切向電機、切向電機轉子及其轉子鐵芯的製作方法

2023-12-01 00:47:36

本發明涉及電機設備技術領域，特別涉及一種切向電機、切向電機轉子及其轉子鐵芯。

背景技術：

由於切向永磁同步電機具有「聚磁」的效果，與徑向永磁同步電機相比，能產生更高的氣隙磁密，使得電機具有體積小，重量輕，轉矩大，功率密度大，電機效率高及動態性能好等優點，越來越多地被應用於伺服系統、電力牽引等工業領域及家電行業。

目前，切向永磁同步電機的氣隙磁密及反電勢含有各類空間諧波，由於切向永磁同步電機的定子上開槽，使得磁路磁導不均勻，氣隙磁密、反電勢含有各類空間諧波，且諧波佔比大，各類諧波相互作用產生低階力波，加大電機的振動噪聲。波形正弦度較差，波形畸變率高，使得電機的振動及噪聲較大，由於切向永磁電機的永磁體為並聯磁路結構，容易導致永磁體工作點較低，惡劣工況下永磁體容易退磁，限制了電機的應用推廣。並且，轉子鐵芯由轉子衝片組成，其上的隔磁孔容易導致機械強度不高下降。。

因此，如何提高機械強度，降低電機的振動噪音，是本技術領域人員亟待解決的問題。

技術實現要素：

有鑑於此，本發明提供了一種轉子鐵芯，以提高機械強度，降低電機的振動噪音。本發明還提供了一種具有上述轉子鐵芯的切向電機轉子及切向電機。

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：

一種轉子鐵芯，包括轉子本體及設置於所述轉子本體上的永磁體槽，相鄰兩個所述永磁體槽之間的轉子磁極上設置有用於固定轉子衝片的固定孔及隔磁孔；所述隔磁孔位於所述固定孔沿所述轉子本體徑向方向的外側，所述隔磁孔的寬度沿所述轉子本體的外側向其圓心方向逐漸增加。

優選地，上述轉子鐵芯中，所述固定孔及所述隔磁孔均位於所述永磁體槽的磁極中心線上。

優選地，上述轉子鐵芯中，所述隔磁孔靠近所述轉子本體外側的外側孔壁為與所述轉子本體同心設置的弧形面；

所述隔磁孔的外側孔壁到所述轉子本體外壁之間形成第一隔磁橋，所述第一隔磁橋的寬度為c，所述轉子鐵芯用於與定子配合的氣隙長度為d；

2.4≥c/d≥0.4。

優選地，上述轉子鐵芯中，1.5≥c/d≥0.7。

優選地，上述轉子鐵芯中，所述隔磁孔為軸對稱結構，其對稱軸線的延伸線經過所述轉子本體的圓心。

優選地，上述轉子鐵芯中，所述隔磁孔的外側孔壁的寬度為a，所述轉子鐵芯的單個磁極所佔角度為b；

0.15≥a/b≥0.02。

優選地，上述轉子鐵芯中，所述隔磁孔的內側孔壁的兩端點g分別與所述轉子本體圓心連線形成的夾角為e；

60°≥e≥40°。

優選地，上述轉子鐵芯中，所述隔磁孔沿所述轉子本體的徑向的長度為f，所述轉子本體的半徑為r；

0.4≥f/r≥0.1。

優選地，上述轉子鐵芯中，所述隔磁孔與所述固定孔之間實體部分的最小距離大於1.5mm；

和/或，所述隔磁孔與所述永磁體槽之間實體部分的最小距離大於1.5mm。

優選地，上述轉子鐵芯中，所述隔磁孔的靠近所述轉子本體圓心的內側孔壁上具有朝向所述轉子本體的外側凸起的凸起部。

優選地，上述轉子鐵芯中，所述凸起部的頂點與所述永磁體槽的中心線相交於交點m，所述交點m到所述隔磁孔的外側孔壁的距離為h，所述隔磁孔沿所述轉子本體的徑向的長度為f；

