一种大轴径内置式永磁电机的转子结构及其电机

1.本发明涉及永磁电机技术领域，特别是涉及一种大轴径内置式永磁电机的转子结构及其电机。


背景技术：

2.永磁同步电机的空载反电势是指在电枢绕组通电电流为零情况下，空载气隙磁通在电枢绕组中产生的感应电势。气隙均匀的永磁同步电机产生的空载反电势及气隙磁密均为近似平顶波，其波形畸变率高，气隙磁场含有大量的谐波。如果转子及永磁体结构设计不合理，会产生更大的谐波含量和转矩波动，导致电机产生额外的振动和噪声，降低电机的效率和使用寿命。
3.对于大轴径结构的内置式永磁电机，虽然可以使用常规的永磁体内置式“一字形”结构，但仍面临着空载反电势和气隙磁密为平顶波所具有的大量谐波的缺点。因此，提高空载反电势和气隙磁密正弦度，降低气隙磁密谐波含量，对降低内置式永磁电机齿槽转矩，减少电机产生的振动和噪声，提高电机效率具有重要意义。
4.公开号为cn 105529852 b的说明书公开了一种内置式永磁电机转子结构，其包括转子冲片和设置于所述转子冲片内部的用于放置磁体的多个磁槽，定义所述转子结构的一对极下两个磁极极弧角度分别为第一极弧角度α和第二极弧角度θ，第一极弧角度α被其所在的磁极中心线分为α1和α2，第二极弧角度θ被其所在的磁极中心线分为θ1和θ2，并且一对极下，至少有一极满足：θ1≠θ2或者α1≠α2，其中一对极是相邻两磁槽中的磁体形成的对极。该内置式永磁电机转子结构增大了转子径向厚度，不适用于大轴径的工况。
5.公开号为cn 105529852 b的说明书公开了一种永磁电机转子结构，其包括转子铁心，转子铁心的外边缘由2p个相同的曲面沿转子铁心的圆周方向连接而成，曲面由多段圆弧部或多段圆弧部和多段线段部沿转子铁心的圆周方向并以对称方式依次连接而成；其中，p为大于或等于1的正整数。该转子中永磁体的结构仍为“一字形”，故永磁体产生的磁势波形没有发生变化，同时，该转子结构也增大了转子径向厚度，不适用于大轴径的工况。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供了提供一种大轴径内置式永磁电机的转子结构，能够提高空载反电势和气隙磁密波形的正弦度，降低气隙磁密谐波，降低齿槽转矩，从而降低电机产生的振动和噪声。
7.一种大轴径内置式永磁电机的转子结构，包括转子铁心；所述转子铁心沿圆周方向均匀开设2p个半梭形的磁钢槽，其中p为极对数；所述磁钢槽圆弧面为半梭形的圆弧边，所述半梭形的圆弧边以近圆弧方向且距转子铁心的圆心h的点为圆心，以长度r1为半径，所述磁钢槽底面为所述半梭形的直边；
8.所述磁钢槽的内部固定有半梭形永磁体，所述半梭形永磁体的圆弧面与磁钢槽圆弧面的圆心位置相同且半径相等；所述转子铁心外表面为与所述磁钢槽圆弧面平行的偏心
圆弧，所述偏心圆弧的半径长度为r2。
9.所述磁钢槽的宽度为半梭形的直边长度α
r
π/p，其中α
r
为磁钢槽圆弧面的弧长与极距的比值。
10.优选地，磁钢槽圆弧面的弧长与极距的比值α
r
满足0.85≤α
r
≤0.99。
11.所述半梭形永磁体的宽度为α
p
α
r
π/p，其中α
p
为半梭形永磁体的圆弧面极弧长度与磁钢槽的圆弧面极弧长度的比值，α
p
满足0.70≤α
p
≤0.90。由于α
p
小于1，半梭形永磁体固定在磁钢槽的中间处，磁钢槽的两端留有对称的空隙部分。
12.所述转子铁心包括2p个与半梭形永磁体对应的极靴，所述极靴包覆半梭形永磁体的圆弧面，厚度为h
m
，同一个转子铁心中所述h
m
相等，h
m
＝r2‑
r1。所述极靴均匀厚度，防止半梭形永磁体在高速运转下受离心力作用而损坏。
