技术领域
[0001] 本
申请涉及电机技术领域，具体涉及一种转子组件和永磁电机。
背景技术
[0002] 转矩
波动是电机的固有特性，其增加了电机运行时的转矩波动，从而引起电机的振动与运行噪声增加。转子主极
磁场一般是非严格的正弦磁场，含有一些谐波，而且电机负载运行时由于电枢反应，磁密
波形会进一步恶化，谐波畸变率增加，电机转矩波动增加，如何削弱永磁电机的转矩波动是行业难题。一种有效的措施是在转子的极靴部分开设一些狭槽，削弱电机的电枢反应，从而降低气隙磁密畸变率。
[0003] 然而经研究发现，
现有技术中尽管可以降低转矩波动，但是极靴上较多的气隙会削弱气隙磁密的幅值，导致电机的输出转矩大幅下降，引起电机运行性能的下降。另一方面狭槽的数量、形状、
位置与转子的结构有着紧密联系，当电机的转子结构发生改变时，其效果会降低甚至适得其反。
发明内容
[0004] 因此，本申请要解决的技术问题在于提供一种转子组件和永磁电机，能够在保证电机电磁转矩不受影响的前提下，大幅降低永磁电机在运行过程中的转矩波动。
[0005] 为了解决上述问题，本申请提供一种转子组件，包括转子
铁芯，转子铁芯上沿周向设置有安装槽，安装槽内安装有
永磁体，安装槽的两端分别设置有第一空气槽，磁极中心线与第一空气槽之间靠近第一空气槽的一侧设置有第二空气槽，第一空气槽向磁极中心线延伸出第一延伸部，第一延伸部与第二空气槽间隔设置。
[0006] 优选地，第一延伸部设置在第一空气槽的沿径向远离安装槽的一侧。
[0007] 优选地，第一空气槽和第一延伸部为弧形，第一空气槽的圆心
角为ar22，第一延伸部的圆心角为ar21，其中ar21/ar22＝0.1～0.2。
[0008] 优选地，第一延伸部的径向厚度为w21，第一空气槽靠近第一延伸部的一侧径向厚度为w22，其中w21/w22＝0.29～0.5。
[0009] 优选地，在垂直于转子铁芯的中
心轴线的平面内，两个第一延伸部的径向外边缘的两端点与转子铁芯的中心的连线所形成的夹角为ar2，永磁体的径向外边缘的两端点与转子铁芯的中心的连线所形成的夹角为ar3，其中ar2/ar3＝0.7～0.9。
[0010] 优选地，第二空气槽向磁极中心线延伸出第二延伸部，第二延伸部与间隔设置。
[0011] 优选地，第二空气槽和第二延伸部为弧形，第二空气槽的圆心角为ar12，第二延伸部的圆心角为ar11，其中ar11/ar12＝0.2～0.4。
[0012] 优选地，在垂直于转子铁芯的中心轴线的平面内，两个第二延伸部的径向外边缘的两端点与转子铁芯的中心的连线所形成的夹角为ar1，永磁体的径向外边缘的两端点与转子铁芯的中心的连线所形成的夹角为ar3，其中ar1/ar3＝0.3～0.6。
[0013] 优选地，第二空气槽具有径向厚度w12，第二延伸部具有径向厚度w11，其中w11/w12＝0.5～0.8。
[0014] 优选地，磁极中心线上设置有第三空气槽，第三空气槽为凹字形，第三空气槽的开口背离安装槽。
[0015] 优选地，第三空气槽的底壁和
侧壁之间通过倾斜段连接，底壁两侧的倾斜段之间的间距沿着远离转子铁芯的中心轴线的径向递增。
[0016] 优选地，第三空气槽的径向外边缘距离安装槽的最大间距为tr01，位于磁极中心线上的极靴厚度为trs0，其中tr01/trs0＝0.5～0.7。
[0017] 优选地，在垂直于转子铁芯的中心轴线的平面内，第三空气槽的凹部的径向外边缘的两个端点与转子铁芯的中心的连线所形成的夹角为ar01，第三空气槽包括两个位于周向外侧的周向侧壁，两个周向侧壁的径向外端点与转子铁芯的中心的连线所形成的夹角为ar02，其中ar01/ar02＝0.2～0.4。
[0018] 优选地，在垂直于转子铁芯的中心轴线的平面内，分属不同磁极的两个第一空气槽之间形成隔磁桥，隔磁桥的最小宽度为wb1，隔磁桥的最大宽度为wb2，其中wb1/wb2＝0.2～0.4。