0.5≥h/f≥0.3。

優選地，上述轉子鐵芯中，所述隔磁孔的靠近所述轉子本體圓心的內側孔壁上具有背向所述轉子本體的外側下凹的凹槽部。

優選地，上述轉子鐵芯中，所述凹槽部為尖角凹槽或圓弧凹槽；

所述凹槽部的頂點與所述永磁體槽的中心線相交於交點m，所述交點m到所述隔磁孔的遠離所述轉子本體圓心的外側孔壁的距離為h，所述隔磁孔去除尖角凹槽的部分沿所述轉子本體的徑向的長度為f；

1.4≥h/f＞1。

優選地，上述轉子鐵芯中，所述隔磁孔的靠近所述轉子本體圓心的內側孔壁為平面。

優選地，上述轉子鐵芯中，所述永磁體槽具有朝向所述轉子本體外側設置的開口，所述開口的寬度大於所述永磁體槽的寬度的一半。

優選地，上述轉子鐵芯中，所述隔磁孔的最大寬度為其最小寬度2倍以上；

和/或，所述隔磁孔的最大寬度為所述固定孔直徑的1.5倍以上。

本發明還提供了一種切向電機轉子，包括轉子鐵芯及設置於其永磁體槽內的切向磁化永磁體，所述轉子鐵芯為如上述任一項所述的轉子鐵芯。

優選地，上述切向電機轉子中，所述切向磁化永磁體靠近所述轉子鐵芯外側的寬度大於其靠近所述轉子鐵芯圓心的寬度。

本發明還提供了一種切向電機，包括切向電機轉子及定子，所述切向電機轉子為如上述任一項所述的切向電機轉子。

優選地，上述切向電機中，所述定子上具有定子槽及朝向所述切向電機轉子與所述定子的氣隙的槽口，所述槽口的寬度為k，所述隔磁孔的外側孔壁的寬度為a；

1.2≥a/k≥0.8。

從上述的技術方案可以看出，本發明提供的轉子鐵芯，通過在轉子磁極上設置有固定孔及隔磁孔；隔磁孔位於固定孔沿轉子本體徑向方向的外側，通過設置固定孔，通過在固定孔內設置有固定件，有效提高了轉子的機械強度；並且，隔磁孔的寬度沿轉子本體的外側向其圓心方向逐漸增加，有效起到了改善轉子磁極的磁通走向，使得氣隙磁密、反電勢波形正弦度提高，降低諧波佔比及諧波損耗的作用，降低電機的振動噪音，提高了電機效率。

本發明還提供了一種具有上述轉子鐵芯的切向電機轉子及切向電機。由於上述轉子鐵芯具有上述技術效果，具有上述轉子鐵芯的切向電機轉子及切向電機也應具有同樣的技術效果，在此不再一一累述。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明實施例提供的切向電機的結構示意圖；

圖2為本發明實施例提供的切向電機轉子的第一種結構示意圖；

圖3為本發明實施例提供的切向電機轉子的第二種結構示意圖；

圖4為本發明實施例提供的切向電機轉子的第三種結構示意圖；

圖5為本發明實施例提供的切向電機轉子的第四種結構示意圖；

圖6為本發明實施例提供的定子的結構示意圖；

圖7為本發明實施例提供的切向電機的反電勢諧波佔比與c/d的關係示意圖；

圖8為本發明實施例提供的切向電機的反電勢諧波佔比及空載磁鏈與e的關係圖；

圖9為本發明實施例提供的切向電機的轉矩脈衝係數與a/k的關係圖。

具體實施方式

本發明公開了一種轉子鐵芯，以提高機械強度，降低電機的振動噪音。本發明還提供了一種具有上述轉子鐵芯的切向電機轉子及切向電機。

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

請參考圖1和圖2，本發明實施例提供了一種轉子鐵芯，包括轉子本體1及設置於轉子本體1上的永磁體槽2，相鄰兩個永磁體槽2之間的轉子磁極上設置有用於固定轉子衝片的固定孔11及隔磁孔12；隔磁孔12位於固定孔11沿轉子本體1徑向方向的外側，隔磁孔12的寬度沿轉子本體1的外側向其圓心方向逐漸增加。

