CN209402268U - 一种永磁电机转子结构、永磁电机 - Google Patents

Abstract

一种永磁电机转子结构、永磁电机，属于永磁电机技术领域。永磁电机转子结构包括转子冲片和贴附于转子冲片上的磁钢；所述磁钢为轴向分段式磁钢结构，所述磁钢至少被划分为三段；将某一段磁钢作为基准磁钢段，将其他磁钢段中偶数段相对该基准磁钢段对于同一极性的磁钢的截面位置错开一定角度，使得其他磁钢段合成的磁势中心与所述基准磁钢段磁势中心重合。永磁电机包括定子和装配于定子外的上述转子结构。本实用新型能有效消除齿槽转矩，制造工艺简单，成本低。

Description

一种永磁电机转子结构、永磁电机

技术领域

本实用新型永磁电机技术领域，尤其涉及一种永磁电机转子结构、永磁电机。

背景技术

齿槽转矩（又称齿槽效应）是永磁电机特有的问题之一，是高性能永磁电机设计和制造中必须考虑和解决的关键问题。齿槽转矩是永磁电机绕组不通电时永磁体和定子铁心之间相互作用产生的转矩，是由永磁体与电枢齿之间相互作用力的切向分量引起的。齿槽转矩会使电机产生振动和噪声，出现转速波动，使电机不能平稳运行，影响电机的性能。在变速驱动中，当转矩脉动频率与定子或转子的机械共振频率一致时，齿槽转矩产生的振动和噪声将被放大。齿槽转矩的存在同样影响了电机在速度控制系统中的低速性能和位置控制系统中的高精度定位。所以做永磁电机研发的工程师希望把自己做的电机的齿槽转矩降到最小，使用永磁电机的工程师则希望了解手上这台电机的齿槽转矩，从而去优化他的控制算法。

现有消除齿槽转矩的方法很多，有分数槽法，采取磁性槽楔、减小槽口宽度，增大气隙长度、减小气隙磁密，改善气隙磁场分布、斜槽、斜极或磁极分段错位等众多方法。其中，定子斜槽或转子斜极是抑制齿槽转矩脉动最有效且应用广泛的方法之一。定子斜槽方法主要用于定子槽数较多且轴向较长的电机。但是，定子斜槽在工艺上不利于绕组嵌线，特别是绕线机自动绕线时，无法操作。转子斜极由于加工复杂、材料成本高而在工程上很少采用。通常，取代转子斜极的方法是转子分段，转子分段包含了转子冲片分段和磁钢分段。转子分段对消除齿槽转矩的效果是：分段的数量越多，效果越好，一般来说，分两段的效果不太好，分段太多工艺成本又太高，工程上分三段基本上达到效果，比较接近定子斜槽或转子斜极的效果。因为转子的段与段之间的磁极位置是不相同的，旋转角度位置是有要求的，因此，如何将转子磁钢分段定位达到转子分三段的目的，以降低齿槽转矩，不增加转子制造成本，成为本领域技术人员亟待解决的技术难题。

实用新型专利CN200920250081.5公开了一种有效消除齿槽效应的永磁电机，并具体公开了电机的转子采用表贴式永磁体，定子由拼块式铁芯拼接而成，定子拼块的齿靴部有靴尖，定子拼块拼接成整体定子后相邻两个定子拼块的靴尖紧密接触在一起。定子拼块拼装到一起后，在圆周方向上形成一个几乎没有间隙的圆，使齿槽磁场分布均匀，运行时转矩波动更小。永磁体在轴向上分成多段并间隔放置，同极各段永磁体按同一圆周方向顺序错位排列。同极各段永磁体共错位一个齿槽宽度，与定子齿相互配合作用，在气隙磁场中得到了较为均匀的磁密，使得齿槽转矩得到改善。然而该电机需要对定子和转子均做改进设计，其设计后的永磁体与定子齿相互配合来改善齿槽转矩，一旦定子和转子中有一个改进存在偏差，齿槽转矩问题无法有效解决。

实用新型专利CN201220271302.9公开了高速转子磁极为分段式错位的无刷永磁直流电机，并具体公开了电机包括电机壳体、定子矽钢冲片、多股线圈绕组和磁钢永磁体，电机转子铁芯的矽钢冲片齿槽矽钢冲片中置有永磁体内室，转子斜磁极和转子磁极分段式错位偏移。该电机转子采用分段式且相邻段的后段较前段错位偏移一定角度，当有多段时，所有段都向同一方向偏移，使得所有段合成的磁势会随着段偏移而偏移，造成电机运行平稳性不够。并且，该实用新型还对定子做了定子总成斜槽的设计，该分段式转子需要与改良后的定子配合使用，无法适应其他类型定子；一旦定子和转子中有一个改进存在偏差，齿槽转矩问题无法有效解决。