[0019] 优选地，永磁体为一字型。
[0020] 根据本申请的另一方面，提供了一种永磁电机，包括转子组件和
定子组件，该转子组件为上述的转子组件。
[0021] 优选地，定子组件包括定子齿靴，定子齿靴内内周侧中部为圆弧面，定子齿靴的周向两端为平面。
[0022] 优选地，在垂直于转子铁芯的中心轴线的平面内，圆弧面的两个端点与转子铁芯的中心的连线所形成的夹角为as1，定子齿靴的周向两侧的外端点与转子铁芯的中心的连线所形成的夹角为as2，其中as1/as2＝0.52～0.72。
[0023] 本申请提供的转子组件，包括转子铁芯，转子铁芯上沿周向设置有安装槽，安装槽内安装有永磁体，安装槽的两端分别设置有第一空气槽，磁极中心线与第一空气槽之间靠近第一空气槽的一侧设置有第二空气槽，第一空气槽向磁极中心线延伸出第一延伸部，第一延伸部与第二空气槽间隔设置。本申请的转子组件，在极靴部分别设置有第一空气槽和第二空气槽，且第一空气槽和第二空气槽之间间隔设置，能够利用第一空气槽和第二空气槽对永磁体发出的
磁力线进行分流，同时在第一空气槽上设置有第一延伸部，该第一延伸部用于对极靴部分的磁束进行
整理，第一延伸部向磁极中心线延伸，更有效调整气隙磁密波形，且第一延伸部对转矩幅值的影响较小，因此能够在保证电机电磁转矩不受影响的前提下，大幅降低永磁电机在运行过程中的转矩波动。
附图说明
[0024] 图1为本申请第一
实施例的转子组件的结构示意图；
[0025] 图2为本申请第一实施例的转子组件的第一尺寸结构图；
[0026] 图3为本申请第一实施例的转子组件的第二尺寸结构图；
[0027] 图4为本申请第一实施例的转子组件的第三尺寸结构图；
[0028] 图5为本申请第一实施例的转子组件在第二空气槽有第二延伸部时的磁力线分布图；
[0029] 图6为本申请第一实施例的转子组件在第二空气槽无第二延伸部时的磁力线分布图；
[0030] 图7为本申请第一实施例的转子组件的第二空气槽在有第二延伸部和无第二延伸部时的气隙磁密图；
[0031] 图8为本申请第一实施例的转子组件的ar11/ar12对转矩波动的影响曲线图；
[0032] 图9为本申请第一实施例的转子组件的w11/w12对转矩波动的影响曲线图；
[0033] 图10为本申请第一实施例的转子组件与现有技术的电磁转矩曲线对比图；
[0034] 图11为本申请第二实施例的转子组件的结构示意图；
[0035] 图12为本申请第二实施例的转子组件的第一尺寸结构图；
[0036] 图13为本申请第二实施例的转子组件的第二尺寸结构图；
[0037] 图14为转子组件在第三空气槽无凹部时的磁力线分布图；
[0038] 图15为本申请第二实施例的转子组件在第三空气槽为凹字形时的磁力线分布图；
[0039] 图16为本申请第二实施例的转子组件的tr01/trs0对转矩波动的影响曲线图；
[0040] 图17为本申请第二实施例的转子组件的ar01/ar02对谐波含量的影响曲线图。
[0041] 附图标记表示为：
[0042] 1、转子铁芯；2、安装槽；3、永磁体；4、第一空气槽；5、第二空气槽；6、第三空气槽；7、隔磁桥；8、第一延伸部；9、第二延伸部；10、定子齿靴。
具体实施方式
[0043] 结合参见图1至图10所示，根据本申请的第一实施例，转子组件包括转子铁芯1，转子铁芯1上沿周向设置有安装槽2，安装槽2内安装有永磁体3，安装槽2的两端分别设置有第一空气槽4，磁极中心线与第一空气槽4之间靠近第一空气槽4的一侧设置有第二空气槽5，第一空气槽4向磁极中心线延伸出第一延伸部8，第一延伸部8与第二空气槽5间隔设置。
