CN209282958U - 斜极转子及永磁同步电机 - Google Patents
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Abstract
本实用新型实施例提供了一种斜极转子及永磁同步电机，所述斜极转子包括转轴和安装到所述转轴的转子铁芯，所述转子铁芯包括沿所述转轴的轴向相邻设置的多个转子分段，每一所述转子分段上具有多个沿所述转轴周向均匀分布的磁钢单元且相邻磁钢单元的磁化方向相反；所述多个转子分段以沿所述转轴的轴向中央的横截面左右对称的方式错极分布，所述多个转子分段构成的斜极结构的最大斜极角度与所述转子铁芯中转子分段的种类数以及电机定子槽数相关，且磁化方向相同的磁钢单元的中心线位于同一直线的转子分段视为相同种类的转子分段。本实用新型实施例能够抑制电机输出转矩中特定倍频次数的谐波分量，进而有优化电机的NVH表现。
Description
技术领域
本实用新型实施例涉及永磁电机领域，更具体地说，涉及一种斜极转子及永磁同步电机。
背景技术
随着全球变暖以及能源危机的不断加剧，新能源汽车替代现有的燃油汽车已经成为必然的趋势。永磁同步电机由于高转矩密度、高效率、高功率密度等特点而成为新能源汽车驱动电机的首选。
由于永磁同步电机中的永磁铁不会根据电机的位置和状态更改磁性的强弱，所以在圆周方向运转过程中，磁铁的磁极会对定子齿和槽产生不同的吸引力，大小不同的吸引力将导致转子在旋转时转矩发生波动，这个波动会导致电机运转的振动和噪声，尤其对大功率的电机，此原因产生的振动和噪声尤为明显。即永磁同步电机因为永磁转子的特性产生的齿槽转矩将引起电机的振动和噪声。
为降低电机噪声和振动，需减小电机运转时的齿槽转矩。转子分段错极是减小齿槽转矩、转矩脉动，从而降低电磁振动的简单有效的措施之一。例如公开号为105305678A的中国专利申请，其提出了一种永磁同步电机分段斜极定位转子，转子采用内置径向式拓扑；公开号为105262302A的中国专利申请，其提出了一种转子斜极结构，转子仍采用内置径向式拓扑，转子轴向分段斜极，以降低齿槽转矩。
上述转子分段斜极，其基本思想是将转子轴向分为多段，每一段上的磁钢11错开一定角度，如图1所示(图1中的电机转子轴向分为4段，每一段错开一定角度)。该种措施简单易行，简化了结构工艺，但存在的问题是，转子呈单边倾斜，会产生一个轴向电磁分力，造成电机轴向窜动。为消除转子的轴向磁分力，如图2所示，可将转子的多个轴向分段上的磁钢21呈人字形相错。
上述转子错极方式虽然可以减小电机的转矩波动和齿槽转矩，但对于输出转矩的2×q×m次和q×m次转矩波动削弱不明显(其中m为相数、q为每极每相槽数)；而这些特殊倍频次数往往是电机NVH(Noise、Vibration、Harshness，即噪声、振动与声振粗糙度)性能优劣的根源所在。
此外，图1和图2所示磁钢错极结构，还将使得转子各功率段并非沿着转轴中心线对称分布，导致电机转子在运行过程中会存在扭振效应，同样导致电机产生NVH问题。
实用新型内容
本实用新型实施例针对上述电机转子中的磁钢错极结构在特殊倍频次数的NVH性能较差的问题，提供一种斜极转子及永磁同步电机。
本实用新型实施例解决上述技术问题的技术方案是，提供一种斜极转子，包括转轴和安装到所述转轴的转子铁芯，所述转子铁芯包括沿所述转轴的轴向相邻设置的多个转子分段，每一所述转子分段上具有多个沿所述转轴周向均匀分布的磁钢单元且相邻磁钢单元的磁化方向相反；其特征在于，所述多个转子分段以沿所述转轴的轴向中央的横截面左右对称的方式错极分布，且所述多个转子分段构成的斜极结构的最大斜极角度介于 之间，其中，n为所述转子铁芯中转子分段的种类数，且磁化方向相同的磁钢单元的中心线位于同一直线的转子分段视为相同种类的转子分段，z为所述斜极转子所在电机的定子槽数。
优选地，所述转子铁芯包括5～10个转子分段。
优选地，所述多个转子分段中包括位于所述转子铁芯轴向的端部的第一转子分段、位于所述转子铁芯轴向的中央的第二转子分段、位于所述第一转子分段和第二转子分段之间的第三转子分段；所述第三转子分段和第一转子分段中磁化方向相同的磁钢单元的中心线相错第一预设角度，所述第二转子分段和第一转子分段中磁化方向相同的磁钢单元的中心线相错第二预设角度，且所述第一预设角度不为零。
