一种永磁电机及其转子的制作方法

本发明涉及电机技术领域，特别是涉及一种转子。此外，本发明还涉及一种包括上述转子的永磁电机。

背景技术：

与感应电机相比，永磁电机具有效率高、功率因数高以及经济运行范围宽等优势，在节能减排的趋势下，这些优势使永磁电机具有广阔的发展前景。目前，永磁电机通过异步起动的方式来逐渐达到稳态运行的工况，永磁电机的转子内设有磁钢或其他的永磁体，这些磁钢在电机异步起动的过程中产生制动转矩，使转子的旋转受到阻碍，进而降低电机的起动性能。

因此，如何提高永磁电机的起动性能是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种转子，该转子能够减小起动过程中的制动转矩，解决了永磁电机起动性能低的问题，还能够提高永磁电机的稳态运行性能。本发明的另一目的是提供一种包括上述转子的永磁电机。

为实现上述目的，本发明提供一种转子，包括：具有磁极槽的转子铁芯；围绕所述转子铁芯设置、用以当起动时产生异步转矩的起动导条；其中，所述磁极槽的中心处设置有用以沿所述转子铁芯径向移动的导磁部；设于所述磁极槽内并与所述导磁部相抵、用以产生弹力以平衡所述导磁部离心力的弹性部；设于所述磁极槽内且分设于所述导磁部两侧、用以当起动时产生制动转矩、当稳态时产生电磁转矩的永磁体。

优选地，所述转子铁芯具有偶数个所述磁极槽，且全部所述磁极槽沿所述转子铁芯的周向均匀分布。

优选地，所述转子铁芯的外周具有多个转子齿；其中，全部所述转子齿均匀分布，且任意相邻的两个所述转子齿之间形成用以设置所述起动导条的转子槽。

优选地，所述起动导条具体为铸铝导条。

优选地，所述导磁部由矩形硅钢片叠压制成。

优选地，所述弹性部具体为弹簧。

优选地，所述磁极槽具有：用以设置所述弹性部的定位槽；用以设置所述导磁部并当起动时供所述导磁部沿所述转子铁芯的径向离心移动的导磁槽；分别用以设置所述导磁部两侧所述永磁体的第一安装槽和第二安装槽；其中，所述定位槽、所述第一安装槽和所述第二安装槽三者均与所述导磁槽连通；所述第一安装槽和所述第二安装槽相对于所述导磁槽对称设置；所述定位槽较所述导磁槽远离所述转子铁芯的中心设置。

优选地，所述磁极槽呈v形，且所述磁极槽的开口朝向所述转子铁芯的外周方向；其中，所述磁极槽的转折处设置所述导磁部和所述弹性部。

优选地，所述磁极槽呈直线形。

相对于上述背景技术，本发明提供的转子，通过导磁部和弹性部在起动过程中增加位于导磁部两侧永磁体之间的漏磁量来提高永磁电机的起动性能。具体来说，在起动的过程中，导磁部能够增加位于同一磁极槽且分设于导磁部两侧的永磁体之间的漏磁量，使永磁体所发出的磁通量减小，进而使空载反电势减小，相应地使永磁体产生的制动转矩减小，并且起动导条所产生的异步转矩不受漏磁量的影响，最终提高了永磁电机的起动性能。

本发明还提供一种永磁电机，包括定子和设于所述定子、用以产生交变磁场的定子绕组，还包括设于所述定子内、如上述任一项所述的转子。

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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的第一种转子的截面示意图；

图2为图1中转子铁芯的截面示意图；

图3为本发明所提供的导磁部在起动过程中的受力示意图；

图4为本发明所提供的第二种转子的截面示意图；

图5为图4中转子铁芯的截面示意图；

图6为本发明所提供的第三种转子铁芯的截面示意图；

其中，

1-转子铁芯、11-转子齿、12-转子槽、2-磁极槽、21-定位槽、22-导磁槽、23-第一安装槽、24-第二安装槽、3-导磁部、4-弹性部、5-永磁体、51-第一磁钢、52-第二磁钢。

具体实施方式

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。

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1至图6，图1为本发明所提供的第一种转子的截面示意图；图2为图1中转子铁芯的截面示意图；图3为本发明所提供的导磁部在起动过程中的受力示意图；图4为本发明所提供的第二种转子的截面示意图；图5为图4中转子铁芯的截面示意图；图6为本发明所提供的第三种转子铁芯的截面示意图。

本发明所提供的一种转子，如图1至图6所示，该转子包括：转子铁芯1和设于转子铁芯1外周的起动导条(图中未示)。其中，起动导条能够在永磁电机异步起动时为转子铁芯1提供起驱动作用的异步转矩。