[0044] 本申请的转子组件，在极靴部分别设置有第一空气槽4和第二空气槽5，且第一空气槽4和第二空气槽5之间间隔设置，能够利用第一空气槽4和第二空气槽5对永磁体3发出的磁力线进行分流，同时在第一空气槽4上设置有第一延伸部8，该第一延伸部8用于对极靴部分的磁束进行整理，第一延伸部8向磁极中心线延伸，更有效调整气隙磁密波形，且第一延伸部8对转矩幅值的影响较小，因此能够在保证电机电磁转矩不受影响的前提下，大幅降低永磁电机在运行过程中的转矩波动。
[0045] 仿真表明，与现有技术而言，本申请电机的电磁转矩提升10％，转矩波动降低10％。
[0046] 优选地，第一延伸部8设置在第一空气槽4的沿径向远离安装槽2的一侧，也即第一延伸部8设置在第一空气槽4的靠近转子铁芯的外圆的一侧。第一延伸部8属于第一空气槽4的一部分，并且靠近转子铁芯的外圆设置，更加容易调整磁力线在气隙中的分布，使气隙分布更均匀，转矩波动更小。且由于第一延伸部8的径向厚度相对于第一空气槽4的整体径向厚度较小，对转矩的幅值影响不大，因此有效保证了电机的转矩能力。
[0047] 优选地，第一空气槽4靠近永磁体部分的周向宽度小于第一空气槽4靠近转子铁芯1的外圆部分的周向宽度。
[0048] 优选地，第一空气槽4和第二空气槽5均连通至安装槽2，能够从永磁体的磁力线发出位置对永磁体的磁力线进行分流，更加有效地避免漏磁现象，对磁力线能够形成更加良好有效的规整效果，能够更加有效地调整气隙磁密波形。
[0049] 第一空气槽4和第一延伸部8为弧形，第一空气槽4和第一延伸部8的圆心角之和为ar22，第一延伸部8的圆心角为ar21，其中ar21/ar22＝0.1～0.2。第一空气槽4靠近永磁体3的部分将永磁体3的磁力线分流，进行磁力线分布的初级引导，而后由第一延伸部8进行二次引导，由于永磁体3为直线，而转子铁芯1的外圆为弧线，长度大于等弧度的直线，因此本申请设置了第一延伸部8，进一步将第一空气槽4的夹角缩小，使引导来的磁力线均匀分布，降低转矩波动。如果第一延伸部8太长，则第一延伸部8对磁力线的遮挡太强，且容易形成磁饱和。如果第一延伸部8太小，甚至没有第一延伸部8，则尽管磁力线在靠近永磁体3的地方分布较好，但是靠近转子铁芯1的外圆的部分会被稀释，引起转矩波动增加，研究表明，二者的比值在0.1～0.2时效果最好。
[0050] 第一延伸部8的径向厚度为w21，第一空气槽4靠近第一延伸部8的一侧径向厚度为w22，其中w21/w22＝0.29～0.5。二者的比值小，第一延伸部8形成的有效磁阻小，无法有效调整磁力线的流动方向。二者的比值大，第一延伸部8过多地遮挡磁力线引起电磁转矩的下降。研究表明，二者的比值在0.3～0.5时效果较好。
[0051] 在垂直于转子铁芯1的中心轴线的平面内，两个第一延伸部8的径向外边缘的两端点与转子铁芯1的中心的连线所形成的夹角为ar2，永磁体3的径向外边缘的两端点与转子铁芯1的中心的连线所形成的夹角为ar3，其中ar2/ar3＝0.7～0.9。ar2表征了永磁体3面向气隙的总宽度，ar3表征了永磁体能够提供的最大的磁通面积，二者的比值小，则包括第一延伸部8在内的第一空气槽4的周向宽度较小，永磁体两端的磁桥较短，漏磁增加。二者的比值大，则包括第一延伸部8在内的第一空气槽4对永磁体3磁通面的遮挡较多，有效磁通面减少，引起电磁转矩的下降，研究表明，将二者的比值控制在0.7～0.9最好。
[0052] 第二空气槽5向磁极中心线延伸出第二延伸部9，第二延伸部9与间隔设置。第二延伸部9沿周向向第一空气槽4延伸，能够进一步改善第一空气槽4与第二空气槽5之间的磁力线分布状况，提高磁力线分布均匀性，降低转矩波动。第二延伸部9属于第二空气槽5的一部分，且径向厚度小于第二空气槽5的最大径向厚度。优选地，第二延伸部9设置在第二空气槽5的远离安装槽2的一侧。
