切向电机及切向电机转子的制作方法
本发明涉及电机设备技术领域，特别涉及一种切向电机及切向电机转子。
背景技术：
由于切向永磁同步电机具有“聚磁”的效果，与径向永磁同步电机相比，能产生更高的气隙磁密，使得电机具有体积小，重量轻，转矩大，功率密度大，电机效率高及动态性能好等优点，越来越多地被应用于伺服系统、电力牵引等工业领域及家电行业。
如图1所示，切向式电机包括切向式电机转子及定子04，切向式电机转子包括转轴03、转子铁心01及设置于转子铁心01内的磁钢02。
目前，切向永磁同步电机的气隙磁密及反电势含有各类空间谐波，由于切向永磁同步电机的定子04上开槽，使得磁路磁导不均匀，气隙磁密、反电势含有各类空间谐波，且谐波占比大，各类谐波相互作用产生低阶力波，加大电机的振动噪声。波形正弦度较差，波形畸变率高，使得电机的振动及噪声较大，影响用户的使用健康，限制了电机的应用推广。
因此，如何降低电机的振动噪音，是本技术领域人员亟待解决的问题。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明提供了一种切向电机转子，以降低电机的振动噪音。本发明还提供了一种切向电机。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种切向式电机转子，所述切向式电机转子具有朝向所述定子的外表面，所述外表面具有与所述切向式电机转子内的磁钢对应设置的切边结构。
优选地，上述切向式电机转子中，所述外表面的切边结构为与所述外表面的整弧面连接的偏心弧面，所述偏心弧面朝向所述切向式电机转子的内侧弯曲；
所述偏心弧面与所述整弧面平滑过渡。
优选地，上述切向式电机转子中，越靠近所述磁钢的磁极分界线，所述偏心弧面的弧度越大。
优选地，上述切向式电机转子中，所述偏心弧面的弧度为a，所述切向式电机转子的单个磁极所占角度为f；
0.95≥a/f≥0.7。
优选地，上述切向式电机转子中，电机的磁极对数为p，所述偏心弧面的弧度为a，偏心任意点连线与偏心连接点连线之间的夹角设为θ1，所述偏心任意点连线为所述偏心弧面上任意一点与所述表贴式电机转子圆心的连线，所述偏心连接点连线为e连接点与所述表贴式电机转子圆心的连线，所述e连接点为所述中间弧面与所述偏心弧面的连接点；所述偏心弧面上任意一点与所述切向式电机转子的圆心之间的距离为偏心径r2，所述偏心径r2与所述整弧面的半径r1满足以下关系：
优选地，上述切向式电机转子中，所述切向式电机转子的磁钢槽具有朝向所述切向式电机转子外侧设置的开口，所述开口的宽度l小于所述磁钢槽的宽度m。
优选地，上述切向式电机转子中，所述开口相对于所述磁钢槽的中心线对称设置。
优选地，上述切向式电机转子中，0.6≥l/m≥0.5。
优选地，上述切向式电机转子中，所述开口与所述磁钢槽的中心线对应设置的理论厚度设为u，所述开口两侧的厚度设为v；
1.2≥u/v≥1.1。
本发明还提供了一种切向式电机，包括切向式电机转子及定子，所述切向式电机转子为如上述任一项所述的切向式电机转子。
优选地，上述切向式电机中，所述定子的齿靴具有朝向表贴式电机转子的内侧面，所述内侧面的两侧具有沿其中心线对称设置的切边结构。
优选地，上述切向式电机中，所述内侧面的切边结构为设置于所述内侧面的中间面两侧的曲线切面，所述曲线切面朝向所述定子的内侧弯曲。
优选地，上述切向式电机中，所述曲线切面的弧度为g/2，所述定子的单个齿靴所占角度为h；
0.7≥g/h≥0.4。
优选地，上述切向式电机中，所述定子上的槽数为q，所述曲线切面的弧度为g/2；曲线任意点连线与曲线连接点连线之间的夹角设为θ2，所述曲线任意点连线为所述曲线切面上任意一点与所述定子圆心的连线，所述曲线连接点连线为t连接点与所述定子圆心的连线，所述t连接点为所述中间面与所述曲线切面的连接点；所述曲线切面上任意一点与所述定子圆心之间的距离为定子切边径r4，所述定子切边径r4与所述定子的内圆半径r3满足以下关系：
从上述的技术方案可以看出，本发明提供的切向电机转子，外表面具有与切向式电机转子内的磁钢对应设置的切边结构。通过设置上述切边结构，能够改变电机沿切向内圆表面的各个位置的气隙长度，进而改善气隙磁场，使得气隙磁密及反电势波形正弦度提高，降低了谐波占比，进而降低了转矩脉动，有效降低了电机振动噪声。
本发明还提供了一种具有上述切向式电机转子的切向式电机。由于上述切向式电机转子具有上述技术效果，具有上述切向式电机转子的切向式电机也应具有同样的技术效果，在此不再一一累述。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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。
