CN117811299A - 一种谐波调制永磁同步电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种谐波调制永磁同步电机，所述谐波调制永磁同步电机包括电机定子、以及电机转子，所述电机定子的齿部为平齿结构，电机转子设于所述电机定子内，所述电机转子和所述电机定子为不均匀气隙结构，所述电机转子的磁极中间沿轴向贯穿设有辅助孔，所述电机转子的转子外圆为非同心圆弧结构，所述非同心圆弧的侧边与所述电机转子的外径圆弧的距离为L1，气隙尺寸为A，L1＞0.5*A。本发明可以有效的改善反电势谐波含量，降低转矩脉动，降低径向力和径向力谐波含量，径向力水平大大下降30‑40%，振动和噪音水平有效下降10%以上，达到静音效果。

Description

一种谐波调制永磁同步电机

技术领域

本发明涉及电机技术领域，尤其涉及一种谐波调制永磁同步电机。

背景技术

永磁体切向磁化结构的电机由于具有“聚磁”效果，较径向式结构能够产生更高的气隙磁密，使得电机具有较大的转矩/电流比和转矩/体积比，越来越多地被应用于伺服系统、电力牵引、办公自动化、家用电器等场合。

永磁同步电机以永磁体提供励磁，使得电机结构较为简单，降低了加工和装配费用，提高了电动机运行的可靠性；又因无需励磁电流，没有励磁损耗，提高了电动机的效率和功率密度，成为在各个领域中应用越来越广泛的一种电机。

现有技术中，永磁同步电机为了提高电机转矩密度，采用了多极转子结构，通过提高转子磁通量来有效提升电机转矩能力，但是在转矩能力提升的同时电机径向力随之提升，电机径向力是电机振动和噪音的源头，从而导致电机振动和噪音增大。

上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。

发明内容

本发明的主要目的在于提供了一种谐波调制永磁同步电机，旨在解决现有技术中永磁同步电机为了提高电机转矩密度，采用了多极转子结构，通过提高转子磁通量来有效提升电机转矩能力，但是在转矩能力提升的同时电机径向力随之提升，电机径向力是电机振动和噪音的源头，从而导致电机振动和噪音增大的问题。

为了实现上述目的，本发明提供一种谐波调制永磁同步电机，所述谐波调制永磁同步电机包括：

电机定子，所述电机定子的齿部为平齿结构；

电机转子，设于所述电机定子内，所述电机转子和所述电机定子为不均匀气隙结构，所述电机转子的磁极中间沿轴向贯穿设有辅助孔，所述电机转子的转子外圆为非同心圆弧结构，所述非同心圆弧的侧边与所述电机转子的外径圆弧的距离为L1，气隙尺寸为A，L1＞0.5*A；

其中，所述辅助孔的数量为一个或多个，当所述辅助孔的数量为一个时，所述辅助孔的角度为a，0.08*360度/极数≤a≤0.3*360度/极数，所述辅助孔的顶部与所述电机转子的圆心的距离为R4，转子半径为R_rotor,0.85≤R4/R_rotor≤0.99;当所述辅助孔的数量为多个时，所述多个辅助孔的角度为b，0.2*360度/极数≤b≤0.5*360度/极数，所述多个辅助孔包括中间辅助孔以及位于所述中间辅助孔两侧的侧边辅助孔，所述侧边辅助孔的顶部与所述电机转子的圆心的距离为R5，0.85≤R5/R_rotor≤0.99；

所述转子外圆的每个非同心圆弧包括一段或三段非同心的圆弧，当所述非同心圆弧包括一段非同心的圆弧时，一段非同心的圆弧的半径为R1，0.25≤R1/R_rotor≤0.5；当每个非同心圆弧包括三段非同心的圆弧时，三段非同心的圆弧包括连接在一起的位于上部的上部圆弧、以及位于所述上部圆弧两侧的第一下部圆弧和第二下部圆弧，所述上部圆弧的半径为R2，所述第一下部圆弧和第二下部圆弧的半径相同且均为R3,0.5≤R2/R_rotor≤0.9,0.15≤R3/R_rotor≤0.35,所述上部圆弧的角度为c，0.3*360度/极数≤c≤0.7*360度/极数。