[0053] 第二空气槽5和第二延伸部9为弧形，第二空气槽5和第二延伸部9的圆心角之和为ar12，第二延伸部9的圆心角为ar11，其中ar11/ar12＝0.2～0.4。研究表明，将极靴部位的空气槽设置为沿着磁力线方向可以避免电机输出转矩的下降，如图5所示，第二空气槽5即为沿着磁力线方向设置。第二空气槽5靠近永磁体3的部分将永磁体3的磁力线分流，进行磁力线分布的初级引导。而后由第二延伸部9进行二次引导，由于永磁体3为直线，而转子铁芯1的外圆为弧线，长度大于等弧度的直线，因此本申请设置了第二延伸部9进一步将第二空气槽5的夹角缩小，使引导来的磁力线均匀分布，降低转矩波动。如果第二延伸部9太长，则第二延伸部9对磁力线的遮挡太强，且形成磁饱和。如果第二延伸部9太小，甚至没有第二延伸部9，则尽管磁力线在靠近永磁体3的地方分布较好，但是靠近转子铁芯1的外圆的部分会被稀释，如图5～7所示，容易引起转矩波动增加，研究表明，二者的比值在0.2～0.4最好，如图8所示。
[0054] 在垂直于转子铁芯1的中心轴线的平面内，两个第二延伸部9的径向外边缘的两端点与转子铁芯1的中心的连线所形成的夹角为ar1，永磁体3的径向外边缘的两端点与转子铁芯1的中心的连线所形成的夹角为ar3，其中ar1/ar3＝0.3～0.6。ar3表征了永磁体能够提供的最大的磁通面积，ar1表征了磁极中心部的宽度，两者的比值越大，磁极中心部的磁密越饱和，反电势畸变率增加。两者的比值越小，磁极中心部的磁力线越少，磁密基波幅值减小，电机转矩下降。研究表明，将二者的比值限制在0.3～0.6最好。
[0055] 第二空气槽5具有径向厚度w12，第二延伸部9具有径向厚度w11，其中w11/w12＝0.5～0.8。w12为第二空气槽5的整体径向厚度，w11为第二延伸部9的径向厚度，二者的比值过小，第二延伸部9形成的有效磁阻小，无法有效调整磁力线的流动方向。二者的比值过大，第二延伸部9过多地遮挡磁力线引起电磁转矩的下降。研究表明，二者的比值在0.5～0.8较好，这个范围内的转矩波动较小，如图9所示。
[0056] 优选地，本实施例中的永磁体3为一字型。永磁体3也可以采用其他形状，例如V字型。
[0057] 在本实施例中，转子铁芯1由软磁材料薄片叠压而成，并采用盘式开槽结构，在转子铁芯1上开设有数组安装槽2，每个安装槽2内均设置有一个永磁体3，多个安装槽2沿转子铁芯1的周向均匀分布。本实施例中的转子铁芯的每个磁极上均设置有永磁体3，从而使得每个磁极都能够形成永磁极。安装槽2例如为矩形或者其他形状。安装槽2的形状与永磁体3的形状相适配，且数量与永磁体3的数量一致。
[0058] 永磁体3安装在转子轭上的安装槽2内，多个永磁体3沿周向间隔分布在转子轭上，且相邻永磁体的同极性相对设置。
[0059] 采用本申请设计的电机的转矩曲线与现有技术的对比如图10所示，很明显，本申请技术方案相对于现有技术具有更大的平均转矩以及更小的转矩波动。
[0060] 结合参见图11至图17所示，根据本申请的第二实施例，其与第一实施例基本相同，不同之处在于，在本实施例中，磁极中心线上设置有第三空气槽6，第三空气槽6为凹字形，第三空气槽6的开口背离安装槽2。
[0061] 在本实施例中，分属不同磁极的相邻的第三空气槽6互不连通，两者之间形成隔磁桥7。
[0062] 研究表明，受转子位置的影响，磁极中心部的磁力线在不同的时刻分布差异较大，在运行过程中形成较大的转矩波动，为了使磁极中心线附近的磁力线分布受转子位置影响更小，设置第三空气槽6，第三空气槽6靠近永磁体3的部分用来将永磁体3发出的磁力线分流，所以靠近永磁体3的一面设计成多段线状，以更平滑地引导磁力线。同时为了避免在转子极靴形成较大的空气槽增加主磁路的磁阻，将第三空气槽6的中心部挖空，变为凹字状，使少量的磁力线可以通过，如图15所示。
[0063] 第三空气槽6靠近永磁体3的一面，其多段线结构具体为，第三空气槽6的底壁和侧壁之间通过倾斜段连接，底壁两侧的倾斜段之间的间距沿着远离转子铁芯1的中心轴线的径向递增。其中第三空气槽的底壁为弧形，且弧形的圆心位于转子铁芯1的中心轴线上。两个倾斜段均为平面，相当于在凹字形结构的两个角部进行了平切，缩短了底壁的整体长度，使得底壁两端的倾斜段与永磁体3之间的间距变大，能够对磁力线进行更优的规整，使得磁力线分布更加均匀，如图14和图15所示。