实用新型专利CN202586688U公开了分段转子斜极式永磁同步伺服电机，并具体公开了电机包括定子和转子；转子采用轴向分段结构，至少分为三段，每段转子外壁沿周向均匀排列有至少两块磁钢，周向的磁钢N极和S极沿转子交替间隔排列，相邻的两段转子对于同一极性磁钢的截面位置错开一定角度，且后段与前段的错开的方向相反，形成分段转子斜极结构。该电机采用是针对内转子所做的分段结构设计，该中间段两段的磁钢向同一方向偏移，且偏移后处于同一位置，使得所有段合成的磁势是朝向两段偏移方向偏移，不会与中间段磁势中心重合。虽然能削弱齿槽转矩，但偏移的磁势中心对电机运行平稳性有一定影响，使得电机性能欠佳。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术存在的问题，提出了一种制造工艺简单、成本低，消除齿槽转矩，能使电机平稳运行的永磁电机转子结构、永磁电机。

本实用新型是通过以下技术方案得以实现的：

本实用新型一种包括转子冲片和贴附于转子冲片上的磁钢；所述磁钢为轴向分段式磁钢结构，所述磁钢至少被划分为三段；将某一段磁钢作为基准磁钢段，将其他磁钢段中偶数段相对该基准磁钢段对于同一极性的磁钢的截面位置错开一定角度，使得其他磁钢段合成的磁势中心与所述基准磁钢段磁势中心重合。

作为优选，所述磁钢被划分为奇数段，且其他磁钢段均相对于基准磁钢段对于同一极性的磁钢的截面位置错开一定角度。

作为优选，所述磁钢为三段式磁钢结构。

作为优选，所述基准磁钢段为中间段，两侧的两段磁钢段相对该基准磁钢段对于同一极性的磁钢的截面位置错开一定角度，且错开方向相反。

作为优选，所述基准磁钢段为磁场感应区所在的磁钢段。

作为优选，每段磁钢沿圆周交替均布有N极、S极。

作为优选，相邻N极与S极之间留有间隔距离。

一种永磁电机，包括定子，上述电磁电机转子结构。

作为优选，所述电磁电机转子结构装配于所述定子外。

本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型一种永磁电机转子结构、永磁电机，能有效消除齿槽转矩，制造工艺简单，成本低；还能在不改变霍尔传感器在定子的安装位置、定子结构，就能装配利用转子结构，无需做其他适应性改变设计，该转子结构通用性好。

附图说明

图1为现有永磁同步电机定子冲片的结构示意图；

图2为现有永磁同步电机的转子磁钢组装结构的俯视图；

图3为现有永磁同步电机的转子磁钢组装结构的侧视图；

图4为本实用新型永磁电机转子结构的俯视图；

图5为本实用新型永磁电机转子结构的侧视图；

图6为本实用新型永磁电机转子结构与定子组装后的结构示意图。

具体实施方式

以下是本实用新型的具体实施例并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步的描述，但本实用新型并不限于这些实施例。

图1、2、3示出了现有永磁同步电机内定子冲片结构以及转子磁钢组装结构。图1中的定子冲片结构为具有12槽定子冲片，每个槽均为未封闭的。图2、3中的转子结构为整段式结构，其上圆周交替均布有N极和S极。当使用由上述定子冲片结构和转子磁钢组装结构构成的电机时，齿槽转矩会使电机产生振动和噪声，出现转速波动，使电机不能平稳运行，影响电机性能。并且针对上述背景技术中提及的现有设计方法缺陷，本实用新型提出一种降低齿槽转矩，制造工艺简单、成本低，且电机平稳性能好的永磁电机转子结构、永磁电机。

本实用新型一种永磁电机转子结构，包括转子冲片和贴附于转子冲片上的磁钢。一般磁钢胶水贴附于转子贴片上。所述磁钢为轴向分段式磁钢结构，所述磁钢至少被划分为三段，这样消除齿槽转矩的效果接近于定子斜槽或转子斜极的效果。将某一段磁钢作为基准磁钢段，将其他磁钢段中偶数段相对该基准磁钢段对于同一极性的磁钢的截面位置错开一定角度，使得其他磁钢段合成的磁势中心与所述基准磁钢段磁势中心重合。

