一种用于永磁同步电机的转子和永磁同步电机的制作方法

1.本发明涉及转子技术领域，尤其涉及一种用于永磁同步电机的转子和永磁同步电机。


背景技术：

2.目前，永磁同步电机由于转子永磁体的存在，存在齿槽转矩与空载反电动势，齿槽转矩的幅值与空载反电动势的thd值在一定程度上影响电机运行的噪音振动。通常可以通过一些手段如转子斜极、定子斜槽、不等气隙、辅助槽等手段削弱齿槽转矩幅值与thd。当不等气隙与辅助槽没法将齿槽转矩与thd值降低至设计要求内时，可联合转子斜极和定子斜槽使用，其中转子斜极一般为分段斜极方式，定子斜槽一般是连续斜槽方式。
3.当电机为集中式绕组时，斜槽的应用会使得自动化绕线加大难度，因此更多的是使用转子斜极的方式，然而目前采用的转子斜极的方式仍存在电机的噪音和振动较大的问题。除此之外，当电机铁芯轴向长度较短时，也不便应用转子斜极的优化手段。本文提出的方案不受定子绕组形式的影响，可以应用于集中式绕组中，也可以应用于分布式绕组中，也不受铁芯轴向长度长短的影响，可应用范围广。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种用于永磁同步电机的转子和永磁同步电机，以解决电机的噪音和振动较大的问题。
5.根据本发明的第一方面，提供了一种用于永磁同步电机的转子，包括转子铁芯，所述转子铁芯上设有多个沿轴向延伸的磁极槽，所述磁极槽内设有沿轴线延伸的永磁体；所述转子铁芯的外表面设有多个辅助槽，所述辅助槽与所述磁极槽相互独立；
6.所述辅助槽存在偏移角。
7.在本发明的可选实施例中，所述辅助槽设置在与所述永磁体相对的所述转子铁芯的外表面区域上。
8.在本发明的可选实施例中，每个所述永磁体相对的所述转子铁芯的外表面区域上的所述辅助槽的数量为1个或多个。
9.在本发明的可选实施例中，所述磁极槽与所述转子铁芯的外表面之间的所述转子铁芯部分形成第一隔磁桥；
10.所述辅助槽与所述磁极槽之间形成第二隔磁桥；
11.所述第一隔磁桥和所述第二隔磁桥满足：h1≦h2≦1.5h1，h1≦w2≦w1，其中，h1为所述第一隔磁桥的厚度，h2为所述第二隔磁桥的厚度，w1为所述第一隔磁桥的长度，w2为所述第二隔磁桥的长度。
12.在本发明的可选实施例中，至少一个所述辅助槽的大小、沿径向的截面形状、所述偏移角的度数中的至少一种与其他所述辅助槽不同。
13.在本发明的可选实施例中，多个所述辅助槽沿轴向为连续偏移、v型偏移、多段连
续偏移、多段v型偏移、正弦式偏移中的至少一种。
14.在本发明的可选实施例中，多个所述辅助槽沿轴向为多段连续偏移或多段v型偏移；
15.多段连续偏移和/或多段v型偏移的多段偏移的次数为n，n≥2。
16.在本发明的可选实施例中，所述辅助槽沿径向的截面形状为半圆形、梯形和矩形中的至少一种。
17.在本发明的可选实施例中，所述磁极槽的形状为v型、方型、双v型中的一种。
18.根据本发明的第二方面，提供了一种永磁同步电机，包括定子和第一方面任一所述的转子。
19.本发明实施例的技术方案，通过在转子铁芯的外表面设有多个辅助槽，同时使辅助槽与所述磁极槽相互独立以及使辅助槽存在偏移角，能够减少电机齿槽转矩，修正气隙磁密波形，提高反电动势波形正弦度，降低由电机本体缺陷引起的噪音振动，提高电机的电磁性能。该方案还能够避免传统转子斜极所带来的装配工序增加，同时不影响电机转子冲片的结构强度。辅助槽的位置与轴向形状选择更多的效果，在某些特定位置下，不仅能改善电机噪音振动性能，还能不减少电机出力甚至提高出力。应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为本发明提供的一种用于永磁同步电机的转子的四分之一的结构示意图；
22.图2为本发明提供的另一种用于永磁同步电机的转子的四分之一的结构示意图；
23.图3为本发明提供的另一种用于永磁同步电机的转子的结构示意图；
24.图4为本发明提供的另一种用于永磁同步电机的转子的结构示意图；
25.图5为本发明提供的另一种用于永磁同步电机的转子的四分之一的结构示意图；
