CN211629946U - 内置式转子及电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种内置式转子及电机，所述电机包括转子铁芯，所述转子铁芯包括多个磁极部；每一所述磁极部的横截面的外周形成依次相连的第一线段、第二线段以及第三线段；所述第二线段为轴对称的弧线，且所述弧线的对称轴与所述磁极部的径向对称轴重合；所述第二线段的两端的端点至所述转子铁芯的中心轴的距离小于所述第二线段的中央至所述转子铁芯的中心轴的距离，且所述第二线段的两端的端点至所述转子铁芯的中心轴的距离大于所述第一线段和第三线段上的任一点至所述转子铁芯的中心轴的距离。本实用新型实施例通过优化转子铁芯的外圆形状，可减小气隙磁密谐波损耗，降低运行铁耗和转矩波动，有效减小电磁振动噪音。

Description

内置式转子及电机

技术领域

本实用新型涉及电力电子设备领域，更具体地说，涉及一种内置式转子及电机。

背景技术

电机是一种依据电池感应定律实现电能转换或传递的电磁装置，其主要的作用是通过产生驱动转矩，作为动力源驱动用电器或各种机械设备进行工作。电机一般由定子、转子和其它附件组成；不同类型的电机，具体的组成部分会稍有不同。

永磁电机是一种通过在其转子设置永磁体并由永磁体励磁产生旋转磁场的电机。随着电机技术的发展和永磁材料性能的不断提高，且采用内置式转子的永磁电机具有的抗退磁能力更强、弱磁调速范围更宽和磁钢利用率更高等诸多优点，从而使永磁电机在各行各业中得到了更为广泛的应用。

如图1所示，是现有永磁电机的内部结构示意图，目前永磁电机的内置式转子11的横截面的外圆111的形状呈圆形、定子12的横截面的内圆121的形状呈圆形，且由于内置式转子11和定子12同轴，因此现有永磁电机的内置式转子11 的外圆与定子12的内圆之间的气隙(即间隙)均匀相等。

但是，现有采用均匀气隙结构的永磁电机的气隙磁密高，特别是在磁钢(即永磁体)极弧系数较大时，气隙磁密的谐波含量大，从而会大大增加谐波的损耗；并且，在内置式转子11高速运行时，铁耗高，使得内部温升提高，且转矩波动大，增大电磁振动噪音，降低使用的实用性。

实用新型内容

本实用新型实施例针对上述现有采用均匀气隙结构的永磁电机的气隙磁密高、气隙磁密的谐波含量大、谐波损耗增加以及铁耗高、转矩波动大的问题，提供一种内置式转子及电机。

本实用新型实施例解决上述技术问题的技术方案是，

提供一种内置式转子，包括转子铁芯，所述转子铁芯包括多个磁极部，且所述多个磁极部沿所述转子铁芯的中心轴的周向均匀分布；其特征在于，每一所述磁极部的横截面的外周形成依次相连的第一线段、第二线段以及第三线段，且所述第一线段和第三线段的长度均小于所述第二线段的长度；所述第二线段为轴对称的弧线，且所述弧线的对称轴与所述磁极部的径向对称轴重合；所述第二线段的两端的端点至所述转子铁芯的中心轴的距离小于所述第二线段的中央至所述转子铁芯的中心轴的距离。

优选地，每一所述磁极部包括两个分别装设有永磁体的磁钢槽，所述两个磁钢槽沿所述磁极部的径向对称轴对称；在每一所述磁极部中，所述两个磁钢槽的极弧系数为0.8-0.9，所述两个永磁体的极弧系数与所述两个磁钢槽的极弧系数之比为0.7-0.86。

优选地，所述两个磁钢槽位于同一直线上；

或者，每一所述磁极部的两个磁钢槽沿所述磁极部的径向对称轴呈V形或 U形设置；

或者，每一所述磁极部的两个磁钢槽沿所述磁极部的径向设置，且所述磁极部与每一侧相邻的磁极部共用一个磁钢槽。

优选地，每一所述磁极部包括一个装设有永磁体的磁钢槽，所述磁钢槽沿所述磁极部的径向对称轴对称；每一所述磁极部中，所述磁钢槽的极弧系数为 0.8-0.9，所述永磁体的极弧系数与所述磁钢槽的极弧系数之比为0.7-0.86。

优选地，其特征在于，所述第二线段为圆弧，所述圆弧的圆心位于所述第二线段的对称轴上，且所述圆弧上的点至所述圆弧的圆心的距离小于所述圆弧上的点至所述转子铁芯的中心轴的距离，所述圆心与所述转子铁芯中心轴的距离与所述转子铁芯的外周的半径之比为0.1～0.3。