优选地，在所述谐波调制永磁同步电机中，当所述辅助孔的数量为多个时，多个辅助孔包括中间辅助孔以及位于所述中间辅助孔两侧的多个侧边辅助孔，多个侧边辅助孔沿周向对称设置在所述中间辅助孔的两侧。

优选地，在所述谐波调制永磁同步电机中，所述中间辅助孔的孔径大于所述侧边辅助孔的孔径，所述侧边辅助孔的数量为偶数，偶数个侧边辅助孔均匀排布在所述中间辅助孔的两侧。

优选地，在所述谐波调制永磁同步电机中，所述辅助孔的数量为多个，所述多个辅助孔大小相同且沿周向均匀排布。

优选地，在所述谐波调制永磁同步电机中，所述辅助孔为圆形孔、三角形孔、或者方形孔。

优选地，在所述谐波调制永磁同步电机中，所述电机定子的定子齿为直线型，直线型的定子齿与所述电机转子的转子半径方向呈90度设置。

优选地，在所述谐波调制永磁同步电机中，所述电机转子的磁铁为辐条型结构。

优选地，在所述谐波调制永磁同步电机中，所述电机转子的内壁均匀分布有若干个N极磁铁和S极磁铁，所述若干个N极磁铁和S极磁铁中N极磁铁和S极磁铁呈间隔设置。

优选地，在所述谐波调制永磁同步电机中，所述电机定子呈集中式绕组设置，且其中绕组为单定子齿绕线结构。

优选地，在所述谐波调制永磁同步电机中，L1＞0.6*A。

本发明至少具有如下有益效果：

本发明提供的谐波调制永磁同步电机，通过所述电机转子的磁极中间沿轴向贯穿设有辅助孔，所述电机转子的转子外圆为非同心圆弧结构，所述非同心圆弧的侧边与所述电机转子的外径圆弧的距离为L1，气隙尺寸为A，L1＞0.5*A；其中，所述辅助孔的数量为一个或多个，当所述辅助孔的数量为一个时，所述辅助孔的角度为a，0.08*360度/极数≤a≤0.3*360度/极数，所述辅助孔的顶部与所述电机转子的圆心的距离为R4，转子半径为R_rotor,0.85≤R4/R_rotor≤0.99;当所述辅助孔的数量为多个时，所述多个辅助孔的角度为b，0.2*360度/极数≤b≤0.5*360度/极数，所述多个辅助孔包括中间辅助孔以及位于所述中间辅助孔两侧的侧边辅助孔，所述侧边辅助孔的顶部与所述电机转子的圆心的距离为R5，0.85≤R5/R_rotor≤0.99；所述转子外圆的每个非同心圆弧包括一段或三段非同心的圆弧，当所述非同心圆弧包括一段非同心的圆弧时，一段非同心的圆弧的半径为R1，0.25≤R1/R_rotor≤0.5；当每个非同心圆弧包括三段非同心的圆弧时，三段非同心的圆弧包括连接在一起的位于上部的上部圆弧、以及位于所述上部圆弧两侧的第一下部圆弧和第二下部圆弧，所述上部圆弧的半径为R2，所述第一下部圆弧和第二下部圆弧的半径相同且均为R3,0.5≤R2/R_rotor≤0.9,0.15≤R3/R_rotor≤0.35,所述上部圆弧的角度为c，0.3*360度/极数≤c≤0.7*360度/极数，如此可以有效的改善反电势谐波含量，降低转矩脉动，降低径向力和径向力谐波含量，径向力水平大大下降30-40%，振动和噪音水平有效下降10%以上，达到静音效果。

进一步地，本发明通过将转子外圆设置为非同心圆弧结构，所述电机定子的齿部为平齿结构，如此可以达到不均匀气隙效果，同时在径向力集中区增加辅助孔来抑制径向力，如此整体结合在一起可以改变电机径向力和调制磁通谐波含量。