[0064] 第三空气槽6的径向外边缘距离安装槽2的最大间距为tr01，位于磁极中心线上的极靴厚度为trs0，其中tr01/trs0＝0.5～0.7。二者的比值过小，则第三空气槽6形成的有效磁阻小，第三空气槽6距离转子铁芯1的外圆较远，无法有效调整磁力线的流动方向。二者的比值过大，则第三空气槽6过多地遮挡磁力线，引起电磁转矩的下降。研究表明，二者的比值在0.5～0.7效果较好，如图16所示。
[0065] 在垂直于转子铁芯1的中心轴线的平面内，第三空气槽6的凹部的径向外边缘的两个端点与转子铁芯1的中心的连线所形成的夹角为ar01，第三空气槽6包括两个位于周向外侧的周向侧壁，两个周向侧壁的径向外端点与转子铁芯1的中心的连线所形成的夹角为ar02，其中ar01/ar02＝0.2～0.4。二者的比值越大，表征第三空气槽6的壁厚越薄，能够形成的有效磁阻越小，对磁力线的调制作用越弱；二者的比值越小，第三空气槽6形成的有效磁阻太大，尽管能够降低转矩波动，但是输出转矩也降低了，因此将比值控制在0.2～0.4较好，如图17所示。
[0066] 在垂直于转子铁芯1的中心轴线的平面内，分属不同磁极的两个第一空气槽4之间形成隔磁桥7，隔磁桥7的最小宽度为wb1，隔磁桥7的最大宽度为wb2，其中wb1/wb2＝0.2～0.4。隔磁桥7沿径向向外宽度逐渐增加，一方面可以增加转子结构的强度，另一方面可以增加q轴磁路的磁导，这是电枢磁力线的主要磁路，从而提升电机的电磁转矩。但是宽度过宽会导致永磁体端部以及相邻的永磁体之间的漏磁增加，电磁转矩会下降。因此，需要将隔磁桥的最小宽度和最大宽度的比例限定为wb1/wb2＝0.2～0.4，从而保证电机具有较优的工作性能。
[0067] 根据本申请的实施例，永磁电机包括定子组件和转子组件，该转子组件为上述的转子组件。
[0068] 优选地，定子组件包括定子齿靴10，定子齿靴10内周侧中部为圆弧面，定子齿靴10的周向两端为平面。定子齿靴10的周向方向的两端均形成梯形结构，两端的内周侧形成向上倾斜的平面，能够增大定子齿靴10的内周侧两端与转子组件之间的气隙，通过在定子齿靴10两侧形成较大的气隙，能够削弱谐波的幅值，定子齿靴10的中心形成较小的气隙，能够保证基波的幅值。
[0069] 优选地，在垂直于转子铁芯1的中心轴线的平面内，圆弧面的两个端点与转子铁芯1的中心的连线所形成的夹角为as1，定子齿靴10的周向两侧的外端点与转子铁芯1的中心的连线所形成的夹角为as2，其中as1/as2＝0.52～0.72。as1表征了定子齿靴10中间部分的大小，as2表征了整个定子齿靴10周向宽度的大小，通过在定子齿靴10两侧形成较大的气隙削弱谐波的幅值，定子齿靴10中心形成较小的气隙保证基波的幅值。二者的比值过大，则齿部附件的气隙较为均匀，磁密基波与磁密谐波的幅值都很大，无法起到削弱磁密谐波的作用。二者的比值过小，则等效气隙的长度会明显增加，基波的幅值会大幅下降，电机转矩下降。研究表明，二者的比值在0.52～0.72最好。
[0070] 本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、
叠加。
[0071] 以上仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何
修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。以上仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本申请的保护范围。
