槽呈开口向所述冲片本体外侧的V字形布置，所述第一磁钢槽与所述磁极单元外圆之间设置有第一隔磁槽，所述第一隔磁槽从靠近所述第一磁钢槽顶端位置向所述磁极单元中心轴线延伸，且末端与中心轴线间隔，所述第二磁钢与所述磁极单元外圆之间设置有第二隔磁槽，所述第二隔磁槽从靠近所述第二磁钢槽顶端位置向所述磁极单元中心轴线延伸，且末端与中心轴线间隔。

在上述永磁电机转子冲片中，通过在每个磁极两侧区域布置第一隔磁槽和第二隔磁槽，改变第一磁钢槽和第二磁钢槽内磁钢与冲片本体外圆之间磁路，进而改变电机转子磁场的分布情况，使得每个磁极对应的气隙磁密波形中间高，两边低，波形呈现出正弦特性，即可达到削弱气隙磁场低次谐波的效果。

作为本发明永磁电机转子冲片的改进，所述第一隔磁槽呈条状，沿朝向所述磁极单元的中心轴线方向，所述第一隔磁槽在所述磁极单元径向上与外圆的距离逐渐增大。

第一隔磁槽在其延申方向呈现为条状或类似形状，具有较好的隔断第一磁钢槽磁路效果，从而达到良好的磁场谐波削弱效果。另外，第一隔磁槽靠近冲片本体外圆之间需要留出一定的区域，用来引导部分磁通通过，越靠近中心轴线部位的第一隔磁槽与冲片本体外圆距离越大，磁桥越长，可通过的磁感线多，因此对应部位的气隙处磁感线密度较高即气隙磁密波形幅值较高，反之远离中心轴线部位的气隙磁密波形幅值较低，具有正弦波分布特征，从而通过第一隔磁槽靠近冲片本体外圆区域的距离来达到削弱气隙磁密波形谐波的效果。

进一步的，以h表示所述第一隔磁槽顶边上的点在所述磁极单元径向上与外圆的距离，以γ表示所述第一隔磁槽顶边上点与圆心连线和较近的所述磁极单元边界线之间的夹角，以k表示所述第一磁钢槽边缘与所述磁极单元外圆最近的距离值，以α表示所述第一磁钢槽边缘与所述磁极单元外圆最近点与圆心连线和较近的所述磁极单元边界线之间的夹角，则h的值由γ、k、α确定，

优选的，h与γ、k、α满足如下的关系式：

作为本发明永磁电机转子冲片的另一种改进，所述第一隔磁槽与所述第一磁钢槽之间的最小距离大于所述第一磁钢槽与所述所述磁极单元外圆的最小距离。所述第一隔磁槽可以独立于第一磁钢槽存在，即第一隔磁槽与第一磁钢槽之间设置磁桥，进一步缓解转子在高速旋转过程中存在的冲片变形的风险。

作为本发明永磁电机转子冲片的再一种改进，所述第一隔磁槽的端部与所述第一磁钢槽贯通。第一磁钢槽和第一隔磁槽连为一体，二者之间不设磁桥，可以进一步的增加阻隔磁路的效果，进一步削弱气隙磁场磁场谐波的效果。

作为本发明永磁电机转子冲片的又一种改进，第二隔磁槽相对于第二磁钢槽的位置和结构与第一隔磁槽相同。优选的，所述第一隔磁槽与所述第二隔磁槽关于所述磁极单元的中心轴线对称设置，使转子冲片结构设计对称，形成均匀布置的磁极。

进一步的，所述第一隔磁槽与所述第二隔磁槽之间间隔对应的圆心角为所述磁极单元圆心角的二分之一至四分之三。通过对隔磁槽的位置以及所影响磁路的区域进行限定，使得磁极单元中间区域磁路顺畅，两侧磁路被阻隔，从而气隙磁密波形中间位置的幅值较高，两边幅值低，使隔磁槽仅起到削弱气隙磁场谐波的效果，不影响基波幅值，电机输出更大转矩。

为了解决上述技术问题，本发明还提供一种永磁电机转子，包括转子铁芯，所述转子铁芯由多个如上所述的永磁电机转子冲片叠压而成。

综上所述，采用上述永磁电机转子冲片及永磁电机转子，隔磁槽的设置能够改变电机转子磁场的分布情况，使得每个磁极对应的气隙磁密波形中间高，两边低，波形呈现出正弦特性，即可达到削弱气隙磁场低次谐波的效果；通过控制隔磁槽位置、形状、以及与转子外圆之间的距离，实现控制磁极单元两侧气隙磁密的削弱情况，减小对基波的影响，并且无需额外在转子外圆开凹槽，降低了转子结构的复杂程度。