附图说明

图1是本发明提供的谐波调制永磁同步电机在辅助孔为三个时的示意图；

图2为图1提供的谐波调制永磁同步电机在转子外圆的非同心圆弧仅包括一段非同心的圆弧时部分结构的剖视图；

图2a为图2中部分结构的局部放大图；

图3为图1中提供的谐波调制永磁同步电机在转子外圆的非同心圆弧三段非同心的圆弧时部分结构的剖视图；

图3a为图3中部分结构的局部放大示意图；

图4为本发明提供的谐波调制永磁同步电机在辅助孔为一个时的剖视图；

图5为图4中部分结构的放大示意图；

图5a为图5中部分结构的局部放大示意图；

图6为图4中部分结构在另一实施例时的放大示意图；

图7为图4中部分结构在又一实施例时的放大示意图；

图8为本发明与现有技术反电势谐波分析对比图；

图8a为图8中现有技术的反电势谐波分析示意图；

图8b为图8中方案1的电势谐波分析示意图；

图8c为图8中方案2的电势谐波分析示意图；

图9为本发明与现有技术转矩脉动对比图；

图10为本发明与现有技术径向力对比图；

图11为本发明与现有技术径向力谐波分析对比图；

图11a为图11中现有技术的径向力谐波分析示意图；

图11b为图11中方案1的径向力谐波分析示意图；

图11c为图11中方案2的径向力谐波分析示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

本发明实施例中术语“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

本发明实施例中术语“多个”是指两个或两个以上，其它量词与之类似。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施例进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施例中，为了使读者更好地理解本发明而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施例的种种变化和修改，也可以实现本发明所要求保护的技术方案。以下各个实施例的划分是为了描述方便，不应对本发明的具体实现方式构成任何限定，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。

现有技术中，永磁同步电机为了提高电机转矩密度，采用了多极转子结构，通过提高转子磁通量来有效提升电机转矩能力，但是在转矩能力提升的同时电机径向力随之提升，电机径向力是电机振动和噪音的源头，从而导致电机振动和噪音增大。

为此，本发明提供一种谐波调制永磁同步电机，请参阅图1和图4，所述谐波调制永磁同步电机包括电机定子1、以及电机转子2，所述电机定子1的齿部为平齿结构，电机转子2设于所述电机定子1内，所述电机转子2和所述电机定子1为不均匀气隙结构，所述电机转子2的磁极中间沿轴向贯穿设有辅助孔3，所述电机转子2的转子外圆为非同心圆弧结构，所述非同心圆弧的侧边与所述电机转子2的外径圆弧的距离为L1，气隙尺寸为A，L1＞0.5*A；其中，所述辅助孔3的数量为一个或多个，当所述辅助孔3的数量为一个时，所述辅助孔3的角度为a，0.08*360度/极数≤a≤0.3*360度/极数，所述辅助孔3的顶部与所述电机转子2的圆心的距离为R4，转子半径为R_rotor,0.85≤R4/R_rotor≤0.99;当所述辅助孔3的数量为多个时，所述多个辅助孔3的角度为b，0.2*360度/极数≤b≤0.5*360度/极数，所述多个辅助孔3包括中间辅助孔31以及位于所述中间辅助孔31两侧的侧边辅助孔32，所述侧边辅助孔32的顶部与所述电机转子2的圆心的距离为R5，0.85≤R5/R_rotor≤0.99；所述转子外圆的每个非同心圆弧包括一段或三段非同心的圆弧，当所述非同心圆弧包括一段非同心的圆弧时，一段非同心的圆弧的半径为R1，0.25≤R1/R_rotor≤0.5；当每个非同心圆弧包括三段非同心的圆弧时，三段非同心的圆弧包括连接在一起的位于上部的上部圆弧41、以及位于所述上部圆弧41两侧的第一下部圆弧42和第二下部圆弧43，所述上部圆弧41的半径为R2，所述第一下部圆弧42和第二下部圆弧43的半径相同且均为R3,0.5≤R2/R_rotor≤0.9,0.15≤R3/R_rotor≤0.35,所述上部圆弧41的角度为c，0.3*360度/极数≤c≤0.7*360度/极数。

