CN109347229A - 电机转子结构及永磁电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电机技术领域，特别是涉及一种电机转子结构，包括：转子铁芯，沿圆周方向设有多个径向槽，相邻两个径向槽之间设有第一隔磁槽；每个径向槽中均安装有两种矫顽力大小不同的永磁体，两种矫顽力大小不同的永磁体沿转子铁芯的径向分布，且两种矫顽力大小不同的永磁体均沿转子铁芯的切向充磁，两种矫顽力不同的永磁体之间设有第二隔磁槽；两种矫顽力大小不同的永磁体的磁化方向相反时，转子铁芯处于多磁极状态，两种矫顽力大小不同的永磁体的磁化方向相同时，转子铁芯处于少磁极状态。该电机转子结构，能够依据电机运行工况调整内部磁场，使转子铁芯分为多磁极状态和少磁极状态，增大电机高效区，扩大电机运行范围。

Description

电机转子结构及永磁电机
技术领域
本发明涉及电机技术领域，特别是涉及一种电机转子结构及永磁电机。
背景技术
磁通可调节的永磁同步电机依据电机的负载状况，对电机内部磁场的强弱进行调节。传统永磁电机依靠永磁体提供磁通，但永磁体提供磁场固定，电机内部磁场难以调节，使永磁电机难以兼顾高频和低频时的效率。且在供电电源电压固定的情况下，限制了电机的最高运行频率。目前，大多永磁电机只能通过弱磁控制扩大运行范围，但是弱磁控制存在增加电机铜损、降低电机效率、调速范围有限等问题。
发明内容
基于此，有必要针对传统的永磁电机通过弱磁控制扩大运行范围时，存在的电机铜损增加、电机效率降低、调速范围有限等问题，提供一种电机转子结构及永磁电机。
一种电机转子结构，包括：转子铁芯，转子铁芯沿圆周方向设有多个径向槽，相邻两个径向槽之间设有第一隔磁槽；
每个径向槽中均安装有两种矫顽力大小不同的永磁体，两种矫顽力大小不同的永磁体沿转子铁芯的径向分布，且两种矫顽力大小不同的永磁体均沿转子铁芯的切向充磁，两种矫顽力不同的永磁体之间设有第二隔磁槽；
两种矫顽力大小不同的永磁体的磁化方向相反时，转子铁芯处于多磁极状态，两种矫顽力大小不同的永磁体的磁化方向相同时，转子铁芯处于少磁极状态。
在其中一个实施例中，两种矫顽力大小不同的永磁体分别为矫顽力较低的永磁体和矫顽力较高的永磁体，矫顽力较低的永磁体设置于径向槽的靠近转子外圆的一侧，矫顽力较高的永磁体设置于径向槽的靠近转子内圆的一侧。
在其中一个实施例中，转子铁芯处于少磁极状态时，转子铁芯的磁极数为n，转子铁芯处于多磁极状态时，转子铁芯的磁极数为2n。
在其中一个实施例中，两种矫顽力不同的永磁体分别为矫顽力较低的永磁体和矫顽力较高的永磁体，矫顽力较低的永磁体的矫顽力为H1，厚度为d1，矫顽力较高的永磁体的矫顽力为H2，厚度为d2，则有d2*H2/H1*0.9＜d1＜d2*H2/H1*1.1。
在其中一个实施例中，两种矫顽力不同的永磁体分别为矫顽力较低的永磁体和矫顽力较高的永磁体，矫顽力较低的永磁体的剩磁为Br1，宽度为L1，矫顽力较高的永磁体的剩磁为Br2，宽度为L2，则有L2*Br2/Br1*0.9＜L1＜L2*Br2/Br1*1.1。
在其中一个实施例中，第二隔磁槽的沿宽度方向的两端均靠近转子外圆。
在其中一个实施例中，电机转子结构还包括第三隔磁槽，设置于第二隔磁槽靠近转子外圆的两个端部，第三隔磁槽的宽度方向平行于转子铁芯的切向。
在其中一个实施例中，第三隔磁槽的厚度范围为2g～5g，其中g为电机气隙。
在其中一个实施例中，径向槽靠近转子外圆的一侧的厚度为d，第三隔磁槽的宽度为L3，则0.8*d＜L3＜1.2*d。