本發明實施例提供的轉子鐵芯，通過在轉子磁極上設置有固定孔11及隔磁孔12；隔磁孔12位於固定孔11沿轉子本體1徑向方向的外側，通過設置固定孔11，通過在固定孔11內設置有固定件，有效提高了轉子的機械強度；並且，隔磁孔12的寬度沿轉子本體1的外側向其圓心方向逐漸增加，有效起到了改善轉子磁極的磁通走向，使得氣隙磁密、反電勢波形正弦度提高，降低諧波佔比及諧波損耗的作用，降低電機的振動噪音，提高了電機效率。

可以理解的是，兩個隔磁孔12之間的磁極實體部分的寬度為其沿垂直於轉子本體1的徑向方向的兩側之間的距離。隔磁孔12的寬度為其沿垂直於轉子本體1的徑向方向的兩端孔壁之間的距離。其中，固定孔11內設置有固定件。當固定孔11為鉚釘孔時，固定件即為鉚釘；當固定孔11為螺釘孔時，螺釘孔中插入連接轉子衝片的結構加強杆。也可以將固定孔11設置為其他類型的孔，如螺紋孔、稜柱孔或橢圓孔等。

優選地，固定孔11及隔磁孔12均位於永磁體槽2的磁極中心線上。通過上述設置，使得電機磁路結構更加對稱。

優選地，隔磁孔11靠近轉子本體1外側的外側孔壁為與轉子本體1同心設置的弧形面；這就使得隔磁孔的外側孔壁與轉子本體的外壁相互平行。隔磁孔12的外側孔壁到轉子本體1外壁之間形成第一隔磁橋，第一隔磁橋的寬度為c，轉子鐵芯用於與定子配合的氣隙長度為d。通過仿真研究發現，第一隔磁橋的寬度c與氣隙長度d的比值對反電勢諧波佔比有較大影響。如圖7所示，將第一隔磁橋的寬度c與氣隙長度d的比值c/d≥0.4時，限制了一小部分磁通通過該隔磁橋傳遞，改善了氣隙磁場分布，降低氣隙磁密諧波佔比，降低反電勢諧波佔比，降低振動噪聲。但是，當c/d大於2.4時，第一隔磁橋的寬度太大，沿第一隔磁橋傳遞的磁通過多，氣隙磁密波形畸變，諧波佔比增加，電機振動噪聲增加。因此，2.4≥c/d≥0.4。

其中，隔磁孔12的外側孔壁為隔磁孔12靠近轉子本體1外壁的孔壁；隔磁孔12的內側孔壁為隔磁孔12靠近轉子本體1圓心的孔壁。

優選地，1.5≥c/d≥0.7。當1.5≥c/d≥0.7時，氣隙磁場分布最優，氣隙磁密的正弦度最優，氣隙磁密諧波佔比最低，反電勢諧波佔比最低，電機振動噪聲最低，且此時的諧波損耗最小，電機效率最高。如圖7所示，在此條件下，本實施例提供的電機的諧波佔比小於4％。

進一步地，隔磁孔12為軸對稱結構，其對稱軸線的延伸線經過轉子本體1的圓心。在本實施例中，隔磁孔12位於磁極中心線處。

優選地，隔磁孔12的外側孔壁的寬度為a，轉子鐵芯的單個磁極所佔角度為b。經過研究發現，當隔磁孔12的寬度a大於0.02倍單個磁極所佔角度b(磁極寬度)，隔磁孔12降低氣隙諧波的效果才明顯。但是，a/b也不是越大越好，當a/b大於0.15時，隔磁孔12的寬度過大，轉子磁極中心線處的磁通過少，轉子磁極兩側的磁通過度集中，導致氣隙磁場分布不均，氣隙、反電勢諧波佔比增大，轉子鐵芯的鐵損增加，磁極面積較小，磁極磁通易飽和，總磁通減小，電機輸出轉矩減小，電機效率下降。因此，優選地，0.15≥a/b≥0.02。