具体地，由于本发明提供的所述电机转子2和所述电机定子1为不均匀气隙结构，非同心圆弧的侧边与所述电机转子2的外径圆弧的距离L1过小则没有效果，只要当L1＞0.5*A时才能实现降低径向力、降低脉动等作用。在其他实施例中，还可以是L1＞0.6*A、L1＞0.8*A、L1＞0.9*A等等，在此不一一列举。

通过当所述辅助孔3的数量为一个时，所述辅助孔3的角度为a，0.08*360度/极数≤a≤0.3*360度/极数，所述辅助孔3的顶部与所述电机转子2的圆心的距离为R4，转子半径为R_rotor,0.85≤R4/R_rotor≤0.99;当所述辅助孔3的数量为多个时，所述多个辅助孔3的角度为b，0.2*360度/极数≤b≤0.5*360度/极数，所述多个辅助孔3包括中间辅助孔31以及位于所述中间辅助孔31两侧的侧边辅助孔32，所述侧边辅助孔32的顶部与所述电机转子2的圆心的距离为R5，0.85≤R5/R_rotor≤0.99，如此可以对辅助孔3的位置进行限制，且此时改善反电势谐波含量，降低转矩脉动，降低径向力的效果最佳。其中，请参阅图5至图7，所述辅助孔3为圆形孔、三角形孔、或者方形孔。辅助孔3的设置可以是一个圆形孔，可以是一个三角形孔，可以是一个方形孔，可以是两个圆形孔，还可以是一个圆形的中间辅助孔31且中间辅助孔31的两边各均匀分布有一个圆形的中间辅助孔31等等组合，在此不一一列举。在本实施例中，当所述辅助孔3的数量为多个时，多个辅助孔3包括中间辅助孔31以及位于所述中间辅助孔31两侧的多个侧边辅助孔32，多个侧边辅助孔32沿周向对称设置在所述中间辅助孔31的两侧。更具体地，所述中间辅助孔31的孔径大于所述侧边辅助孔32的孔径，所述侧边辅助孔32的数量为偶数，偶数个侧边辅助孔32均匀排布在所述中间辅助孔31的两侧。在辅助孔3为多个时，还可以是所述多个辅助孔3大小相同且沿周向均匀排布。

优选地，a还可以为0.1*360度/极数、0.15*360度/极数、0.2*360度/极数、或者0.25*360度/极数。R4/R_rotor还可以为0.88、0.90、0.92、0.94、或者0.96。b还可以为0.3*360度/极数或者0.4*360度/极数。R5/R_rotor还可以为0.88、0.90、0.92、0.94、或者0.96。

请参阅图2和图2a，转子外圆的每个非同心圆弧仅包括一段非同心的圆弧时，该非同心的圆弧的半径R1过大会导致整个电机的性能大幅下降，转矩能力会下降，R1太小会起不到效果，达不到降低径向力、降低脉动等的作用，故在本实施例中，0.25≤R1/R_rotor≤0.5，在其他实施例中，R1/R_rotor还可以为0.3、0.35、0.4、或者0.45。

请参阅图3和图3a，转子外圆的每个非同心圆弧包括三段非同心的圆弧时，三段非同心的圆弧包括连接在一起的位于上部的上部圆弧41、以及位于所述上部圆弧41两侧的第一下部圆弧42和第二下部圆弧43，即第一下部圆弧42、上部圆弧41、第二下部圆弧43依次连接，其中，上部圆弧41的半径R2太小，电机性能会受影响，R2太大起不到改善效果，无法达到降低径向力、降低脉动等的作用，故，0.5≤R2/R_rotor≤0.9效果最佳，在其他实施例中，R2/R_rotor还可以为0.6、0.7、或者0.8。