26.图6为本发明提供的另一种用于永磁同步电机的转子的平面示意图；
27.图7为本发明提供的另一种用于永磁同步电机的转子的四分之一的结构示意图；
28.图8为本发明提供的另一种用于永磁同步电机的转子的平面示意图；
29.图9为本发明提供的另一种用于永磁同步电机的转子的四分之一的结构示意图；
30.图10为电机未添加辅助槽的反电动势波形图；
31.图11为本发明提供的一种用于永磁同步电机的转子应用的电机添加连续偏移辅助槽后反电动势波形图；
32.图12为本发明提供的另一种用于永磁同步电机的转子的第一视角的结构示意图；
33.图13为图12提供的用于永磁同步电机的转子的第二视角的结构示意图；
34.图14为图13中a处的放大结构示意图；
35.图15为本发明提供的另一种用于永磁同步电机转子的结构示意图；
36.图16为图15中b处的放大结构示意图；
37.图17为为依据图12的用于永磁同步电机的转子计算h2与thd和转矩的关系图；
38.图18为为依据图12的用于永磁同步电机的转子计算w2与thd和转矩的关系图。
39.其中，1、转子铁芯；2、磁极槽；3、永磁体；4、辅助槽；5、第一隔磁桥；6、第二隔磁桥。
具体实施方式
40.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
41.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
42.下述实施例中，thd指总谐波畸变率，是指各次谐波有效值的均方根/基波有效值，其值越大，谐波含量越高，电机的噪音振动相对也较大。
[0043][0044]
u2、u3...、un、为各次谐波有效值，n≥2；u1为基波有效值。
[0045]
图1为本发明实施例一提供的一种用于永磁同步电机的转子的结构示意图，该用于永磁同步电机的转子，包括转子铁芯1，转子铁芯1上设有多个沿轴向延伸的磁极槽2，磁极槽2内设有沿轴线延伸的永磁体3，即永磁体3与转子铁芯3的轴线平行；转子铁芯1的外表面设有多个辅助槽4，辅助槽4与磁极槽2相互独立；辅助槽4存在偏移角。所述转子铁芯1可以是由多块硅钢片叠压而成。
[0046]
其中，磁极槽2是指用于放置永磁体3的槽，根据转子结构的不同，磁极槽2可为多种不同的形式，例如磁极槽2可为方形槽或者v型槽，如图1所示即为v型槽。永磁体3是指能够长期保持其磁性的磁体，永磁体3是硬磁体，不易失磁，也不易被磁化。
[0047]
辅助槽4和磁极槽2相互独立是指辅助槽4和磁极槽2不连通，部分相关技术为了减少永磁体3漏磁的问题会采用如下方案：转子内的多个永磁体平行于该转子的旋转轴线(x)延伸，并且在该转子的外周上、在永磁体3的径向外纵向边缘的区域中形成多个向外敞开的沟槽，这些沟槽在周向上分别相对于邻接的永磁体3的纵向边缘倾斜或弯曲，各沟槽的中心线与邻接的永磁体3的纵向边缘至少相交一次，转子外侧上的沟槽在周向上的宽度小于该沟槽进一步位于径向内部的区域中的宽度,并且沟槽的横截面形状在该转子的长度上恒定。然而此方式为形成敞开的沟槽，则该沟槽开设后的位置仅能在隔磁桥附近，这才能完全断开其中一个隔磁桥，减少永磁体3漏磁，此方式无疑会断开一条隔磁桥，牺牲了结构强度
以满足电机性能，同时开设沟槽的位置区间单一，且敞开的沟槽会带来较大的出力损失，虽然可以减少永磁体的漏磁，但整体出力不会得到提升。本方案通过使辅助槽4和磁极槽2相互独立，能够不牺牲结构强度，辅助槽4的位置与轴向形状选择更多，在某些特定位置下，不仅能改善电机噪音振动性能，还能不减少电机出力甚至提高出力。
[0048]
其中，偏移角指辅助槽4沿轴向偏移的夹角，例如图1中的θ。转子铁芯1通常由多片硅钢片叠压而成，在辅助槽4轴向不存在偏移角θ时，转子铁芯1不旋转时，以转子铁芯1的外圆为基准，每片硅钢片的磁路磁阻相同。但是当硅钢片间的辅助槽4存在偏移角时，转子铁芯1的外圆上，每片硅钢片的磁路磁阻不尽相同，这就形成了转子斜极的效果。在一定的偏移角下可以削弱转子旋转时磁路磁阻的变化，以降低齿槽转矩，削弱气隙谐波，修正气隙磁密的正弦度，减少thd值，从而减少电机的噪音、振动。