在其中一个实施例中，第二隔磁槽的厚度范围为2g～5g，其中g为电机气隙。
在其中一个实施例中，第二隔磁槽靠近转子外圆的端部的中心与径向槽靠近转子外圆的端部的中心构成的圆心角为α，其中0.9*π/n＜α＜1.1*π/n，n为少磁极状态下的转子铁芯的磁极数。
在其中一个实施例中，第一隔磁槽沿转子铁芯的径向的两端分别靠近转子的内圆和转子的外圆，且第一隔磁槽靠近转子内圆的一端的厚度大于另一端的厚度。
在其中一个实施例中，电机转子结构还包括第四隔磁槽，设置于第一隔磁槽靠近转子外圆的端部，第四隔磁槽的宽度方向平行于转子铁芯的切向。
一种永磁电机，包括定子铁芯和电机转子结构，电机转子结构为上述任一方案所述的电机转子结构。
本发明的有益效果包括：
通过设置两种矫顽力大小不同的永磁体，并利用第二隔磁槽将两种矫顽力大小不同的永磁体隔开，实现了电机转子内部磁场可根据需要进行调节。当电机运行于低速大转矩工况时，电机通过电枢电流改变转子铁芯中矫顽力相对较低的永磁体的磁化方向，使转子铁芯为多磁极状态，此时电机磁极数多，产生的转矩较大。当电机运行于高速小转矩工况时，电机通过电枢电流改变转子铁芯中矫顽力相对较低的永磁体的磁化方向，使转子铁芯调节为少磁极状态，电机磁极数减小，产生的转矩较小，但是相同电频率下转速增加。从而该电机转子结构，能够依据电机运行工况调整内部磁场，使转子铁芯分为多磁极状态和少磁极状态，增大电机高效区，扩大电机运行范围。通过第二隔磁槽，能够减小甚至消除磁化时矫顽力相对较高的永磁体对矫顽力相对较低的永磁体的影响，降低电枢绕组改变矫顽力相对较低永磁体磁化方向的难度，减小磁化电流。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的电机转子结构的结构示意图；
图2为图1所示结构中A处的局部放大图；
图3为本发明另一实施例提供的电机转子结构的结构示意图；
图4为图3所示结构中B处的局部放大图；
图5为图1所示结构的转子铁芯处于少磁极状态时的磁路图；
图6为图1所示结构的转子铁芯处于多磁极状态时的磁路图。
附图标记说明：
10-电机转子结构；
100-转子铁芯；
110-径向槽；120-第一隔磁槽；130-第二隔磁槽；
140-第三隔磁槽；150-第四隔磁槽；
200-矫顽力较低的永磁体；
300-矫顽力较高的永磁体。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本发明的电机转子结构及永磁电机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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
请参见图1所示，本发明一实施例提供的电机转子结构10，包括：转子铁芯100，转子铁芯100沿圆周方向设有多个径向槽110，相邻两个径向槽110之间设有第一隔磁槽120。每个径向槽110中均安装有两种矫顽力大小不同的永磁体，两种矫顽力大小不同的永磁体沿转子铁芯100的径向分布，且两种矫顽力大小不同的永磁体均沿转子铁芯100的切向充磁，两种矫顽力不同的永磁体之间设有第二隔磁槽130。两种矫顽力大小不同的永磁体的磁化方向相反时，转子铁芯100处于多磁极状态，两种矫顽力大小不同的永磁体的磁化方向相同时，转子铁芯100处于少磁极状态。