优选地，所述第一线段和第三线段分别为对称的直线段，且所述第二线段的两端的端点至所述转子铁芯的中心轴的距离大于或等于所述第一线段和第三线段上的任一点至所述转子铁芯的中心轴的距离,以及所述第二线段的极弧系数大于0.83并小于1。

本实用新型实施例还提供一种电机，包括定子，所述电机还包括如上任一项所述的内置式转子。

优选地，所述定子的内圆的直径与所述定子的外圆的直径之比为0.6-0.65。

优选地，所述定子的定子轭的厚度与所述定子的内圆的直径之比大于0.1。

优选地，所述内置式转子包括六个磁极部，所述定子包括三十六个定子槽，所述第二线段的两端的端点与所述内置式转子的中心轴的连线之间的夹角为 50-55度。

本实用新型实施例的内置式转子及电机具有以下有益效果：通过设置第一线段、第二线段和第三线段，优化内置式转子的外圆形状，可将气隙磁密基波幅值和气密谐波含量控制在合理范围之内，从而减小气隙磁密谐波损耗和电磁激振力，降低转矩波动，削弱电磁振动噪音，并且还能够降低运行铁耗，防止内部温升提高。

附图说明

图1是现有的内置式转子的内部结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的内置式转子的结构示意图；

图3是本实用新型实施例提供的电机的气隙磁密分布调制的原理图，其中：图(a)为永磁体磁势分布图；图(b)为气隙磁导分布图；图(c)为气隙磁密分布图；

图4是本实用新型第二实施例提供的内置式转子的结构示意图；

图5是本实用新型第三实施例提供的内置式转子的结构示意图。

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2所示，是本实用新型实施例提供的内置式转子的结构示意图，该内置式转子可应用于永磁电机中。本实施例中的内置式转子包括转子铁芯1，该转子铁芯1具体可包括多个硅钢片，并由多个硅钢片相互贴合叠加构成转子铁芯1的主体部分。

具体地，转子铁芯1具有多个磁极部11，且多个磁极部11沿转子铁芯1的中心轴的周向均匀分布，保证转子铁芯1的结构均匀合理，避免因结构不合理增大电机转矩波动。当然，在实际应用中，转子铁芯1的磁极部11的数量可根据实际情况进行调整。

上述每一磁极部11的横截面的外周形成依次相连的第一线段111、第二线段112以及第三线段113，且第一线段111和第三线段113的长度均小于第二线段 112的长度，由此对每一磁极部11的外周形状进行优化。优选地，第二线段112 为轴对称的弧线，且该弧线的对称轴与磁极部11的径向对称轴重合，即能够使得每一磁极部11的外周形状呈中间对称，以在进行磁极部11的外周形状优化的同时提高结构的合理性，确保转子铁芯1的周向受力均匀。

进一步地，上述第二线段112的两端的端点至转子铁芯1的中心轴的距离小于第二线段112的中央至转子铁芯1的中心轴的距离。另外，第二线段112的两端的端点至转子铁芯1的中心轴的距离大于第一线段111和第三线段113上的任一点至转子铁芯1的中心轴的距离，从而使第一线段111、第二线段112和第三线段113不处于同一个圆的外周的圆弧线上，也就是是使转子铁芯1(即每一磁极部11)的外周到定子2的距离不均匀，进而优化电机的气隙(即转子铁芯11 与定子2之间的间隙)，使电机的定子与转子之间具有不等物理气隙(该预设方式不包括均匀设置)，有利于减小气隙磁密。

高频电磁噪音主要由开关频率谐波电流产生的磁场与转子铁芯中各个磁极部11产生的磁场相互作用产生的零阶电磁激振力产生，其计算公式为：

其中，

为h次高频谐波电流产生的主磁场，其大小与谐波电流大小有关；F_h为h磁谐波电流产生的主磁场磁势幅值，Λ₀为气隙主磁导直流分量；

为磁极部11产生的主磁场，对应气隙磁密和气隙磁密谐波，F_μ为永磁体产生的气隙主磁场磁势幅值。由高频电磁激振力计算公式(1)可知，若气隙磁密及谐波含量减小，则高频电磁激振力越小，从而降低高频电磁噪音。上述内置式转子通过设置第一线段111、第二线段112和第三线段113有效优化内置式转子的外圆形状，可将气隙磁密基波幅值和气密谐波含量控制在合理范围之内，从而减小气隙磁密谐波损耗和电磁激振力，降低转矩波动，削弱电磁振动噪音，并且还能够降低运行铁耗，防止内部温升提高。