如图1、图2以及图4至图6所示，转子铁芯1设有磁极槽2，磁极槽2用于设置由磁铁或铝镍钴合金等材料制成的永磁体5，且永磁体5优选为本技术领域普遍采用的磁钢，这些永磁体5用于当转子铁芯1到达额定转速时为转子铁芯1提供起驱动作用的电磁转矩，但是这些永磁体5在异步起动的过程中会产生限制转子铁芯1提高转速的制动转矩，也即制动转矩的方向与上述异步转矩的方向相反，但其数值小于异步转矩的大小，进而不利于转子铁芯1的提速，造成永磁电机的起动性能较差。

为了提高永磁电机的起动性能，如图1、图3和图4所示，在磁极槽2的中心处设置有导磁部3和弹性部4，也即上述磁极槽2内的永磁体5(也即磁钢)分设于导磁部3的两侧。为了便于描述，如图1和图3所示，位于导磁部3一侧的磁钢称为第一磁钢51，而位于导磁部3另一侧的磁钢称为第二磁钢52。

需要说明的是，这里的“中心处”是指磁极槽2的对称中心；而第一磁钢51和第二磁钢52是指在磁极槽2内被导磁部3分割成的两段磁钢，并不表示第一磁钢51和第二磁钢52均仅为一整块磁钢，第一磁钢51和第二磁钢52还可以均为多块磁钢的集合体，以图6举例来说，磁极槽2将被导磁部3分隔为两部分，而这两部分均呈弯折的形状，为了避免增大磁钢的制造难度，进而需要在每一部分处设置两块直线形状的磁钢。

上述导磁部3能够随转子铁芯1的转动而产生离心力并沿转子铁芯1的径向运动，其功能是增加第一磁钢51和第二磁钢52之间的漏磁量，进而降低第一磁钢51和第二磁钢52所发出的磁通量。与导磁部3相抵的弹性部4能够根据转子铁芯1的转速调整导磁部3在磁极槽2内沿转子铁芯1径向的位置，以实现根据转子铁芯1的转速而调整第一磁钢51和第二磁钢52之间的漏磁量。

具体来说，当转子铁芯1转动时，导磁部3将受到离心力并压缩弹性部4，弹性部4进而发生弹性形变以产生能够平衡上述离心力的弹力，随着转子铁芯1转速的提高，导磁部3受到的离心力越大，弹性部4的弹性形变量也会增大，导磁部3逐渐向远离转子铁芯1中心的方向移动，使导磁部3对第一磁钢51和第二磁钢52两者的导磁作用减小，进而使第一磁钢51和第二磁钢52之间的漏磁量逐渐减小，当转子铁芯1的转速达到额定转速时，导磁部3到达极限位置，使上述漏磁量达到最小值。

下面利用物理学的相关公式对上述导磁部3的受力进行详细地说明。

导磁部3随转子铁芯1旋转所受到的离心力f1的表达式为：

f1＝mω²r

而导磁部3受到弹性部4反弹力f的表达式为：

f＝kx

式中，m为导磁部3的质量，ω为导磁部3的旋转角速度，r为导磁部3沿转子铁芯1的径向到转子铁芯1中心的距离，k为弹性部4的弹性系数，x为弹性部4的形变量。

如图3所示，在起动过程中，与转子铁芯1视为同一转动体的导磁部3的角速度ω逐渐增大，离心力f1逐渐增大，进而压缩弹性部4使弹性部4产生弹性形变，以供弹性部4产生与离心力f1方向相反的反弹力f，使导磁部3随弹性部4的收缩而离心移动，当转子铁芯1达到额定转速并稳定不变时，离心力f1达到最大值，使弹性部4的形变量x达到最大值，进而使导磁部3的位置保持固定。

下面利用电机学的相关公式对本发明所提供的技术方案进行详细地说明。

上述起动导条在异步起动过程中所产生的异步转矩tc的表达式为：

而上述永磁体5在异步起动过程中所产生的制动转矩tg的表达式为：

式中，m为相数，p为极对数，f为额定频率，s为转差率，c1为修正系数，r2'为转子电阻折算值，x2'为转子漏抗折算值，r1为定子电阻，x1为定子漏抗，xq为交轴同步电抗，xd为直轴同步电抗，u为外加电压，e0为空载反电势。