附图说明

在附图中：

图1是本发明永磁电机转子冲片的冲片本体结构图。

图2是本发明永磁电机转子冲片插入磁钢截面图

图3是本发明永磁电机转子冲片的磁极单元结构图。

图4是本发明永磁电机转子冲片单个磁极单元的气隙磁密波形对比图。

图5是本发明永磁电机转子冲片单个磁极单元的气隙磁场谐波对比图。

图6是本发明永磁电机转子冲片的磁极单元第二种结构图。

图7是本发明永磁电机转子冲片的冲片本体第二种结构图。

图中，1、磁极单元；2、第一磁钢槽；3、第二磁钢槽；4、第一隔磁槽；5、第二隔磁槽；6、轴孔；7、减重孔；8、转子铁芯。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。

实施例1

图1-7示出了本发明一种永磁电机转子冲片。该永磁电机转子冲片包括冲片本体，冲片本体沿周向均匀划分为若干扇形磁极单元1，每个磁极单元1上关于自身的中心轴线对称设置有第一磁钢槽2和第二磁钢槽3，第一磁钢槽2与第二磁钢槽3呈开口向冲片本体外侧的V字形布置，第一磁钢槽2与磁极单元外圆之间设置有第一隔磁槽4，第一隔磁槽4从靠近第一磁钢槽2顶端位置向磁极单元1中心轴线延伸，且末端与中心轴线间隔，第二磁钢槽3与磁极单元1外圆之间设置有第二隔磁槽5，第二隔磁槽5从靠近第二磁钢槽3顶端位置向磁极单元1中心轴线延伸，且末端与中心轴线间隔。

如图1所示，以八极、单层V形磁钢布置的转子结构为例进行说明，单个冲片本体上别划分为八个扇形的磁极单元1，每个磁极单元1上均设置有一组：第一磁钢槽2、第二磁钢槽3、第一隔磁槽4、第二隔磁槽5，另外中心还设置有减重孔7以及轴孔6。

如图2所示，磁钢槽内放置磁钢，磁钢可以选择稀土永磁体，例如钕铁硼等，磁钢槽设计成V形，即转子结构选择单层V形结构配合稀土磁钢，使得转子冲片的基础拓扑形状简单，V形结构能够提供更多磁通，保证了气隙磁通密度的大小。V形底角处，即第一磁钢槽2和第二磁钢槽3底端之间间隔，形成中间磁桥，用于分散转子结构应力以及电枢退磁磁场。

如图3所示，在磁极单元1上，首先定义d轴和q轴方向，从转子冲片本体圆心向单个磁极中心方向为电机的d轴方向，从转子圆心向两个磁极分界位置为q轴方向，d轴即磁极单元1的中心轴线。每个隔磁槽从位于对应磁钢槽靠近转子外圆的端部位置向d轴轴线方向延伸，隔磁槽的位置在磁钢槽的V形夹角内并靠近转子外圆区域，并且同一个极下对向延申的隔磁槽不能相交，隔磁槽能够几乎阻断磁路，影响到气隙磁密波形，要使气隙磁密更加正弦，必须将每个磁极单元1轴中间区域打开，在该区域不设任何阻碍磁通的槽或孔，从而使得每个磁极单元1的两侧对应的气隙密度降低，中间不变，每个磁极单元1对应的气隙磁密波形呈现出正弦特性，达到削弱气隙磁场低次谐波的效果。