上述第二线段112具体可以为圆弧，该圆弧的圆心位于第二线段112的对称轴上，且圆弧上的点至圆弧的圆心的距离小于圆弧上的点至转子铁芯1的中心轴的距离，即第二线段112与定子2的内圆之间的间隙由第二线段112的两端朝向中间逐渐减小，以在优化转子铁芯1的外圆形状的同时使得结构设计更加合理，提高每一磁极部11的对称性。优选地，上述圆弧的圆心与转子铁芯1的中心轴的距离P与转子铁芯1的外周的半径R之比为0.1～0.3。当然，具体参数可根据实际情况进行调整。进一步地，第一线段111和第三线段113分别为相等的直线段，便于进行磁极部11的对称设计，降低加工难度且能够使转子铁芯1的整体结构更加平衡均匀；具体地，第一线段111和第三线段113可以以第二线段112 的对称轴对称设置。并且，在实际应用中，第一线段111和第三线段113也可设置为对称且相等的两段弧线段。

另外，第二线段112的极弧系数，即第二线段112的极弧宽度(机械角度) 与其所属的磁极部11的极弧宽度之比，大于0.83并小于1，使第二线段112的长度远大于第一线段111和第三线段113的长度，同时使每一磁极部11的外周与定子2之间的间隙(气隙)可由两端朝中间减小，进一步优化转子铁芯1的外圆结构。

在实际应用中，第二线段112也可由两段圆弧左右相连构成，并使相连的两段圆弧以第二线段112的对称轴对称，具体可根据实际情况和设计需求进行调整。

结合图3所示，由于电机气隙磁密分布由永磁体磁势分布与气隙磁导分布作用形成，且通过以偏心圆弧和两段直线形成不等物理(不均匀)气隙，可使得电机的气隙磁导近似正弦分布，永磁体磁势呈矩形分布，气隙磁密分布为永磁体磁势和气隙磁导乘积。由此，气隙磁密通过气隙磁导的调制作用，更接近正弦分布，从而能够有效降低气隙磁密的谐波损耗。

上述每一磁极部11包括两个分别装设有永磁体12(例如磁钢)的磁钢槽 114，两个磁钢槽114沿磁极部11的径向对称轴对称，且两个磁钢槽114内的永磁体12所产生的磁场沿磁极部11的径向对称轴对称分布，提高结构稳定性，避免增大电磁振动噪音。并且，采用分段结构设计(即设置两个磁钢槽114)，可在磁钢槽114间形成磁桥，由磁桥进行分段，不仅降低了永磁体12的涡流损耗，降低永磁体12的退磁风险，还能有效提高转子铁芯1的强度。

在本实用新型的一个实施例中，每一磁极部11的两个磁钢槽114位于同一直线上，可有效增大磁钢槽114的极弧系数。(磁钢槽114的极弧系数为磁钢槽 114的极弧宽度(机械角度)与内置式转子的每极机械角度之比，其中每极机械角度为360°/2P，P为极对数，极对数具体为磁极部11的数量)。

特别地，在每一磁极部11中，磁钢槽114的极弧系数为0.8-0.9，永磁体12 的极弧系数与磁钢槽114的极弧系数之比为0.7-0.86，即是将永磁体12的极弧系数控制在合理范围内，对应磁极部11的外周形状结构设计。由于电机气隙磁密分布由永磁体磁势分布与气隙磁导分布作用形成，而气隙磁密包括永磁体磁势和电枢反应磁势，且永磁体磁势与永磁体12的极弧宽度(极弧系数)有关，因此通过优化永磁体12的极弧系数可改善电机的气隙磁密分布。

结合图4所示，在本实用新型的第二实施例中，每一磁极部11的两个磁钢槽115沿磁极部11的径向对称轴呈V形或U形设置，具体分布形状可根据实际情况确定。

结合图5所示，在本实用新型的第三实施例中，每一磁极部11的两个磁钢槽116沿磁极部11的径向设置，且磁极部11与每一侧相邻的磁极部11共用一个磁钢槽116。

此外，本实用新型实施例还提供一种电机，包括定子2，且电机还包括上述的内置式转子。在上述电机中，电机的气隙不均匀，即上述内置式转子的转子铁芯1的外圆与定子2的内圆之间的间隙不均匀，且转子铁芯1的每一磁极部 11与转子2的内圆之间的间隙由每一磁极部11的外周两端朝中间减小。上述结构方式可有效降低电机的气隙磁密，减小气隙磁密的谐波损耗，提高抗退磁能力。