例如，一实施方式下，磁钢被划分为四段，四段中的任意一段为基准磁钢段，其他磁钢段中的两段可相对于该基准磁钢段进行偏移，主要是对于同一极性的磁钢的截面位置错开一定角度，所述角度等于θ_sk=360/LCM(Z,2P)；其中LCM(Z,2P)为电机极数和槽数的最小公倍数。当定子冲片为12槽16极定子冲片时，θ_ss=360÷LCM(12,16) ÷4=1.875度，即段与段之间的磁极位置的机械角度为1.875度。其他磁钢段中的一段不发生偏移，保持与该基准磁钢段位置相同。排列方式可以按照图4、5所示角度，从左至右：磁钢段不偏移、磁钢段偏移+θ_sk、磁钢段偏移-θ_sk、磁钢段不偏移（基准磁钢段），或者磁钢段偏移+θ_sk、磁钢段不偏移、磁钢段不偏移（基准磁钢段）、磁钢段偏移-θ_sk，排列方式不限于上述方式。并且，其中发生偏移的两段，相对于基准磁钢段朝相反方向偏移相等角度，这样，使得其他磁钢段最终合成的磁势中心与所述基准磁钢段磁势中心重合。以此例类推，当磁钢被划分为偶数段时，至少有两段磁钢未发生偏移。这样虽然能使磁势中心重合于基准磁钢段磁势中心，但削弱齿槽力矩方面有待加强。

例如，另一实施方式下，磁钢被划分为五段，五段中的任意一段为基准磁钢段，其他磁钢段中有两段可相对于该基准磁钢段进行偏移，主要是对于同一极性的磁钢的截面位置错开一定角度，则剩余的两段不进行偏移，保持与该基准磁钢段位置相同。这样不偏移的磁钢段数量增加，更加无法有效解决齿槽力矩的问题。为此，其他磁钢段中四段均可相对于该基准磁钢段进行偏移，主要是对于同一极性的磁钢的截面位置错开一定角度。当定子冲片为12槽16极定子冲片时，θ_ss=360÷LCM(12,16) ÷5=1.5度，即段与段之间的磁极位置的机械角度为1.5度。排列方式可以按照图4、5所示角度，从左至右：磁钢段偏移+θ_sk、磁钢段偏移-θ_sk、磁钢段偏移+θ_sk、磁钢段偏移-θ_sk、磁钢段不偏移（基准磁钢段），或者磁钢段偏移+θ_sk、磁钢段偏移-θ_sk、磁钢段偏移+θ_sk、磁钢段不偏移（基准磁钢段）、磁钢段偏移-θ_sk，排列方式不限于上述方式。这样，不仅能使磁势中心重合于基准磁钢段磁势中心，而且能有效削弱齿槽力矩，使电机平稳运行，电机性能佳。

为此，本实用新型优选将磁钢划分为奇数段，且其他磁钢段均相对于基准磁钢段对于同一极性的磁钢的截面位置错开一定角度。这样，当将某一段作为基准磁钢段后，剩余的偶数段磁钢能以两个为一组构成多组磁钢段偏移组，且每组的两段磁钢段相对于基准磁钢段，对于同一极性的磁钢的截面位置错开一定角度，且错开角度方向相反，角度相等。所述角度等于θ_sk=360/LCM(Z,2P)；其中LCM(Z,2P)为电机极数和槽数的最小公倍数。

随着段数增加，齿槽转矩的幅值逐步降低，当达到四段时，齿槽转矩降低效果已经很好了，五段时，齿槽转矩可以完全忽略了。从成本的角度看，随着段数增加，制造成本也会相应增加。为此，本实用新型优选为三段式磁钢结构。