13.所述转子铁心还包含与所述极靴两端相连接的隔磁桥，所述隔磁桥包裹所述磁钢槽的空隙处的外表面。
14.优选地，所述隔磁桥的外弧面与对应的转子铁心外表面的圆心位置相同且半径相等；所述隔磁桥的内弧面与对应的半梭形永磁体的圆弧面圆心位置相同且半径相等。所述隔磁桥的外表面为弧形，能有效削弱极间的漏磁。
15.优选地，所述隔磁桥与极靴的厚度相同。
16.所述转子铁心的轴心处设有轴孔，轴孔的尺寸适用于大直径内置轴的工况。
17.所述半梭形永磁体包括径向充磁、平行充磁、普通型磁极排列或交替极排列。所述半梭形永磁体既适用于三相电机也适用于多相电机。
18.本发明还提供了所述的大轴径内置式永磁电机的转子结构组成的电机，该电机的转子结构紧凑，运行时噪声低且振动小。
19.一种电机，包括转子，所述的转子采用上述大轴径内置式永磁电机的转子结构。
20.本发明提供的一种大轴径内置式永磁电机的转子结构及其电机具有如下有益效果：
21.1.半梭形永磁体的圆弧面与转子铁心外表面平行，半梭形永磁体产生正弦波磁势时，磁路中的磁导也同时产生正弦变化，故使产生的磁通密度波形正弦度提高，提升了空载反电势正弦度，进而降低转矩脉动、谐波，在不损失电机性能下，降低电机产生的振动和噪声。
22.2.在电机运转时，大轴径内置式永磁电机的转子结构能有效保降低永磁体与外部区域接触面积，减少浸蚀，提高电机的寿命。
23.3.所述大轴径内置式永磁电机的转子结构，减小了转子铁心的径向厚度，提升了转子结构的空间利用率。
附图说明
24.图1是本发明实施例大轴径内置式永磁电机的转子结构示意图；
25.图2是采用本发明实施例转子结构的电机剖面示意图；
26.图3是图2所示的一对极的电机结构示意图；
27.图4是图1所示的一对极的转子结构示意图；
28.图5是作为采用本发明实施例转子结构的电机对比例的普通大轴径内置式“一字
形”永磁电机的结构示意图；
29.图6是采用本发明实施例转子结构的电机和普通大轴径内置式“一字形”永磁电机的空载反电势波形图；
30.图7是采用本发明实施例转子结构的电机和普通大轴径内置式“一字形”永磁电机的气隙磁密波形图；
31.图8是采用本发明实施例转子结构的电机和普通大轴径内置式“一字形”永磁电机的傅里叶分解图。
具体实施方式
32.如图1、4所示，大轴径内置式永磁电机的转子结构，包括转子铁心1；转子铁心1的内部沿圆周方向均布16(p＝8)个半梭形的磁钢槽3，磁钢槽圆弧面6为半梭形的圆弧边，半梭形的圆弧边以近圆弧方向且距转子铁心1的圆心为h的点为圆心，以长度r1为半径，磁钢槽底面7为半梭形的直边。
33.磁钢槽3的内部固定有半梭形永磁体2，半梭形永磁体2的圆弧面与磁钢槽圆弧面6的圆心位置相同且半径相等；转子铁心外表面5为与磁钢槽圆弧面6平行的偏心圆弧，偏心圆弧与磁钢槽圆弧面6同心且半径长度为r2。转子铁心1包括16个与半梭形永磁体2对应的极靴9。
34.磁钢槽3的宽度为半梭形的直边长度α
r
π/p，其中α
r
为磁钢槽圆弧面6的弧长与极距的比值，α
r
满足0.85≤α
r
≤0.99。
35.半梭形永磁体2的宽度为α
p
α
r
π/p，其中α
p
为半梭形永磁体2的圆弧面极弧长度与磁钢槽3的圆弧面极弧长度的比值，α
p
满足0.70≤α
p
≤0.90。由于α
p
小于1，半梭形永磁体2固定在磁钢槽3的中间处，磁钢槽3的两端留有对称的空隙部分。
36.如图2、3所示，大轴径内置式永磁电机，包括转子和定子；转子为本发明实施例转子结构，定子由定子铁芯10和定子槽11组成，其中定子槽11内放置绕组，本实例采用双层叠绕组结构；定子上分布有96个槽，转子上设有16个半梭形永磁体2，所以本实施提供电机极槽配比为96槽16极电机。.