而制动转矩tg的表达式中空载反电势e0的表达式为：

e0＝4.44fkdpnφδkφ

式中，kdp为绕组因数，n为每相绕组串联匝数，φδ为空载主磁通，kφ为气隙磁通波形系数，其他未进行说明的字母参数请参照上述式中的对应关系，这里不再赘述。

可以看出，永磁电机在起动的过程中(0<转差率s<1)，制动转矩tg的大小与e0²(即空载反电势的平方)成正比，而异步转矩tc与空载反电势e0的大小无关；换句话说，空载反电势e0越大，对起动的阻碍程度越大，因此需要减小空载反电势e0来提高永磁电机的起动性能。

根据上面的表述可知，在异步起动的过程中，导磁部3能够增加第一磁钢51和第二磁钢52之间的漏磁量，使第一磁钢51和第二磁钢52所发出的空载主磁通φδ减小，进而使空载反电势e0减小，以减小制动转矩对转子铁芯1提高转速的限制作用，最终达到提升永磁电机起动性能的目的。

需要说明的是，随着转子铁芯1转速的逐渐提高，第一磁钢51和第二磁钢52两者与导磁部3之间形成逐渐变宽的空气隔磁桥。其中，空气隔磁桥的导磁率低于导磁部3的导磁率，它能够减少第一磁钢51和第二磁钢52的漏磁量，并且随着空气隔磁桥的宽度增大，第一磁钢51和第二磁钢52之间的漏磁量越小，这样虽然会逐渐增大空载主磁通φδ，但是相比于未设置导磁部3和弹性部4，本技术方案中空载反电势e0的值依然较小，仍有利于永磁电机的起动。也就是说，当刚开始起动时，导磁部3和弹性部4对永磁电机起动性能的提升效果最好，提高永磁电机的起动成功率，随着转子铁芯1的转速逐渐增加，提升效果逐渐下降，但仍对起动性能起有利的作用，直至转子铁芯1达到额定转速。

当转子铁芯1达到额定转速时(转差率s＝0)，根据上述公式可知异步转矩tc＝0，也即起动导条不再起驱动作用，而永磁体5在磁场中产生的电磁转矩tem驱动转子铁芯1保持额定转速旋转，该电磁转矩tem的表达式具体为：

式中，ωs为同步电角速度，θ为功率角，其他未进行说明的字母参数请参照上述式中的对应关系，这里不再赘述。

可以看出，在永磁电机在稳态运行的过程中，电磁转矩tem与空载反电势e0成正相关关系，也即若空载反电势e0越大，则电磁转矩tem越大，进而越有利于牵引铁芯转子在额定转速转动，因此需要增大空载反电势e0来提高永磁电机的稳态运行性能。

根据上面的表述可知，当转子铁芯1的转速达到额定转速时，导磁部3到达极限位置，进而使第一磁钢51和第二磁钢52之间形成宽度最大化的空气隔磁桥，并同时使导磁部3在第一磁钢51和第二磁钢52之间起到较小的导磁作用，使第一磁钢51和第二磁钢52所发出的空载主磁通φδ增加，进而使空载反电势e0增大，最终达到提升永磁电机稳态运行性能的目的。

需要说明的是，上述三种转矩的表达式的出处是参考杜海棠发表的《5.5kw异步起动永磁同步电机设计与仿真分析》和阮天虎发表的《高性能异步起动永磁同步电机的研究与设计》这两篇论文文献；若上述描述中有尚未详细说明的地方，还请参照上述两篇文献的内容，这里不再赘述。

综上所述，导磁部3和弹性部4能够提升永磁电机的起动性能和稳态运行性能，换句话说，本技术方案的核心即在磁极槽2中设置导磁部3和弹性部4，使本转子通过弹性部4平衡导磁部3受到的离心力f1，进而导磁部3随弹性部4的弹性形变而发生移动，实现在起动过程中增大第一磁钢51和第二磁钢52之间的漏磁量，并且实现在稳态运行时减小第一磁钢51和第二磁钢52之间的漏磁量。

应当理解的是，磁极槽2内的永磁体5(即磁钢)均为具有n极和s极的磁钢，其n极和s极分别朝向磁极槽2沿转子铁芯1径向方向的两侧，而且任意相邻的两个磁极槽2内永磁体5的设置方式相反，也即其中一个磁极槽2内永磁体5的n极朝向转子铁芯1的中心，而另一个磁极槽2内永磁体5的s极朝向转子铁芯1的中心。

还需要补充的是，位于同一磁极槽2内的第一磁钢51和第二磁钢52之间漏磁的磁力线是从其中一个永磁体5(第一磁钢51或第二磁钢52)的n极处穿过导磁部3到达另一个永磁体5(第二磁钢52或第一磁钢51)的s极处，其中，在永磁异步起动和稳态运行的过程中，上述磁力线从n极经过导磁部3后还需经过空气隔磁桥再到达s极。