可以理解，两种矫顽力大小不同的永磁体，指的是其中一种为矫顽力相对较低的永磁体(如图1所示矫顽力较低的永磁体200)，另一种为矫顽力相对较高的永磁体(如图1所示矫顽力较高的永磁体300)。由此，矫顽力相对较低的永磁体的磁化方向发生改变时，矫顽力相对较高的永磁体不发生变化。由此能够改变转子铁芯100的磁极数，以适应于电机的运行状态，提高电机效率。而转子铁芯100处于多磁极状态，指的是转子铁芯100的磁极数相对于少磁极状态时的转子铁芯100的磁极数较多的状态。转子铁芯100的多磁极状态对应的也是电机磁极数较多的状态。转子铁芯100处于少磁极状态，指的是转子铁芯100的磁极数相对于多磁极状态时的转子铁芯100的磁极数较少的状态。转子铁芯100的少磁极状态对应的也是电机磁极数较少的状态。第一隔磁槽120用于将相邻两个径向槽110中的永磁体所产生的磁场隔开，避免发生漏磁现象。第二隔磁槽130用于将每个径向槽110中的两种矫顽力大小不同的永磁体所产生的磁场隔开，以减小甚至消除磁化时矫顽力相对较高的永磁体对矫顽力相对较低的永磁体的影响，降低电枢绕组改变矫顽力相对较低永磁体磁化方向的难度，减小磁化电流。
通过设置两种矫顽力大小不同的永磁体，并利用第二隔磁槽130将两种矫顽力大小不同的永磁体隔开，实现了电机转子内部磁场可根据需要进行调节。当电机运行于低速大转矩工况时，电机通过电枢电流改变转子铁芯100中矫顽力相对较低的永磁体的磁化方向，使转子铁芯100为多磁极状态，此时电机磁极数多，产生的转矩较大。当电机运行于高速小转矩工况时，电机通过电枢电流改变转子铁芯100中矫顽力相对较低的永磁体的磁化方向，使转子铁芯100调节为少磁极状态，电机磁极数减小，产生的转矩较小，但是相同电频率下转速增加。从而该电机转子结构10，能够依据电机运行工况调整内部磁场，使转子铁芯100分为多磁极状态和少磁极状态，增大电机高效区，扩大电机运行范围。
参见图1，作为一种可实施的方式，第二隔磁槽130的沿宽度方向的两端均靠近转子外圆。通过将第二隔磁槽130的两端延伸到转子外圆一侧，能够有效减小漏磁。在一个实施例中，第二隔磁槽130的厚度范围为2g～5g，其中g为电机气隙。参见图2，第二隔磁槽130的厚度用d3示出，即2g＜d3＜5g。通过合理设计第二隔磁槽130的厚度，可保证第二隔磁槽130有效隔磁。
参见图1和图2，在一个实施例中，第二隔磁槽130靠近转子外圆的端部的中心与径向槽110靠近转子外圆的端部的中心构成的圆心角为α，其中0.9*π/n＜α＜1.1*π/n，n为少磁极状态下的转子铁芯100的磁极数。通过如此设计，可保证少磁极状态下的转子铁芯100每极极弧系数一致。
参见图3，在一个实施例中，电机转子结构10还包括第三隔磁槽140，设置于第二隔磁槽130靠近转子外圆的两个端部。第三隔磁槽140的宽度方向平行于转子铁芯100的切向。通过设置第三隔磁槽140，可保证转子铁芯100的每极极弧系数一致。
其中，对第三隔磁槽140的尺寸可以进行一些约束。可以理解，第三隔磁槽140的长度方向为沿转子铁芯100的轴向方向。第三隔磁槽140的长度与转子铁芯100的轴向长度相关，一般转子铁芯100的轴向长度有多长，第三隔磁槽140就有多长。前述的对第三隔磁槽140尺寸的约束主要是约束其宽度和厚度。参见图4，在一个实施例中，第三隔磁槽140的厚度范围可以为2g～5g，其中g为电机气隙。如图4所示，第三隔磁槽140的厚度用d4示出，即2g＜d4＜5g。假设第三隔磁槽140的宽度为L3，径向槽110靠近转子外圆的一侧的厚度为d，则有0.8*d＜L3＜1.2*d。通过对第三隔磁槽140尺寸合理设计，能够保证转子铁芯100的结构合理，保证电机的稳定运行。