一实施方式，所述基准磁钢段为中间段，两侧的两端磁钢段相对于该基准磁钢段对于同一极性的磁钢的截面位置错开一定角度，且错开方向相反。具体地，一台12槽16极的无刷电机定子冲片，其每槽的机械角度为α＝360°÷12＝30°。转子的轴向高度h=99mm。将转子分为3段，则每段磁钢的高度为33mm。每段16片磁钢N、S极交替且圆周均布粘贴在转子冲片内壁，三段磁钢以转子的圆心为中点把它叠起来，一侧边段相对于中间段向一方向旋转一个角度，这个角度θ_ss为：θ_ss＝θ_sk÷3=360°÷LCM(12,16)÷3＝2.5°，另一侧边段相对于中间段向另一方向旋转一个角度，即段与段之间的磁极位置的机械角度按2.5°旋转。该方式下能使磁势中心重合于基准磁钢段磁势中心，而且能有效削弱齿槽力矩，使电机平稳运行，电机性能佳，但在于定子装配时，尤其是霍尔感应器的安装方面存在不适应的问题，需要额外做适应性改变，如霍尔感应器安装位置的转移。

为此，本实用新型提出另一实施方式，所述基准磁钢段为磁场感应区所在的磁钢段。参照图4、5，I为基准磁钢段，其位于霍尔感应器正好在此段感应磁场，为了解决霍尔感应器安装位置问题，并与感应合成磁场位置一致。基准磁钢段设于转子端部，尤其是霍尔感应磁场的端部。而上一实施方式，是将I与II轴向对调。具体地，一台12槽16极的无刷电机定子冲片，其每槽的机械角度为α＝360°÷12＝30°。转子的轴向高度h=99mm。将转子分为3段，则每段磁钢的高度为33mm。每段16片磁钢N、S极交替且圆周均布粘贴在转子冲片内壁，三段磁钢以转子的圆心为中点把它叠起来， II段相对于I段向一方向旋转一个角度，III段相对于I段向另一方向旋转一个角度，这个角度θ_ss为：θ_ss＝θ_sk÷3=360°÷LCM(12,16)÷3＝2.5°，即段与段之间的磁极位置的机械角度旋转2.5°。

另外，每段磁钢段沿圆周交替均布有N极、S极。磁钢通过磁钢分割条3进行分段定位。其中，相邻N极与S极之间留有间隔距离。

本实用新型还提出一种永磁电机，其包括定子和上述永磁电机转子结构。图6示出了，将图4、5永磁电机转子结构装配于定子上。所述永磁电机转子结构作为外转子结构，所述电磁电机转子结构装配于所述定子外。本实用新型不限于外转子，也可扩展于作为内转子使用。

所述霍尔感应器5安装在定子铁芯4齿中心或槽中心，霍尔感应器也可圆周均布，根据齿槽配合关系而定。由于采用上述永磁电机转子结构，尤其是图4、5所示示例，定子霍尔端与转子I段磁钢对应，保持现有霍尔感应器在定子的安装位置不变，在低成本的基础下改进设计转子结构就能有效降低齿槽转矩，使电机平稳运行。

本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本实用新型的实施例只作为举例而并不限制本实用新型。本实用新型的目的已经完整有效地实现。本实用新型的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本实用新型的实施方式可以有任何变形或修改。

Claims (9)

1.一种永磁电机转子结构，包括转子冲片和贴附于转子冲片上的磁钢；所述磁钢为轴向分段式磁钢结构，所述磁钢至少被划分为三段；其特征在于，将某一段磁钢作为基准磁钢段，将其他磁钢段中偶数段相对该基准磁钢段对于同一极性的磁钢的截面位置错开一定角度，使得其他磁钢段合成的磁势中心与所述基准磁钢段磁势中心重合。

2.根据权利要求1所述的一种永磁电机转子结构，其特征在于，所述磁钢被划分为奇数段，且其他磁钢段均相对于基准磁钢段对于同一极性的磁钢的截面位置错开一定角度。

3.根据权利要求1所述的一种永磁电机转子结构，其特征在于，所述磁钢为三段式磁钢结构。

4.根据权利要求3所述的一种永磁电机转子结构，其特征在于，所述基准磁钢段为中间段，两侧的两段磁钢段相对该基准磁钢段对于同一极性的磁钢的截面位置错开一定角度，且错开方向相反。

5.根据权利要求1或3所述的一种永磁电机转子结构，其特征在于，所述基准磁钢段为磁场感应区所在的磁钢段。

6.根据权利要求1所述的一种永磁电机转子结构，其特征在于，每段磁钢沿圆周交替均布有N极、S极。

7.根据权利要求6所述的一种永磁电机转子结构，其特征在于，相邻N极与S极之间留有间隔距离。

8.一种永磁电机，包括定子，其特征在于，还包括上述权利要求1-7之一所述的电磁电机转子结构。

9.根据权利要求8所述的一种永磁电机，其特征在于，所述电磁电机转子结构装配于所述定子外。