为了达到良好的气隙磁场谐波削弱效果，第一隔磁槽4呈条状，沿朝向磁极单元1的中心轴线方向，第一隔磁槽4在磁极单元1径向上与外圆的距离逐渐增大。

第一隔磁槽4在其延申方向应该呈现为“条状”或类似形状，第一隔磁槽4靠近磁极单元1外圆之间需要留出一定的区域，用来引导部分磁通通过。为了便于理解该区域的具体特征，可以从磁极单元1的圆心位置到第一隔磁槽4靠近磁极单元1外圆侧的边线上任一点连成一条直线，该直线延长方向与磁极单元1外圆相交，这里定义该直线上两处交点之间的长度为第一隔磁槽4到磁极单元1外圆的距离，记为h，同时该直线与转子q轴轴线之间形成的夹角记为γ。通过控制第一隔磁槽4靠近外圆区域的距离来达到削弱谐波的效果，必须要结合正弦波在气隙位置的分布特征，即同一个磁极单元1对应的气隙区域，气隙磁密波形在气隙处d轴位置的幅值最大，在远离d轴的区域，气隙处的波形幅值在逐渐变小，在到达q轴位置，波形幅值最小，接近为0。按照如此分布规律，则需控制h的值为靠近d轴变大，靠近q轴减小，即从第一隔磁槽4靠近第一磁钢槽2的端部位置往靠近d轴轴线方向，h的取值为递增变化，h增大，磁桥边长，磁路增多，对应的气隙内磁感线增多，气隙磁密就增大。

为了具体描述h值关于如上的变化规律，需要对h的取值进行限定。如上所述，以h表示第一隔磁槽4顶边上的点在磁极单元1径向上与外圆的距离；以γ表示第一隔磁槽4顶边上点与圆心连线和较近的磁极单元1边界线之间的夹角；以k表示第一磁钢槽2边缘与磁极单元1外圆最近的距离值；以α表示第一磁钢槽2边缘与磁极单元1外圆最近点与圆心连线和较近的磁极单元1边界线之间的夹角；

则：h与γ、k、α满足如下的关系式：

此处首先确定转子冲片上磁钢槽的最短磁桥位置，由于磁钢槽为V形设置，为了保证转子结构的安全，V形磁钢槽到转子外圆之间留有一小段距离，该段区域称为磁桥，磁钢槽到转子外圆之间的最短距离称为最短磁桥，该距离记为k，最短磁桥对应在磁钢槽上的点到转子圆心之间形成连线，该直线与转子q轴之间的夹角为α。通过整理大量仿真结果发现，当h与γ满足上式时，气隙磁场谐波削弱效果较为明显。仿真过程主要利用第一隔磁槽4不同位置到转子外圆边线的距离，控制两者之间区域的变化规律，从而去影响气隙处的磁密大小变化。

如图4和图5所示，相较于现有技术，本发明技术的气隙磁密波形正弦性更好，对电机性能影响较大的5次、7次、13次、17次等磁场谐波幅值更低，达到了削弱磁场谐波的效果，电机绕组Y连结，3的倍数次谐波可抵消。

可选的，第一隔磁槽4可以独立于第一磁钢槽2存在，第一隔磁槽4与第一磁钢槽2之间设置磁桥，进一步缓解转子在高速旋转过程中存在的冲片变形的风险。可以设计：第一隔磁槽4与第一磁钢槽2之间的最小距离大于第一磁钢槽2与磁极单元1外圆的最小距离。

可选的，如图6和图7所示，第一隔磁槽4也可以与第一磁钢槽2连为一体，二者之间不设磁桥，第一隔磁槽4的端部与第一磁钢槽2贯通，同样可以通过控制第一隔磁槽4来达到削弱磁场谐波的效果

上述主要针对第一隔磁槽4的结构和位置进行描述，第二隔磁槽5相对于第二磁钢槽3的位置和结构与第一隔磁槽4相同。可以将第一隔磁槽4与第二隔磁槽5关于磁极单元1的中心轴线对称设置，使转子冲片结构设计对称，形成均匀布置的磁极。通过控制隔磁槽的位置、形状、以及隔磁槽到转子外圆之间的距离的变化，达到削弱气隙磁场谐波的效果，转子外圆可采用完整圆形，无需在表面开凹槽。

可选的，如图2所示，第一隔磁槽4与第二隔磁槽5之间间隔对应的圆心角为磁极单元1圆心角的二分之一至四分之三。关于d轴轴线左右对称的两个隔磁槽之间的最近点与转子圆心之间形成的夹角为β，为了使隔磁槽仅起到削弱气隙磁场谐波的效果，不能影响基波幅值，需要对隔磁槽的位置以及所影响磁路的区域进行限定，在进行多次电机磁场仿真的基础上，总结出隔磁槽的位置需满足：