需要说明的是，径向槽110与安装于其中的永磁体是相适配的。径向槽110的厚度可用永磁体的厚度来表示。如图3所示，靠近转子外圆一侧的永磁体为矫顽力较低的永磁体200，在矫顽力较低的永磁体200厚度均匀的前提下，上述径向槽110靠近转子外圆的一侧的厚度d等同于该矫顽力较低的永磁体200的厚度(如图2中d1所示的尺寸)。可以理解，假设靠近转子外圆一侧的永磁体为矫顽力较高的永磁体300，在矫顽力较高的永磁体300厚度均匀的前提下，上述径向槽110靠近转子外圆的一侧的厚度d等同于该矫顽力较高的永磁体300的厚度(如图2中d2所示的尺寸)。
参见图1，作为一种可实施的方式，第一隔磁槽120沿转子铁芯100的径向的两端分别靠近转子的内圆和转子的外圆，且第一隔磁槽120靠近转子内圆的一端的厚度大于另一端的厚度。通过如此设计，可保证第一隔磁槽120有效隔磁。
参见图3，在一个实施例中，电机转子结构10还包括第四隔磁槽150。第四隔磁槽150设置于第一隔磁槽120靠近转子外圆的端部，第四隔磁槽150的宽度方向平行于转子铁芯100的切向。通过设置第四隔磁槽150，可保证转子铁芯100的每极极弧系数一致。
其中，对第四隔磁槽150的尺寸可以进行一些约束。参见上述第三隔磁槽140的尺寸的说明，第四隔磁槽150的厚度范围可以为2g～5g，其中g为电机气隙。假设第四隔磁槽150的宽度为L4，径向槽110靠近转子外圆的一侧的厚度为d，则有0.8*d＜L4＜1.2*d。通过对第四隔磁槽150尺寸合理设计，能够保证转子铁芯100的结构合理，保证电机的稳定运行。
两种矫顽力大小不同的永磁体在径向槽110中的布置情况可以为多种。参见图1，作为一种可实施的方式，两种矫顽力大小不同的永磁体分别为矫顽力较低的永磁体200和矫顽力较高的永磁体300，矫顽力较低的永磁体200设置于径向槽110的靠近转子外圆的一侧，矫顽力较高的永磁体300设置于径向槽110的靠近转子内圆的一侧。本实施例中，位于同一径向槽110中的矫顽力较低的永磁体200和矫顽力较高的永磁体300分别只有一组。该一组矫顽力较低的永磁体200可以是一个整块的永磁体，也可以是由多块永磁体沿转子铁芯100轴向分布构成。该一组矫顽力较高的永磁体300也可以是一个整块的永磁体，或者可以是由多块永磁体沿转子铁芯100轴向分布构成。该一组矫顽力较低的永磁体200设置于径向槽110的靠近转子外圆的一侧，该一组矫顽力较高的永磁体300设置于径向槽110的靠近转子内圆的一侧。通过将矫顽力相对较低的永磁体设置于靠近转子外圆一侧，可有效降低对矫顽力相对较低的永磁体的磁化难度，便于改变转子铁芯100的磁极数。
在其他实施例中，也可以是将上述的一组矫顽力较低的永磁体200设置于径向槽110的靠近转子内圆的一侧，将上述的一组矫顽力较高的永磁体300设置于径向槽110的靠近转子外圆的一侧。又或者，矫顽力较低的永磁体200的组数和矫顽力较高的永磁体300的组数可以不是只有一组。例如，位于同一径向槽110中的矫顽力较低的永磁体200为两组，矫顽力较高的永磁体300为一组。两组矫顽力较低的永磁体200和一组矫顽力较高的永磁体300沿转子铁芯100的径向交替布置于径向槽110内。这样，两组矫顽力较低的永磁体200可形成两对磁极，一组矫顽力较高的永磁体300可形成一对磁极。相较于上述位于同一径向槽110中的矫顽力较低的永磁体200和矫顽力较高的永磁体300分别只有一组的结构磁极数较多，转子铁芯100中可供变化的磁极数多。