图1为现有技术中的一种电机的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的第一种切向式电机的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的第一种切向式电机的定子的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的第一种切向式电机转子的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的第二种切向式电机的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的第二种切向式电机转子的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的第三种切向式电机的结构示意图；
图8为本发明实施例提供的第三种切向式电机的定子的结构示意图；
图9为本发明实施例提供的第三种切向式电机转子的结构示意图；
图10为本发明实施例提供的切向电机与现有技术中的一种切向电机的转矩脉动对比图。
具体实施方式
本发明公开了一种切向电机转子，以提高制热效果及制热效率。本发明还提供了一种具有上述切向电机转子的电机。
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，都属于本发明保护的范围。
请参考图2-6所示，本发明实施例提供了一种切向式电机转子，切向式电机转子具有朝向定子4的外表面，外表面具有与切向式电机转子内的磁钢2对应设置的切边结构。
本发明实施例提供的切向式电机转子，外表面具有与切向式电机转子内的磁钢2对应设置的切边结构。通过设置上述切边结构，能够改变电机沿切向内圆表面的各个位置的气隙长度，进而改善气隙磁场，使得气隙磁密及反电势波形正弦度提高，降低了谐波占比，进而降低了转矩脉动，有效降低了电机振动噪声。
可以理解的是，磁钢2对应设置的切边结构与磁钢2沿切向式电机转子的径向对齐。切边结构为在现有的实体结构上切除一部分后的边缘结构。切向式电机转子包括转轴3、转子铁心1及磁钢2。定子4上开设有定子槽41，定子槽41具有朝向切向式电机转子设置的开口42。开口42的宽度为k。
在本实施例中，切向式电机转子包含多个切向磁化的永磁体，相邻的两个永磁体具有相同的极性相对设置。
优选地，外表面的切边结构为与外表面的整弧面11连接的偏心弧面12，偏心弧面12朝向切向式电机转子的内侧弯曲；偏心弧面12与整弧面11平滑过渡。在本实施例中，对切向式电机转子的转子铁心1的外表面进行切除，而定子4的结构可以与现有技术中的定子4相同。其中，偏心弧面12为圆心与切向式电机转子的圆心不重合的弧面结构。
当然，也可以将外侧面的切边结构设置为其他结构，如平面等。
偏心弧面12越靠近磁钢2的磁极分界线，偏心弧面12的弧度越大。其中，偏心弧面与整弧面11的连接点为e点，偏心弧面12从e点开始朝向磁极分界线方向沿曲线函数变化,转子铁心1的偏心弧面12沿圆周方向延展。通过上述设置，使得磁路的气隙磁导更均匀。
优选地，偏心弧面12的弧度为a，切向式电机转子的单个磁极所占角度为f。通过设置偏心弧面12，使得转子铁心1设有切边，转子两磁极中心线之间的转子外壁由一段整弧面11、一段偏心弧面12及一段整弧面11组成，偏心弧面12位于中间位置，偏心弧面12是在现有完整的圆弧面(全部为整弧面11)切割后产生的。整弧面11的半径设为r1，通过偏心弧面12的设置，对转子的外周进行了切边，偏心弧面12的弧度小于整弧面11的弧度，偏心弧面12关于磁钢槽的中心线对称，偏心弧面12是曲线面，曲线平滑过渡，偏心弧面12从e点开始朝向永磁体槽中心线方向沿曲线函数变化。偏心弧面12沿圆周方向延展，偏心弧面12越靠近磁极中心线。经过仿真研究发现，偏心弧面12的弧度与整弧面11的弧度的比值对气隙磁密谐波占比影响较大。在转子上设置偏心弧面12，改变了转子的磁极形状，磁极呈凸极形状，使得转子表面各处的气隙长度不等。当a/f≥0.7时，磁极两侧的气隙长度增加，降低了磁极两侧的气隙磁导及磁极两侧的气隙磁密，使得磁导的变化更均匀，使气隙磁密的波形更接近正弦波，降低气隙磁密、反电势谐波占比，进而降低了振动噪声。但是，当a/f＞0.95时，磁极两侧切边弧度过大，导致转子表面各处的气隙长度均增加，转子表面各处的气隙磁导均减小，转子表面的气隙磁密均降低，气隙磁密波形没有改善，波形畸变率仍较高，电机振动噪声仍较大，同时气隙长度过长，电机的磁链及电机的转矩降低，导致电机效率降低。因此，优选地，0.95≥a/f≥0.7。