[0049]
上述方案，通过在转子铁芯1的外表面设有多个辅助槽4，同时使辅助槽4与磁极槽2相互独立以及使辅助槽4存在偏移角，能够减少电机齿槽转矩，修正气隙磁密波形，提高反电动势波形正弦度，降低由电机本体缺陷引起的噪音振动，提高电机的电磁性能。同时能够避免传统转子斜极所带来的工序增加，也能够实现不牺牲结构强度，辅助槽4的位置与轴向形状选择更多的效果。
[0050]
在本发明的可选实施例中，磁极槽2的形状为v型、方型、双v型中的一种，同时可为任何内嵌式转子结构的磁极槽形状中的一种。
[0051]
在本发明的可选实施例中，辅助槽4设置在与永磁体3相对的转子铁芯1的外表面区域上。其中，通过将辅助槽4设置在与永磁体3相对的转子铁芯1的外表面区域上，比起将辅助槽4设置在相邻两个永磁体3之间的转子铁芯1的外表面区域上，对转子的结构强度影响较小。
[0052]
在上述实施例的基础上，如图1和图2所示，每个永磁体3相对的转子铁芯1的外表面区域上的辅助槽4的数量为1个或多个。
[0053]
其中，辅助槽4的数量为1个或多个时，均能够形成转子斜极的效果。在一定的偏移角下可以削弱转子旋转时磁路磁阻的变化，以降低齿槽转矩，削弱气隙谐波，修正气隙磁密的正弦度，减少thd值，从而减少电机的噪音、振动。
[0054]
示例性的，每个永磁体3相对的转子铁芯1的外表面区域上的辅助槽4的数量为1个或2个。
[0055]
在本发明的可选实施例中，如图3和图4所示，至少一个辅助槽4的大小、沿径向的截面形状、偏移角的度数中的至少一种与其他辅助槽4不同。
[0056]
其中，通常在电机设计时，通过不等极弧磁极设计，使得不等极弧那一磁极额外产生的谐波去抵消电机气隙中原来存在的谐波，以此改善电机的噪音振动。而在本方案中，通过在表面挖设尺寸不同或者轴向倾斜角度不同的辅助槽4，使得某一个或者多个磁极下的磁路磁阻与其它磁极不相同，通过优化辅助槽4槽型或者倾斜角度可以达到不等极弧磁极的设计效果。即辅助槽4的引入会削弱谐波也会产生新的谐波，不同尺寸大小及偏移角度下对谐波的影响不同，由此当某些个特定磁极下的辅助槽4大小或者偏移角θ与其它磁极不相同时，就可以利用谐波去抵消谐波，这便形成了大小磁极的设计效果。当某些个特定磁极的辅助槽4尺寸或偏移角在合理范围内，便可以很好的改善电机的噪音、振动。故通过使至少一个辅助槽4的大小、沿径向的截面形状、偏移角的度数中的至少一种与其他辅助槽4不同，
能够形成大小磁极的设计效果，起到改善电机的噪音和振动的作用。
[0057]
例如在一个具体的实施例中，如图3所示，辅助槽4沿径向的截面形状和偏移角的度数均一致，但一个辅助槽4的大小与其他辅助槽4不同。在一个具体的实施例中，如图4所示，辅助槽4的大小和沿径向的截面形状均一致，但存在一个辅助槽4的偏移角度与其他辅助槽4不同。根据使用需求的不同，辅助槽4沿径向的截面形状、辅助槽4的大小和偏移角的度数均可与上述例子中不同，在此只是举例说明，只要存在至少一个辅助槽4的大小、沿径向的截面形状、偏移角的度数中的至少一种与其他辅助槽4不同即可。
[0058]
在本发明的可选实施例中，辅助槽4的轴向形状选择有多种，例如在一个具体的实施例中，多个辅助槽4沿轴向为连续偏移、v型偏移、多段连续偏移、多段v型偏移、正弦式偏移中的至少一种。
[0059]
其中，如图1所示，连续偏移指辅助槽4沿轴向每一段的偏移角度均相同。如图5和图6所示，v型偏移指辅助槽4沿轴向的形状为v型，如图7所示，多段连续偏移，指对于同一个轴向长度而言，存在多段偏移角度相同槽，如图8所示，多段v型偏移指辅助槽4沿轴向的形状为多段v型相接，如图9所示，正弦式偏移指辅助槽4沿轴向的形状为正弦型。
[0060]
在本发明的可选实施例中，如图7和图8所示，多个辅助槽4沿轴向为多段连续偏移或多段v型偏移；多段连续偏移和/或多段v型偏移的多段偏移的次数为n，n≥2。