参见图5和图6，图5示出了转子铁芯100处于少磁极状态的磁路示意图，图5中转子外圆内侧的N、S示出了各永磁体的磁极分布图，图5中转子外圆外侧的N、S示出的是少磁极状态下的转子铁芯100的磁极分布。
图6示出了转子铁芯100处于多磁极状态的磁路示意图。图6中转子外圆内侧的N、S示出了各永磁体的磁极分布图，图6中转子外圆外侧的N、S示出的是多磁极状态下的转子铁芯100的磁极分布。
参见图5和图6，作为一种可实施的方式，转子铁芯100处于少磁极状态时，转子铁芯100的磁极数为n，转子铁芯100处于多磁极状态时，转子铁芯100的磁极数为2n。转子铁芯100中具有的两种矫顽力大小不同的永磁体，两种矫顽力大小不同的永磁体各自形成的磁极数是相等的。换句话说，就是转子铁芯100中，矫顽力较高的永磁体300的组数与矫顽力较低的永磁体200的组数相同，即矫顽力较高的永磁体300的磁极数与矫顽力较低的永磁体200的磁极数相同。参见图5，当两种矫顽力大小不同的永磁体的磁化方向相同时，转子铁芯100处于少磁极状态，转子铁芯100的磁极数为n。参见图6，当两种矫顽力大小不同的永磁体的磁化方向相反时，转子铁芯100处于少磁极状态，转子铁芯100的磁极数为2n。如此设计，使得转子铁芯100的结构更加简化，便于永磁体的排布。
参见图2，作为一种可实施的方式，两种矫顽力不同的永磁体分别为矫顽力较低的永磁体200和矫顽力较高的永磁体300，矫顽力较低的永磁体200的矫顽力为H1，厚度为d1，矫顽力较高的永磁体300的矫顽力为H2，厚度为d2，则有d2*H2/H1*0.9＜d1＜d2*H2/H1*1.1。如果矫顽力较低的永磁体200厚度过小，会使矫顽力较低的永磁体200抗退磁能力不足，造成电机运行时不可控退磁问题。而矫顽力较低的永磁体200厚度过大，则会增加调磁时的磁化难度，增大磁化电流，使电机调磁困难。通过对矫顽力较低的永磁体200的厚度尺寸进行如此设计，可以保证两种矫顽力不同的永磁体的抗退磁能力基本相同，避免造成电机运行时不可控退磁问题或者电机调磁困难的问题。
参见图2，作为一种可实施的方式，两种矫顽力不同的永磁体分别为矫顽力较低的永磁体200和矫顽力较高的永磁体300，矫顽力较低的永磁体200的剩磁为Br1，宽度为L1，矫顽力较高的永磁体300的剩磁为Br2，宽度为L2，则有L2*Br2/Br1*0.9＜L1＜L2*Br2/Br1*1.1。通过如此设计，可以保证两种矫顽力不同的永磁体的磁通量基本相同，保证电机转矩脉动不会过大。
本发明一实施例还提供了一种永磁电机，包括定子铁芯和电机转子结构，电机转子结构为上述任一方案所述的电机转子结构10。由于电子转子结构10具有上述有益效果，在永磁电机运行状态发生变化时，可利用电枢电流对转子铁芯100上矫顽力相对较低的永磁体的磁化方向进行改变，实现电机转子磁极数调节，达到增加调速范围的目的。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (14)

1.一种电机转子结构，其特征在于，包括：转子铁芯(100)，所述转子铁芯(100)沿圆周方向设有多个径向槽(110)，相邻两个所述径向槽(110)之间设有第一隔磁槽(120)；
每个所述径向槽(110)中均安装有两种矫顽力大小不同的永磁体，所述两种矫顽力大小不同的永磁体沿所述转子铁芯(100)的径向分布，且所述两种矫顽力大小不同的永磁体均沿所述转子铁芯(100)的切向充磁，所述两种矫顽力不同的永磁体之间设有第二隔磁槽(130)；