请参阅图3，第一下部圆弧42和第二下部圆弧43的半径相同且均为R3，R3太小，第一下部圆弧42和第二下部圆弧43与气隙距离更大，电机转矩性能会下降；R3太大，第一下部圆弧42和第二下部圆弧43与气隙距离太小，起不到降低径向力、降低脉动等的作用。上部圆弧41的角度c过大，会导致切掉的非均匀气隙就没有了而变成了均匀气隙，降低径向力的效果差；c过小，会导致电机性能会受影响。故，在本实施例中，0.15≤R3/R_rotor≤0.35，0.3*360度/极数≤c≤0.7*360度/极数。在其他实施例中，R3/R_rotor还可以为0.2、0.25、或者0.3。c还可以为0.4*360度/极数、0.5*360度/极数、或者0.6*360度/极数。

本发明提供的谐波调制永磁同步电机，通过所述电机转子2的磁极中间沿轴向贯穿设有辅助孔3，所述电机转子2的转子外圆为非同心圆弧结构，所述非同心圆弧的侧边与所述电机转子2的外径圆弧的距离为L1，气隙尺寸为A，L1＞0.5*A；其中，所述辅助孔3的数量为一个或多个，当所述辅助孔3的数量为一个时，所述辅助孔3的角度为a，0.08*360度/极数≤a≤0.3*360度/极数，所述辅助孔3的顶部与所述电机转子2的圆心的距离为R4，转子半径为R_rotor,0.85≤R4/R_rotor≤0.99;当所述辅助孔3的数量为多个时，所述多个辅助孔3的角度为b，0.2*360度/极数≤b≤0.5*360度/极数，所述多个辅助孔3包括中间辅助孔31以及位于所述中间辅助孔31两侧的侧边辅助孔32，所述侧边辅助孔32的顶部与所述电机转子2的圆心的距离为R5，0.85≤R5/R_rotor≤0.99；所述转子外圆的每个非同心圆弧包括一段或三段非同心的圆弧，当所述非同心圆弧包括一段非同心的圆弧时，一段非同心的圆弧的半径为R1，0.25≤R1/R_rotor≤0.5；当每个非同心圆弧包括三段非同心的圆弧时，三段非同心的圆弧包括连接在一起的位于上部的上部圆弧41、以及位于所述上部圆弧41两侧的第一下部圆弧42和第二下部圆弧43，所述上部圆弧41的半径为R2，所述第一下部圆弧42和第二下部圆弧43的半径相同且均为R3,0.5≤R2/R_rotor≤0.9,0.15≤R3/R_rotor≤0.35,所述上部圆弧41的角度为c，0.3*360度/极数≤c≤0.7*360度/极数，如此可以有效的改善反电势谐波含量，降低转矩脉动，降低径向力和径向力谐波含量，径向力水平大大下降30-40%，振动和噪音水平有效下降10%以上，达到静音效果；

进一步地，本发明通过将转子外圆设置为非同心圆弧结构，所述电机定子1的齿部为平齿结构，如此可以达到不均匀气隙效果，同时在径向力集中区增加辅助孔3来抑制径向力，如此整体结合在一起可以改变电机径向力和调制磁通谐波含量。

为了便于说明本发明的有益效果，本发明将本发明提供的方案与现有技术进行比对。请参阅图8至图11c，图8至图11c中方案1为图1示意出的方案，方案2为图4示意出的方案，通过对比可以发现，本发明相对于现有技术明显改善了EMF谐波含量、有效降低转矩脉动、大幅度降低了径向力（图10可以看出方案1和方案2分别降低了40%和30%的径向力）、有效改善了径向力谐波含量。

另外，所述电机定子的定子齿为直线型，直线型的定子齿与所述电机转子2的转子半径方向呈90度设置。

所述电机转子2的磁铁为辐条型结构，所述电机转子2的内壁均匀分布有若干个N极磁铁和S极磁铁，所述若干个N极磁铁和S极磁铁中N极磁铁和S极磁铁呈间隔设置。

所述电机定子1呈集中式绕组设置，且其中绕组为单定子齿绕线结构。通过使用集中式绕组设置，能够减小定子的线圈端（轴向上从电机定子1的铁心突出的线圈的端部）的轴向的长度。