[0061]
在本发明的可选实施例中，辅助槽4沿径向的截面形状为半圆形、梯形和矩形中的至少一种。
[0062]
当辅助槽4的轴向形状选择和沿径向的截面形状为上述任一种时，辅助槽4均存在偏移角，从而均可实现减少电机齿槽转矩，修正气隙磁密波形，提高反电动势波形正弦度，降低由电机本体缺陷引起的噪音振动，提高电机的电磁性能。同时能够避免传统转子斜极所带来的工序增加，也能够实现不牺牲结构强度，辅助槽4的位置与轴向形状选择更多的效果。
[0063]
在一个具体的实施例中，以12槽8极电机为例，图10为电机未添加辅助槽4的反电动势波形图，图11为电机添加连续偏移辅助槽4后反电动势波形图，可知，在添加了连续偏移辅助槽4后，显著提高了反电动势波形正弦度，降低由电机本体缺陷引起的噪音振动，提高电机的电磁性能。
[0064]
在永磁电机中，为了不使永磁体3的漏磁系数过大而导致永磁体3的利用率过低，采取的隔磁措施：在两个永磁体3之间用硅钢片将其隔离开，两个永磁体3之间的硅钢片被称为隔磁桥。由于永磁体3设置在磁极槽2内，为了减少永磁体3的漏磁，磁极槽2与转子铁芯1的外表面之间的转子铁芯1部分会形成第一隔磁桥5。如图12-16，当辅助槽4与磁极槽2之间的距离较小时，辅助槽4与磁极槽2之间的转子铁芯1部分会形成第二隔磁桥6。
[0065]
如图12-14所示，所述磁极槽2为v型，每个所述永磁体3相对于所述铁芯1外表面区域上设置有一个辅助槽4，磁极槽2与转子铁芯1的外表面之间的转子铁芯1部分形成第一隔磁桥5；辅助槽4与磁极槽2之间形成第二隔磁桥6。如图15-16所示，所述磁极槽2为方形，磁极槽2与转子铁芯1的外表面之间的转子铁芯1部分形成第一隔磁桥5；辅助槽4与磁极槽2之间形成第二隔磁桥6。根据辅助槽4和磁极槽2结构的不同，形成第二隔磁桥6形状和尺寸也会不同，在此不对辅助槽4和磁极槽2的结构更为具体的限定，只要能够形成第二隔磁桥6即可。
[0066]
在一较佳的具体实施例中，第一隔磁桥5和第二隔磁桥6满足：h1≦h2≦1.5h1，h1≦w2≦w1，其中，h1为第一隔磁桥5的厚度，h2为第二隔磁桥6的厚度，w1为第一隔磁桥5的长度，w2为第二隔磁桥6的长度。
[0067]
在一具体的实施例中，以转子结构如图12所示的电机为例进行试验，测量电机的thd和转矩的结果详见图17和18。图17和图18中各个实施例的第一隔磁桥5结构、尺寸都相同，h1＝0.9mm，w1＝3.9mm；辅助槽4都呈连续偏移，且其偏移角的度数都为3.75
°
。它们的区别仅在于第二隔磁桥5的尺寸有所区别，具体为：图17的各个实施例的第二隔磁桥6的长度w2都为3.9m，区别在于第二隔磁桥6的厚度h2不同；图18的各个实施例的第二隔磁桥6的厚度h2都为0.9m,区别在于第二隔磁桥6的长度w2不同。从图17中可以看出，随着h2增大出力降低，当h2＝0.7～1.5mm时可以得到较好的thd值，为了尽量不降低转子铁芯11的结构强度以及出力，h2＝0.9～1.35mm更佳。而从图18中可以看出，随着w2的增大出力将有所降低。因此，当h1≦h2≦1.5h1，h1≦w2≦w1，第二隔磁桥6在保持转子铁芯1整体刚性连接的同时，又能削弱永磁体3的漏磁，以此达到提高电机出力的目的。通过辅助槽4合理的偏移角与弧面设计，可以降低电机的噪音振动。
[0068]
本发明还公开了一种永磁同步电机，永磁同步电机包括定子和本发明任一实施例的转子。
[0069]
其中，通过在转子铁芯1的外表面设有多个辅助槽4，同时使辅助槽4与磁极槽2相互独立以及使辅助槽4存在偏移角，能够减少电机齿槽转矩，修正气隙磁密波形，提高反电动势波形正弦度，降低由电机本体缺陷引起的噪音振动，提高电机的电磁性能。同时能够避免传统转子斜极所带来的工序增加，也能够实现不牺牲结构强度，辅助槽4的位置与轴向形状选择更多的效果。从而该永磁同步电机的噪声和振动较小，电磁性能好。
[0070]
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。