优选地，所述第三转子分段的轴向的第一端与所述第一转子分段相接，所述第三转子分段的轴向的第二端与所述第二转子分段相接，所述第二预设角度小于所述第一预设角度。
优选地，所述第二预设角度为零。
优选地，所述多个转子分段中还包括两个第四转子分段，每一所述第四转子分段位于所述第一转子分段和第三转子分段之间，所述第四转子分段和第一转子分段中磁化方向相同的磁钢单元的中心线相错第三预设角度，所述第三预设角度小于所述第一预设角度，且所述第三预设角度不为零。
优选地，每一所述第四转子分段轴向的第一端与所述第一转子分段相接，且所述第四转子分段轴向的第二端与所述第三转子分段的第一端相接；所述第三预设角度大于所述第二预设角度。
优选地，所述第三转子分段轴向的第二端与所述第二转子分段相接，且所述第二预设角度不为零。
优选地，每一所述转子分段由硅钢片冲叠而成；每一所述转子分段上的每一磁钢单元沿径向分为两层或三层，且每一层包括磁钢、辅助空气槽和磁桥；同一磁钢单元的两个或三个磁钢的磁化方向相同。
本实用新型实施例还提供一种永磁同步电机，包括定子和如上所述的斜极转子。
本实用新型实施例的斜极转子及永磁同步电机，通过将组成转子铁芯的各个转子分段中同极性磁钢的相错角度按转子铁芯轴向的中心对称分布，能够有效抑制电机输出转矩中特定倍频次数的谐波分量，进而有优化电机的NVH表现。与传统错极方式相比，本实用新型还可明显抑制转子扭振效应，进一步提高电机的NVH表现。
附图说明
图1是现有电机转子表面磁钢错极结构的示意图；
图2是另一现有电机转子表面磁钢错极结构的示意图；
图3是本实用新型第一实施例提供的斜极转子的结构示意图；
图4是本实用新型第二实施例提供的斜极转子的结构示意图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
如图3所示，是本实用新型实施例提供的斜极转子的结构示意图，该斜极转子可应用于永磁同步电机，并可够抑制电机输出转矩中特定倍频次数的谐波分量。本实施例的斜极转子包括转轴和安装到转轴的转子铁芯，与现有转子类似地，上述转子铁芯可由硅钢片冲叠而成。当然，实际应用中，转子铁芯也可由其他方式构成。
上述转子铁芯包括沿轴向相邻设置的多个转子分段，上述转子分段呈环形，每一转子分段上分别设置有多个沿转轴的周向均匀分布的磁钢单元且相邻磁钢单元的磁化方向相反。上述多个转子分段以沿转轴的轴向中央的横截面(该横截面经过转轴的中点并垂直于转轴)左右对称的方式错极分布(在上述横截面的每一侧，各个转子分段的错极角度可呈非均匀递增、递减)，且多个转子分段构成的斜极结构的最大斜极角度介于之间，其中，n为转子铁芯中转子分段的种类数，且磁化方向相同的磁钢单元的中心线位于同一直线的转子分段视为相同种类的转子分段(例如图3所示的第一转子分段31和第二转子分段32视为同一种类)，z为斜极转子所在电机的定子槽数。
上述斜极转子通过将各转子分段中磁化方向相同的磁钢单元的中心线按转子铁芯轴向的中央(即转轴的轴向中央的横截面)对称分布，能够抑制电机输出转矩中特定倍频次数的谐波分量，进而有优化电机的NVH表现。
在上述斜极转子的结构可应用至现有的永磁电机中，相应地，转子铁芯可包括5～10个转子分段。
具体地，上述转子铁芯的多个转子分段中，包括位于转子铁芯的轴向的端部的第一转子分段31(每一端部均有一个第一转子分段31)、位于转子铁芯轴向的中央的第二转子分段32(若转子铁芯的转子分段的总数为偶数时，转子铁芯轴向的中央具有两个第二转子分段32)、位于第一转子分段31和第二转子分段32之间的第三转子分段33。在实际应用中，第三转子分段33可直接与第一转子分段31相接，或者第三转子分段33可经由其他转子分段与第一转子分段31相接；同样地，第三转子分段33可直接与第二转子分段32相接，或者第三转子分段33可经由其他转子分段与第二转子分段32相接。
两个第一转子分段31中磁化方向相同的磁钢单元的中心线位于同一直线，每一第三转子分段33和第一转子分段31中磁化方向相同的磁钢单元的中心线相错第一预设角度α，第二转子分段32和第一转子分段31中磁化方向相同的磁钢单元的中心线相错第二预设角度，且第一预设角度α不为零。