所述两种矫顽力大小不同的永磁体的磁化方向相反时，所述转子铁芯(100)处于多磁极状态，所述两种矫顽力大小不同的永磁体的磁化方向相同时，所述转子铁芯(100)处于少磁极状态。
2.根据权利要求1所述的电机转子结构，其特征在于，所述两种矫顽力大小不同的永磁体分别为矫顽力较低的永磁体(200)和矫顽力较高的永磁体(300)，所述矫顽力较低的永磁体(200)设置于所述径向槽(110)的靠近转子外圆的一侧，所述矫顽力较高的永磁体(300)设置于所述径向槽(110)的靠近转子内圆的一侧。
3.根据权利要求1所述的电机转子结构，其特征在于，所述转子铁芯(100)处于少磁极状态时，所述转子铁芯(100)的磁极数为n，所述转子铁芯(100)处于多磁极状态时，所述转子铁芯(100)的磁极数为2n。
4.根据权利要求1所述的电机转子结构，其特征在于，所述两种矫顽力不同的永磁体分别为矫顽力较低的永磁体(200)和矫顽力较高的永磁体(300)，所述矫顽力较低的永磁体(200)的矫顽力为H1，厚度为d1，所述矫顽力较高的永磁体(300)的矫顽力为H2，厚度为d2，则有d2*H2/H1*0.9＜d1＜d2*H2/H1*1.1。
5.根据权利要求1所述的电机转子结构，其特征在于，所述两种矫顽力不同的永磁体分别为矫顽力较低的永磁体(200)和矫顽力较高的永磁体(300)，所述矫顽力较低的永磁体(200)的剩磁为Br1，宽度为L1，所述矫顽力较高的永磁体(300)的剩磁为Br2，宽度为L2，则有L2*Br2/Br1*0.9＜L1＜L2*Br2/Br1*1.1。
6.根据权利要求1所述的电机转子结构，其特征在于，所述第二隔磁槽(130)的沿宽度方向的两端均靠近转子外圆。
7.根据权利要求6所述的电机转子结构，其特征在于，还包括第三隔磁槽(140)，设置于所述第二隔磁槽(130)靠近转子外圆的两个端部，所述第三隔磁槽(140)的宽度方向平行于所述转子铁芯(100)的切向。
8.根据权利要求7所述的电机转子结构，其特征在于，所述第三隔磁槽(140)的厚度范围为2g～5g，其中g为电机气隙。
9.根据权利要求7所述的电机转子结构，其特征在于，所述径向槽(110)靠近转子外圆的一侧的厚度为d，所述第三隔磁槽(140)的宽度为L3，则0.8*d＜L3＜1.2*d。
10.根据权利要求1所述的电机转子结构，其特征在于，所述第二隔磁槽(130)的厚度范围为2g～5g，其中g为电机气隙。
11.根据权利要求1所述的电机转子结构，其特征在于，所述第二隔磁槽(130)靠近转子外圆的端部的中心与所述径向槽(110)靠近转子外圆的端部的中心构成的圆心角为α，其中0.9*π/n＜α＜1.1*π/n，n为少磁极状态下的所述转子铁芯(100)的磁极数。
12.根据权利要求1所述的电机转子结构，其特征在于，所述第一隔磁槽(120)沿所述转子铁芯(100)的径向的两端分别靠近转子的内圆和转子的外圆，且所述第一隔磁槽(120)靠近转子内圆的一端的厚度大于另一端的厚度。
13.根据权利要求12所述的电机转子结构，其特征在于，还包括第四隔磁槽(150)，设置于所述第一隔磁槽(120)靠近转子外圆的端部，所述第四隔磁槽(150)的宽度方向平行于所述转子铁芯(100)的切向。
14.一种永磁电机，其特征在于，包括定子铁芯和电机转子结构，所述电机转子结构为权利要求1-13任一项所述的电机转子结构(10)。
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