進一步地，隔磁孔12的內側孔壁的兩端點g分別與轉子本體1圓心連線形成的夾角為e；通過仿真研究發現，夾角e的大小對反電勢諧波影響較大。隔磁孔12的內側孔壁較其外側孔壁孔寬，可以限制轉子磁極磁通走向，如圖8所示，當e≥40°時，可以改善氣隙磁場磁通分布，氣隙磁密波形更接近正弦波，反電勢諧波佔比降低，電機振動噪聲降低；而當e＞60°時，隔磁孔12會對內部永磁體的磁通產生較多的阻擋，使得電機空載磁鏈下降。因此，60°≥e≥40°。其中，上述角度為電氣角度。

由於隔磁孔12靠近轉子鐵芯圓心方向的孔壁為內側孔壁，內側孔壁沿轉子鐵芯的圓周方向延伸，關於磁極中心線對稱，內側孔壁有兩個端點g，內側孔壁的兩個端點g之間的距離大於隔磁孔12的外側孔壁的兩個端點之間的距離。

進一步地，隔磁孔12沿轉子本體1的徑向的長度為f，轉子本體1的半徑為r；通過仿真研究發現，當隔磁孔12的長度f與轉子本體1的半徑為r的比值對諧波影響較大，當f/r≥0.1時，隔磁孔12的長度f增加，可以限制靠近轉軸部分的轉子磁極的磁通走向，從而改善氣隙磁場分布，使得氣隙磁密、反電勢諧波佔比減小，電機振動噪聲減小，同時該隔磁孔可以削弱電機運行時的去磁電樞反應磁場，提高電機的抗退磁能力；但是，當f/r＞0.4時，隔磁孔長度過大，隔磁孔面積過大，導磁磁極面積過小，同時磁極易飽和，電機出力下降，電機效率下降。因此，優選地，0.4≥f/r≥0.1。

優選地，隔磁孔12與固定孔11之間實體部分的最小距離大於1.5mm。通過上述設置，可以提高電機轉子結構的機械強度。

進一步地，隔磁孔12與永磁體槽2之間實體部分的最小距離大於1.5mm。通過上述設置，提高了電機轉子的機械結構強度。

如圖2所示，在第一種實施例中，隔磁孔12的靠近轉子本體1圓心的內側孔壁上具有朝向轉子本體1的外側凸起的凸起部14。通過設置凸起部14，可以使得隔磁孔12可以更好地調節內側永磁體磁場的走向；並且，可以最大幅度的減少隔磁孔12對磁通的阻擋，提高電機的效率。凸起部14還可以方便固定孔11與隔磁孔12的布置，使得固定孔11能夠朝轉子外側移動，減少轉子高速旋轉時，離心力以及電磁力導致的轉子外側形變，增強轉子鐵芯的機械強度。

在本實施例中，凸起部14為尖角凸起。當然，也可以將凸起部14設置為圓角凸起或多邊形角凸起。

進一步地，凸起部14的頂點與永磁體槽2的中心線相交於交點m，交點m到隔磁孔12的遠離轉子本體1圓心的外側孔壁的距離為h，隔磁孔12沿轉子本體1的徑向的長度為f。為了減少隔磁孔12的凸起部14對減低氣隙諧諧波含量的影響，凸起部14的頂點m與隔磁孔12的外側孔壁的距離f不能過小，因此，0.5≥h/f≥0.3。上述範圍可以使得降低氣隙諧波含量的效果較好，同時保證了電機的效率和機械強度。