根据电机学常识可知，电机内的磁极都是成对出现的，所以电机内的磁极均为偶数，因此，用于容纳永磁体5的磁极槽2作为磁极也应设置有偶数个，也即磁极槽2的数目可以设置为二、四、六或其他偶数个；并且为了转子铁芯1的平稳旋转，全部磁极槽2沿转子铁芯1的周向均匀分布。作为优选，如图2、图5和图6所示，转子铁芯1设置四个磁极槽2。

为了装设起动导条，如图1至图6所示，在转子铁芯1的外周具有多个转子齿11，其中，全部转子齿11均匀分布，使任意相邻的两个转子齿11之间形成相同大小的转子槽12，而转子槽12用于放置起动导条，使起动导条的牵引力作用于转子齿11，以实现驱动转子铁芯1转动。

需要说明的是，根据常识，本转子铁芯1应采用硅钢片叠压制成；上述起动导条优选为铸铝导条，其中，铸铝导条的结构和功能原理请参考现有技术，这里不再赘述。

为了避免导磁部3在磁场中产生涡流现象，导磁部3优选由矩形硅钢片叠压制成；弹性部4优选为弹簧，并且同样地为了避免弹性部4在磁场中产生涡流现象，弹簧优选由铜等导磁性能差的材料制成。

这里针对磁极槽2的构造给出以下的具体实施方式：

如图2、图5和图6所示，磁极槽2具有：定位槽21、导磁槽22、第一安装槽23和第二安装槽24。导磁槽22用于放置导磁部3，且导磁槽22沿转子铁芯1的径向的宽度应大于导磁部3沿转子铁芯1的径向设置的宽度，以实现当异步启动时导磁部3能够在导磁槽22内做离心移动，使导磁部3与导磁槽22靠近转子铁芯1中心的内侧面之间形成空气隔磁桥；定位槽21用于放置弹性部4；第一安装槽23和第二安装槽24分设于导磁槽22的两侧，并分别用来放置上述第一磁钢51和第二磁钢52。

需要说明的是，上述第一安装槽23和第二安装槽24应关于导磁槽22对称设置，以保证转子铁芯1的平稳转动；为了使弹性部4能够平衡导磁部3所受到的离心力，定位槽21应相比于导磁槽22远离转子铁芯1的中心设置，并且为了实现弹性部4与导磁部3相抵，定位槽21应与导磁槽22连通，以供导磁部3压缩弹性部4；为了便于生产制造，第一安装槽23和第二安装槽24均与导磁槽22连通。

作为优选，当转子铁芯1达到额定转速时，导磁部3与导磁槽22的外边缘表面抵贴，以避免导磁部3受到过大的离心力而过度压缩弹性部4，进而提高弹性部4的使用寿命。

进一步优选地，如图1至图6所示，上述第一安装槽23与导磁槽22之间设有用于固定第一磁钢51的定位阶沿，进而使第一磁钢51抵贴于该定位阶沿而实现第一安装槽23对第一磁钢51的安装定位；同理，第二安装槽24与导磁槽22之间也设有用于固定第二磁钢52的定位阶沿。

这里针对磁极槽2的形状给出以下两种具体实施方式：

在第一种具体实施方式中，如图1至图3所示，磁极槽2的截面呈v形，也即上述第一安装槽23和第二安装槽24均呈直线形，并呈一定夹角设置(不包括两者平行或共线的情况)，而导磁槽22作为v形开口的底端并靠向转子铁芯1的中心设置，也即磁极槽2的开口应朝向转子铁芯1的外周方向设置。

换句话说，导磁槽22和定位槽21作为v形磁极槽2的转折处，而第一安装槽23和第二安装槽24作为v形磁极槽2的两端。

在第二种具体实施方式中，如图4和图5所示，磁极槽2的截面呈直线形，也即上述第一安装槽23和第二安装槽24共线设置，导磁槽22和定位槽21则位于第一安装槽23和第二安装槽24之间。

需要说明的是，磁极槽2的截面还可以呈其他的开口形状，如图6所示的碗形，但为了避免永磁体5产生的磁场不经过转子铁芯1而导致转子铁芯1无法转动，磁极槽2的开口应朝向转子铁芯1的外周设置。

本发明提供的一种永磁电机，包括定子和定子绕组，定子绕组绕制于定子并用于产生交变磁场，本永磁电机还包括设于该定子内、如上所述的转子；而定子、定子绕组以及永磁电机其他部分的结构和功能原理均可以参照其他部分，本文不再展开。

需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另外几个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上对本发明所提供的永磁电机及其转子进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。