上述每一转子分段可由硅钢片冲叠而成；每一转子分段上的每一磁钢单元沿径向分为两层或三层，且每一层包括磁钢、辅助空气槽和磁桥；同一磁钢单元的三个磁钢的磁化方向相同。多层空气槽及多层磁钢可增大凸极比，也即增大了磁阻转矩分量的比例，从而提高电机转矩密度。
在本实用新型的一个实施例中，转子铁芯的转子分段的总数为六，此时第三转子分段33的轴向的第一端与第一转子分段31相接，该第三转子分段33的轴向的第二端与第二转子分段32相接，且第二预设角度小于第一预设角度α，即斜极转子中各转子分段中磁化方向相同的磁钢单元的中心呈W形相错分布。
以8极48槽电机为例，表1中展示了改变第一预设角度α后对6倍频和12倍频谐波分量的影响。
| 常规方式 | 第一实施例 | |
| 转矩波动6倍频分量(Nm) | 1.76 | 0.92 |
| 转矩波动12倍频分量(Nm) | 5.24 | 3.39 |
表1：常规错极结构与第一实施例错极结构对特定次数转矩波动的影响根据表1可知，采用本实用新型实施例的错极结构的六段式斜极转子在电机输出转矩中2×q×m次和q×m次转矩谐波分量得到了明显抑制(其中m为相数、q为每极每相槽数)。
同时，如表2所示，采用本实用新型实施例的错极结构的六段式斜极转子可以很好地降低电机转子对轴产生的扭转效应，进而优化动力总成的NVH表现。
| 常规 | 第一实施例 | |
| 一阶扭振(幅值/mms-1) | 0.57 | 0.10 |
| 二阶扭振(幅值/mms-1) | 0.43 | 0.10 |
表2：常规错极结构与第一实施例错极结构的扭振
为简化结构，可使第二转子分段32和第一转子分段31中磁化方向相同的磁钢单元的中心线重合，即第二预设角度为零，即第一转子分段31和第二转子分段32中磁化方向相同的磁钢单元的中心线位于同一直线。
如图4所示，是本实用新型第二实施例提供的斜极转子的结构示意图。本实施例中的斜极转子同样包括转轴和转子铁芯，且转子铁芯包括沿轴向相邻设置的多个转子分段，每一转子分段上分别设置有多个沿转轴的周向均匀分布的磁钢单元且相邻磁钢单元的磁化方向相反。本实施例中的转子铁芯包括八个转子分段，在该八个转子分段中，除了包括位于转子铁芯的轴向的端部的第一转子分段41、位于转子铁芯轴向的中央的第二转子分段42、位于第一转子分段41和第二转子分段42之间的第三转子分段43之外，还包括两个分别位于第一转子分段41和第三转子分段43之间的第四转子分段44。
上述第三转子分段43和第一转子分段41中磁化方向相同的磁钢单元的中心线相错第一预设角度β，第二转子分段42和第一转子分段41中磁化方向相同的磁钢单元的中心线相错第二预设角度，第四转子分段44和第一转子分段41中磁化方向相同的磁钢单元的中心线相错第三预设角度，第三预设角度小于第一预设角度β。
特别地，可使上述第二预设角度小于第三预设角度，即本实施例中的斜极转子中各转子分段中磁化方向相同的磁钢单元的中心同样呈W形相错分布。
具体地，上述第四转子分段44轴向的第一端与第一转子分段41相接，且该第四转子分段44轴向的第二端与第三转子分段43的第一端相接。特别地，第三转子分段43轴向的第二端与第二转子分段42相接，且第二预设角度不为零。
如表3所示，采用上述结构的八段式斜极转子同样可以在电机输出转矩中2×q×m次和q×m次转矩谐波分量得到了明显抑制(其中m为相数、q为每极每相槽数)。
| 常规方式 | 第二实施例 | |
| 转矩波动6倍频分量(Nm) | 1.76 | 1.29 |
| 转矩波动12倍频分量(Nm) | 5.24 | 1.04 |
表3：常规错极结构与第二实施例错极结构对特定次数转矩波动的影响
如表4所示，采用上述结构的八段式斜极转子还可很好地降低电机转子对轴产生的扭转效应，进而优化动力总成的NVH表现。
| 常规 | 第一实施例 | |
| 一阶扭振(幅值/mms-1) | 0.57 | 0.10 |
| 二阶扭振(幅值/mms-1) | 0.43 | 0.30 |
表4：常规错极结构与第二实施例错极结构的扭振
此外，本实用新型实施例的斜极转子的转子铁芯还可包括其他不同数量的转子分段，只要磁化方向相同的磁钢单元的中心线相错角度满足上述实施例中的结构，皆可抑制电机输出转矩中特定倍频次数的谐波分量，进而有优化电机的NVH表现。
本实用新型实施例还提供一种永磁同步电机，该永磁同步电机可向相关设备输出转矩，并具有较好的NVH表现。本实施例中的永磁同步电机包括定子和如上所述的斜极转子。