上述定子2的内圆的直径与定子2的外圆的直径之比为0.6-0.65，且定子2的定子轭21的厚度与定子2的内圆的直径之比大于0.1，由此对定子2进行结构优化，使定子2的定子轭21的厚度在合理范围之内，且通过增加定子2的定子轭21 的厚度，可有效降低开关频率引起的高频噪音。

由于零阶高频电磁力产生的径向位移为：

其中Ry为定子轭21平均半径，R为定子外径，F_0ω为高频电磁力幅值，E为杨氏模量，hsy为定子轭21的厚度。

对应高频电磁力产生的噪音声功率为：

W＝0.5ρ₀cSσ_m(2πfY_0ω)² (3)

声功率级为：

即若定子轭21的厚度增加50％，则高频电磁力产生的声功率将可降低3.5 分贝。

h_sy2＝1.5h_sy1 (5)

电机铁耗为：

电机铁耗与磁密的平方成正比，因此在降低气隙磁密和谐波含量的同时，提高定子轭21的厚度，可降低定子齿部和轭部的磁密，从而能够减小电机铁耗，提高能效水平，降低温升。

特别地，上述电机为整数槽(即每极每相槽数为整数，例如6极36槽，为6 个磁极部和36个定子槽)交流永磁同步电机，且内置式转子包括六个磁极部11，定子2包括三十六个定子槽22。当然，电机的磁极部11和定子槽22的数量可根据实际情况调整。

进一步地，上述第二线段112的两端的端点与内置式转子的中心轴的连线之间的夹角为50-55度，由此优化电机的气隙，可提高内置式转子的防漏磁效果。

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)

1.一种内置式转子，包括转子铁芯，所述转子铁芯包括多个磁极部，且所述多个磁极部沿所述转子铁芯的中心轴的周向均匀分布；其特征在于，每一所述磁极部的横截面的外周形成依次相连的第一线段、第二线段以及第三线段，且所述第一线段和第三线段的长度均小于所述第二线段的长度；所述第二线段为轴对称的弧线，且所述弧线的对称轴与所述磁极部的径向对称轴重合；所述第二线段的两端的端点至所述转子铁芯的中心轴的距离小于所述第二线段的中央至所述转子铁芯的中心轴的距离。

2.根据权利要求1所述的内置式转子，其特征在于，每一所述磁极部包括两个分别装设有永磁体的磁钢槽，所述两个磁钢槽沿所述磁极部的径向对称轴对称；在每一所述磁极部中，所述两个磁钢槽的极弧系数为0.8-0.9，所述两个永磁体的极弧系数与所述两个磁钢槽的极弧系数之比为0.7-0.86。

3.根据权利要求2所述的内置式转子，其特征在于，

所述两个磁钢槽位于同一直线上；

或者，每一所述磁极部的两个磁钢槽沿所述磁极部的径向对称轴呈V形或U形设置；

或者，每一所述磁极部的两个磁钢槽沿所述磁极部的径向设置，且所述磁极部与每一侧相邻的磁极部共用一个磁钢槽。

4.根据权利要求1所述的内置式转子，其特征在于，每一所述磁极部包括一个装设有永磁体的磁钢槽，所述磁钢槽沿所述磁极部的径向对称轴对称；每一所述磁极部中，所述磁钢槽的极弧系数为0.8-0.9，所述永磁体的极弧系数与所述磁钢槽的极弧系数之比为0.7-0.86。

5.根据权利要求2或4所述的内置式转子，其特征在于，所述第二线段为圆弧，所述圆弧的圆心位于所述第二线段的对称轴上，且所述圆弧上的点至所述圆弧的圆心的距离小于所述圆弧上的点至所述转子铁芯的中心轴的距离，所述圆心与所述转子铁芯中心轴的距离与所述转子铁芯的外周的半径之比为0.1～0.3。

6.根据权利要求2或4所述的内置式转子，其特征在于，所述第一线段和第三线段分别为对称的直线段，且所述第二线段的两端的端点至所述转子铁芯的中心轴的距离大于或等于所述第一线段和第三线段上的任一点至所述转子铁芯的中心轴的距离,以及所述第二线段的极弧系数大于0.83并小于1。

7.一种电机，包括定子，其特征在于，所述电机还包括如权利要求1-6中任一项所述的内置式转子。

8.根据权利要求7所述的电机，其特征在于，所述定子的内圆的直径与所述定子的外圆的直径之比为0.6-0.65。

9.根据权利要求7所述的电机，其特征在于，所述定子的定子轭的厚度与所述定子的内圆的直径之比大于0.1。

10.根据权利要求7所述的电机，其特征在于，所述内置式转子包括六个磁极部，所述定子包括三十六个定子槽，所述第二线段的两端的端点与所述内置式转子的中心轴的连线之间的夹角为50-55度。

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