在另外一種實施例中，也可以不設置凸起部14。隔磁孔12的靠近轉子本體1圓心的內側孔壁上具有背向轉子本體1的外側下凹的凹槽部。

如圖4所示，凹槽部為尖角凹槽。如圖5所示，凹槽部為圓弧凹槽。

在上述兩種實施例中，凹槽部的頂點與永磁體槽2的中心線相交於交點m，交點m到隔磁孔12的遠離轉子本體1圓心的外側孔壁的距離為h，隔磁孔12去除尖角凹槽的部分沿轉子本體1的徑向的長度為f。經過研究發現，當隔磁孔12設置凹槽部時，隔磁孔12的面積進一步增大，隔磁效果進一步提升，沿磁極中心線處傳遞的磁通減少，沿磁極兩側傳遞的磁通提高，氣隙磁場分布更優，諧波佔比更小，振動噪聲更小，同時電機抗退磁能力進一步提高。為了確保機械強度，凹槽部的深度不能過大。因此，優選地，1.4≥h/f＞1。其中，凹槽部的頂點為其距離轉子本體1圓心最近的點。

如圖3所示，在該實施例中，隔磁孔12的靠近轉子本體1圓心的內側孔壁為平面。其中，隔磁孔12的內側孔壁為平面，隔磁孔12形似梯形，即，h＝f。

優選地，永磁體槽2具有朝向轉子本體1外側設置的開口13，開口13的寬度大於永磁體槽的寬度的一半。通過上述設置，能夠有效減少切向磁化永磁體端部的漏磁，提高了電機的效率。開口13的寬度為開口13垂直於轉子本體1徑向方向的距離。

優選地，隔磁孔12的最大寬度為其最小寬度2倍以上。其中，隔磁孔12的最大寬度為隔磁孔12靠近轉子鐵心圓心的一側的寬度，隔磁孔12的最小寬度為隔磁孔12遠離轉子鐵心圓心的一側的寬度。通過上述設置，更好地降低氣隙磁場諧波含量。

隔磁孔12的最大寬度為固定孔11直徑的1.5倍以上。通過將隔磁孔12的寬度設置成從轉子外側朝內側逐漸變大，並且最大寬度大於1.5倍固定孔11直徑的寬度，可以有效引導定子反向磁場的流向，減少了定子反向磁場進入到轉子內部，減少了惡劣工況下內部永磁體的退磁風險。

本發明實施例還提供了一種切向電機轉子，包括轉子鐵芯及設置於其永磁體槽內的切向磁化永磁體，轉子鐵芯為如上述任一種轉子鐵芯。由於上述轉子鐵芯具有上述技術效果，具有上述轉子鐵芯的切向電機轉子也應具有同樣的技術效果，在此不再一一累述。

進一步地，切向磁化永磁體靠近轉子鐵芯外側的寬度大於其靠近轉子鐵芯圓心的寬度。通過上述設置，可以有效提升電機的抗退磁能力。

本發明實施例還提供了一種切向電機，包括切向電機轉子及定子，切向電機轉子為如上述任一種切向電機轉子。由於上述切向電機轉子具有上述技術效果，具有上述切向電機轉子的切向電機也應具有同樣的技術效果，在此不再一一累述。

如圖2及圖6所示，定子上具有定子槽41及朝向切向電機轉子與定子的氣隙的槽口42，槽口42的寬度為k，切向電機轉子的轉子鐵芯的隔磁孔12的外側孔壁的寬度為a；如圖9所示，通過將切向電機轉子的轉子鐵芯的隔磁孔12的外側孔壁的寬度a與槽口42的寬度k之間的比值設置為1.2≥a/k≥0.8，能夠有效減低氣隙磁密中的5次諧波和7次諧波的含量，降低電機5次諧波和7次諧波與基波磁場作用產生的轉矩脈動。

本說明書中各個實施例採用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。

對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發明的精神或範圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本發明將不會被限制於本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的範圍。