显然，上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，可以做出其它不同形式的变化或变动，都应当属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种谐波调制永磁同步电机，其特征在于，包括：

电机定子，所述电机定子的齿部为平齿结构；

电机转子，设于所述电机定子内，所述电机转子和所述电机定子为不均匀气隙结构，所述电机转子的磁极中间沿轴向贯穿设有辅助孔，所述电机转子的转子外圆为非同心圆弧结构，所述非同心圆弧的侧边与所述电机转子的外径圆弧的距离为L1，气隙尺寸为A，L1＞0.5*A；

其中，所述辅助孔的数量为一个或多个，当所述辅助孔的数量为一个时，所述辅助孔的角度为a，0.08*360度/极数≤a≤0.3*360度/极数，所述辅助孔的顶部与所述电机转子的圆心的距离为R4，转子半径为R_rotor,0.85≤R4/R_rotor≤0.99;当所述辅助孔的数量为多个时，所述多个辅助孔的角度为b，0.2*360度/极数≤b≤0.5*360度/极数，所述多个辅助孔包括中间辅助孔以及位于所述中间辅助孔两侧的侧边辅助孔，所述侧边辅助孔的顶部与所述电机转子的圆心的距离为R5，0.85≤R5/R_rotor≤0.99；

所述转子外圆的每个非同心圆弧包括一段或三段非同心的圆弧，当所述非同心圆弧包括一段非同心的圆弧时，一段非同心的圆弧的半径为R1，0.25≤R1/R_rotor≤0.5；当每个非同心圆弧包括三段非同心的圆弧时，三段非同心的圆弧包括连接在一起的位于上部的上部圆弧、以及位于所述上部圆弧两侧的第一下部圆弧和第二下部圆弧，所述上部圆弧的半径为R2，所述第一下部圆弧和第二下部圆弧的半径相同且均为R3,0.5≤R2/R_rotor≤0.9,0.15≤R3/R_rotor≤0.35,所述上部圆弧的角度为c，0.3*360度/极数≤c≤0.7*360度/极数。

2.如权利要求1所述的谐波调制永磁同步电机，其特征在于，当所述辅助孔的数量为多个时，多个辅助孔包括中间辅助孔以及位于所述中间辅助孔两侧的多个侧边辅助孔，多个侧边辅助孔沿周向对称设置在所述中间辅助孔的两侧。

3.如权利要求2所述的谐波调制永磁同步电机，其特征在于，所述中间辅助孔的孔径大于所述侧边辅助孔的孔径，所述侧边辅助孔的数量为偶数，偶数个侧边辅助孔均匀排布在所述中间辅助孔的两侧。

4.如权利要求1所述的谐波调制永磁同步电机，其特征在于，所述辅助孔的数量为多个，所述多个辅助孔大小相同且沿周向均匀排布。

5.如权利要求1所述的谐波调制永磁同步电机，其特征在于，所述辅助孔为圆形孔、三角形孔、或者方形孔。

6.权利要求1所述的谐波调制永磁同步电机，其特征在于，所述电机定子的定子齿为直线型，直线型的定子齿与所述电机转子的转子半径方向呈90度设置。

7.权利要求1所述的谐波调制永磁同步电机，其特征在于，所述电机转子的磁铁为辐条型结构。

8.权利要求7所述的谐波调制永磁同步电机，其特征在于，所述电机转子的内壁均匀分布有若干个N极磁铁和S极磁铁，所述若干个N极磁铁和S极磁铁中N极磁铁和S极磁铁呈间隔设置。

9.权利要求1所述的谐波调制永磁同步电机，其特征在于，所述电机定子呈集中式绕组设置，且其中绕组为单定子齿绕线结构。

10.权利要求1所述的谐波调制永磁同步电机，其特征在于，其特征在于，L1＞0.6*A。