如图10所示，在本实施例中，电机的磁极对数为p，偏心弧面12的弧度为a，偏心任意点连线与偏心连接点连线之间的夹角设为θ1，偏心任意点连线为偏心弧面上任意一点与表贴式电机转子圆心的连线，偏心连接点连线为e连接点与表贴式电机转子圆心的连线，e连接点为中间弧面与偏心弧面的连接点。即，a/2＞θ1＞0°，偏心弧面12沿曲线变化的过程中θ1逐渐变大，直至e点变化到磁钢中心线上。偏心弧面12上任意一点与切向式电机转子的圆心之间的距离为偏心径r2。可以理解的是，偏心径r2由e点沿曲线变化的过程中逐渐变小。偏心径r2与整弧面11的半径r1满足以下关系：
如图5及图6所示，在第二种实施例中，切向式电机转子的磁钢槽具有朝向切向式电机转子外侧设置的开口13，开口的宽度l小于磁钢槽的宽度m。通过上述设置，使得磁钢2在高速运行时不易由磁钢槽飞出，保证转子结构的机械强度。
优选地，开口13的开口侧面为平面。
进一步地，开口13相对于磁钢槽的中心线对称设置。通过上述设置，使得开口两侧均具有阻挡磁钢2飞出磁钢槽的实体部分。
优选地，0.6≥l/m≥0.5。在此范围内，开口13加大了转子表面该位置处的气隙长度，使得电机磁路的气隙磁导过渡的更均匀，提高了气隙磁密波形正弦度，降低了谐波占比、转矩脉动、振动噪声及谐波损耗，提高了电机效率。
在本实施例中，由于转子永磁体槽的开口13的底面平整，关于永磁体槽中心线对称，开口型中心线处厚，两侧薄。开口13与磁钢槽的中心线对应设置的理论厚度设为u，即，不设置开口13时，偏心弧面12与磁钢槽的中心线对应设置到开口13的底面的距离为理论厚度u，开口13两侧的厚度设为v；此时，1.2≥u/v≥1.1。通过上述设置，加大了气隙长度的同时减小气隙长度的突变，进而提高了电机磁路的气隙磁导过渡的均匀性，提高了气隙磁密波形正弦度，降低了谐波占比及振动噪声。
可以理解的是，在定子4与磁钢2均未切边的位置，气隙最小，气隙长度为d，从气隙最小的位置沿转子的磁钢2表面顺时针或逆时针方向移动，气隙长度逐渐变大。
本发明实施例还提供了一种具有上述切向式电机转子的切向式电机。本发明实施例提供的切向式电机具有与上述切向式电机转子相同的技术效果，在此不再一一累述。
优选地，本发明实施例提供的切向式电机转子中，定子的齿靴具有朝向表贴式电机转子的内侧面，内侧面的两侧具有沿其中心线对称设置的切边结构。
本发明实施例提供的定子，通过在内侧面的两侧具有沿其中心线对称设置的切边结构，能够改变电机沿定子1内圆表面的各个位置的气隙长度，进而改善气隙磁场，使得气隙磁密及反电势波形正弦度提高，降低了谐波占比，进而降低了转矩脉动，有效降低了电机振动噪声。
可以理解的是，切边结构为在现有的实体结构上切除一部分后的边缘结构。
优选地，内侧面的切边结构为设置于内侧面的中间面两侧的曲线切面43，曲线切面43朝向定子的内侧弯曲。在本实施例中，对定子4齿靴的内表面进行切除，而转子的结构可以与现有技术中的转子相同。
当然，也可以将内侧面的切边结构设置为其他结构，如平面等。
其中，曲线切面43的弧度为g/2，定子的单个齿靴所占角度为h；如图8所示，中间面与曲线切面43的连接点为t点，定子4齿靴的切削位置(曲线切面43)靠近定转子之间气隙的部分。经过仿真研究发现，曲线切面43(定子4齿靴的切削位置)所占弧度与单个齿靴所占角度为h比值对气隙磁密谐波占比影响较大。当g/h≥0.4时，曲线切面43的弧度较大，使定子4内表面的气隙长度过渡的更均匀，提高了磁路气隙磁导的均匀性，改善气隙磁密、反电势波形，降低谐波占比，降低电机振动噪声。但是，当g/h＞0.7后，曲线切面43的弧度角过大，磁通过度集中在定子4齿靴的中心线处，使得该处的气隙磁密过高，气隙磁密波形畸变严重，谐波占比增加，电机振动噪声加大。因此，优选地，0.7≥g/h≥0.4。
进一步地，在本实施例中，定子上的槽数为q，曲线切面43的弧度为g/2，曲线任意点连线与曲线连接点连线之间的夹角设为θ2，曲线任意点连线为曲线切面上任意一点与定子4圆心的连线；曲线连接点连线为t连接点与定子1圆心的连线，t连接点为中间面与曲线切面的连接点，即，g/2＞θ2＞0o，其中，定子4与转子同心，定子4的切边沿曲线变化的过程中θ2逐渐变大，曲线切面43从点t开始沿曲线变化，直至与定子4齿靴的边缘线重合。曲线切面43上任意一点与定子4圆心之间的距离为定子4切边径r4。即，定子4切边径r4从t点沿曲线变化的过程中逐渐变大，定子4切边径r4与定子4的内圆半径(即中间面的半径)r3满足以下关系：
其中，q≥4。本实施例中，q＝12。
可以理解的是，在定子4与磁钢2均未切边的位置，气隙最小，气隙长度为d，从气隙最小的位置沿转子的磁钢2表面顺时针或逆时针方向移动，气隙长度逐渐变大。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
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