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种斜极转子，包括转轴和安装到所述转轴的转子铁芯，所述转子铁芯包括沿所述转轴的轴向相邻设置的多个转子分段，每一所述转子分段上具有多个沿所述转轴周向均匀分布的磁钢单元且相邻磁钢单元的磁化方向相反；其特征在于，所述多个转子分段以沿所述转轴的轴向中央的横截面左右对称的方式错极分布，且所述多个转子分段构成的斜极结构的最大斜极角度介于之间，其中，n为所述转子铁芯中转子分段的种类数，且磁化方向相同的磁钢单元的中心线位于同一直线的转子分段视为相同种类的转子分段，z为所述斜极转子所在电机的定子槽数。
2.如权利要求1所述的斜极转子，其特征在于，所述转子铁芯包括5～10个转子分段。
3.根据权利要求2所述的斜极转子，其特征在于，所述多个转子分段中包括位于所述转子铁芯轴向的端部的第一转子分段、位于所述转子铁芯轴向的中央的第二转子分段、位于所述第一转子分段和第二转子分段之间的第三转子分段；所述第三转子分段和第一转子分段中磁化方向相同的磁钢单元的中心线相错第一预设角度，所述第二转子分段和第一转子分段中磁化方向相同的磁钢单元的中心线相错第二预设角度，且所述第一预设角度不为零。
4.根据权利要求3所述的斜极转子，其特征在于，所述第三转子分段的轴向的第一端与所述第一转子分段相接，所述第三转子分段的轴向的第二端与所述第二转子分段相接，所述第二预设角度小于所述第一预设角度。
5.根据权利要求3所述的斜极转子，其特征在于，所述第二预设角度为零。
6.根据权利要求3所述的斜极转子，其特征在于，所述多个转子分段中还包括两个第四转子分段，每一所述第四转子分段位于所述第一转子分段和第三转子分段之间，所述第四转子分段和第一转子分段中磁化方向相同的磁钢单元的中心线相错第三预设角度，所述第三预设角度小于所述第一预设角度，且所述第三预设角度不为零。
7.根据权利要求6所述的斜极转子，其特征在于，每一所述第四转子分段轴向的第一端与所述第一转子分段相接，且所述第四转子分段轴向的第二端与所述第三转子分段的第一端相接；所述第三预设角度大于所述第二预设角度。
8.根据权利要求7所述的斜极转子，其特征在于，所述第三转子分段轴向的第二端与所述第二转子分段相接，且所述第二预设角度不为零。
9.根据权利要求1所述的斜极转子，其特征在于，每一所述转子分段由硅钢片冲叠而成；每一所述转子分段上的每一磁钢单元沿径向分为两层或三层，且每一层包括磁钢、辅助空气槽和磁桥；同一磁钢单元的两个或三个磁钢的磁化方向相同。
10.一种永磁同步电机，其特征在于，包括定子和如权利要求1-9中任一项所述的斜极转子。
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Legal Events
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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Effective date of registration: 20230314 Address after: 213000 No. 296, Wuyi South Road, Wujin National High and New Technology Industry Development Zone, Changzhou City, Jiangsu Province Patentee after: Huichuan New Energy Automotive Technology (Changzhou) Co.,Ltd. Address before: 215000 52 tianedang Road, Yuexi, Wuzhong District, Suzhou City, Jiangsu Province Patentee before: SUZHOU HUICHUAN UNITED POWER SYSTEM Co.,Ltd. |
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| TR01 | Transfer of patent right |