这里p为电机极对数，在满足上述限制条件下，转子中间区域磁通顺畅，气隙磁密波形中间位置的幅值较高，电机才能输出更大转矩。

仿真的过程中，首先在其他条在一定时，将一个磁极下的两个隔磁槽从最边沿位置往中心方向d轴延伸，当所延伸的长度不足时，极弧角度占比很大，气隙磁场波形的侧边位置削弱不够明显，谐波还很大，随着极弧角度占比降低，谐波得到削弱，在进一步减小该占比时，转子上的主磁路受到影响，会严重影响电机性能；就是在这样的分析条件下，找出了该比值范围的较优情况。

可选的，冲片主体的中心设置有轴孔6，轴孔6的周围均匀间隔设置有若干减重孔7。减重孔7也有八个，设于相邻两个磁极单元1交界的中部，正对与磁钢槽形成的反向V形区域，结构布置合理，减重孔7不影响电机的主磁路，起到降低电机转子重量的作用，一方面使得整个电机系统轻量化，另一方面减小了电机的转动惯量，有利于电机控制的快速响应。

本发明一种永磁电机转子，包括转子铁芯，转子铁芯由多个如上的永磁电机转子冲片叠压而成。

最后应当说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：本领域技术人员阅读本发明后依然可对发明的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在发明待批的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种永磁电机转子冲片，其特征在于，包括冲片本体，所述冲片本体沿周向均匀划分为若干扇形磁极单元(1)，每个所述磁极单元(1)上关于自身的中心轴线对称设置有第一磁钢槽(2)和第二磁钢槽(3)，所述第一磁钢槽(2)与所述第二磁钢槽(3)呈开口向所述冲片本体外侧的V字形布置，所述第一磁钢槽(2)与所述磁极单元外圆之间设置有第一隔磁槽(4)，所述第一隔磁槽(4)从靠近所述第一磁钢槽(2)顶端位置向所述磁极单元(1)中心轴线延伸，且末端与中心轴线间隔，所述第二磁钢槽(3)与所述磁极单元(1)外圆之间设置有第二隔磁槽(5)，所述第二隔磁槽(5)从靠近所述第二磁钢槽(3)顶端位置向所述磁极单元(1)中心轴线延伸，且末端与中心轴线间隔。

2.根据权利要求1所述的一种永磁电机转子冲片，其特征在于，所述第一隔磁槽(4)呈条状，沿朝向所述磁极单元(1)的中心轴线方向，所述第一隔磁槽(4)在所述磁极单元(1)径向上与外圆的距离逐渐增大。

3.根据权利要求2所述的一种永磁电机转子冲片，其特征在于，以h表示所述第一隔磁槽(4)顶边上的点在所述磁极单元(1)径向上与外圆的距离，以γ表示所述第一隔磁槽(4)顶边上点与圆心连线和较近的所述磁极单元(1)边界线之间的夹角，以k表示所述第一磁钢槽(2)边缘与所述磁极单元(1)外圆最近的距离值，以α表示所述第一磁钢槽(2)边缘与所述磁极单元(1)外圆最近点与圆心连线和较近的所述磁极单元(1)边界线之间的夹角，则h的值由γ、k、α确定。

4.根据权利要求1所述的一种永磁电机转子冲片，其特征在于，所述第一隔磁槽(4)与所述第一磁钢槽(2)之间的最小距离大于所述第一磁钢槽(2)与所述所述磁极单元(1)外圆的最小距离。

5.根据权利要求1所述的一种永磁电机转子冲片，其特征在于，所述第一隔磁槽(4)的端部与所述第一磁钢槽(2)贯通。

6.根据权利要求1所述的一种永磁电机转子冲片，其特征在于，所述第一隔磁槽(4)与所述第二隔磁槽(5)关于所述磁极单元(1)的中心轴线对称设置。

7.根据权利要求6所述的一种永磁电机转子冲片，其特征在于，所述第一隔磁槽(4)与所述第二隔磁槽(5)之间间隔对应的圆心角为所述磁极单元(1)圆心角的二分之一至四分之三。

8.根据权利要求1所述的一种永磁电机转子冲片，其特征在于，所述冲片主体的中心设置有轴孔(6)，所述轴孔(6)的周围均匀间隔设置有若干减重孔(7)。

9.根据权利要求1所述的一种永磁电机转子冲片，其特征在于，所述减重孔(7)与所述磁极单元(1)的个数相同，且设于相邻两个磁极单元(1)交界的中部。

10.一种永磁电机转子，其特征在于，包括转子铁芯，所述转子铁芯由多个如权利要求1-9所述的永磁电机转子冲片叠压而成。

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