37.如图3所示，上述大轴径内置式永磁电机的一对极结构，一对极对应的定子铁芯10上均布有12个定子槽11，定子齿采用平行齿结构。
38.如图4所示为本发明实施例转子结构的一对极转子部分中极靴9包覆半梭形永磁体2的圆弧面，厚度为h
m
，h
m
＝r2‑
r1。极靴9均匀厚度，防止永磁体在高速运转下受离心力作用而损坏。
39.转子铁心1还包含与极靴9两端相连接的隔磁桥8，隔磁桥8包裹磁钢槽3的空隙处的外表面。
40.隔磁桥8与极靴9的厚度相同，隔磁桥8的外弧面与对应的转子铁心外表面5的圆心位置相同且半径相等；隔磁桥8的内弧面与对应的半梭形永磁体2的圆弧面圆心位置相同且半径相等。隔磁桥8的外表面为弧形，能有效削弱极间的漏磁。
41.转子铁心1的轴心处设有轴孔4，轴孔4的尺寸适用于内置轴为大直径的结构。
42.半梭形永磁体2包括径向充磁、平行充磁、普通型(n
‑
s)磁极排列或交替极(n
‑
n或s
‑
s)排列。半梭形永磁体2既适用于三相电机也适用于多相电机。
43.如图5所示为普通大轴径内置式“一字形”永磁电机，其作为本发明实施例电机的对比例。该大轴径内置式“一字形”永磁电机同样采用96槽16极拓扑结构，区别在于转子的结构不同，其他结构参数和安装方式均相同。
44.如图6所示，本发明实施例电机与普通大轴径内置式“一字形”永磁电机的空载反电势波形对比。该波形图横轴为时间，纵轴为a相相反电势的值。通过波形图可以看出普通大轴径内置式“一字形”永磁电机的空载反电势波形近似平顶波，而本发明实施例电机的空载反电势波形正弦度高。
45.如图7所示，为以上两电机的气隙磁密波形对比，该波形图横轴为气隙中空间位置，纵轴为气隙磁密的值，可以看出普通大轴径内置式“一字形”永磁电机的气隙磁密波形为近似平顶波，且顶部锯齿较多，谐波含量大，波形畸变率较高，为16.51％；本发明实施例电机的气隙磁密波形近似正弦波，正弦度大大提高，谐波畸变率为3.02％。
46.如图8所示，为以上两电机的气隙磁密的傅里叶分解图对比，该傅里叶分解图横轴为傅里叶分解的波形阶次数，只有奇数次谐波，纵轴为气隙磁密的值。本发明实施例电机的气隙磁密基波幅值比普通大轴径内置式“一字形”永磁电机的值高，而且其他各阶次谐波均比普通大轴径内置式“一字形”永磁电机的谐波少的多。可知本发明实施例电机的转子结构能够有效地减少大量气隙磁密高次谐波。
47.如图6
‑
8所示，本发明实施例电机与普通大轴径内置式“一字形”永磁电机相比，本发明实施例电机有效优化空载反电势可气隙磁密波形质量，提高正弦度，降低谐波含量，从而提高电机效率，降低永磁电机产生的振动和噪声。同时本发明实施例转子结构在电机运转时，在离心力作用下能够有效保护转子铁心内的永磁体，有效降低永磁体与外部区域接触面积，减少浸蚀，提高电机的寿命。