转子组件和永磁电机的制作方法

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：

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。

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。

技术实现要素：

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。

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，转子铁芯包括位于安装槽径向外侧的转子极靴，转子极靴上设置有沿周向延伸的第一空气槽，第一空气槽位于磁极中心线上。

优选地，第一空气槽为至少两个，至少两个第一空气槽沿径向间隔排布在磁极中心线上。

优选地，第一空气槽为两个，靠近转子铁芯的中心轴线的第一空气槽径向厚度为tr71，远离转子铁芯的中心轴线的第一空气槽径向厚度为tr72，其中tr72/tr71＝0.4～0.7。

优选地，位于磁极中心线上的转子极靴的径向厚度为trs7，(tr71+tr72)/trs7＝0.1～0.3。

优选地，在垂直于转子铁芯的中心轴线的平面内，第一空气槽的径向外周侧的两个端点和转子铁芯的中心的连线所形成的夹角为ar7，永磁体的径向外周侧的两个端点和转子铁芯的中心的连线所形成的夹角为ar4，其中ar7/ar4＝0.08～0.3。

优选地，永磁中心线两侧分别设置有第二空气槽，相邻的两个第二空气槽之间沿周向间隔设置。

优选地，位于磁极中心线两侧的第二空气槽关于磁极中心线对称。

优选地，位于磁极中心线两侧的第二空气槽之间的周向间隙宽度大于第一空气槽的周向宽度，第一空气槽位于两个第二空气槽之间。

优选地，第二空气槽为两个，在垂直于转子铁芯的中心轴线的平面内，两个第二空气槽的径向外周侧靠近磁极中心线的端点与转子铁芯的中心的连线所形成的夹角为ar6，永磁体的径向外周侧的两个端点和转子铁芯的中心的连线所形成的夹角为ar4，其中ar6/ar4＝0.3～0.6。

优选地，第二空气槽为两个，在垂直于转子铁芯的中心轴线的平面内，第二空气槽的径向厚度为tr6，与第二空气槽同一径向的转子极靴的径向厚度为trs6，其中tr6/trs6＝0.2～0.4。

优选地，安装槽的周向两端分别设置有第三空气槽，第三空气槽从安装槽向径向外侧延伸，第三空气槽靠近磁极中心线的侧壁槽壁上设置有第四空气槽，第四空气槽从槽壁向磁极中心线延伸，第四空气槽的径向厚度小于第三空气槽的径向厚度。

优选地，当转子铁芯上设置有第二空气槽时，第二空气槽位于第四空气槽和第一空气槽之间。

优选地，在垂直于转子铁芯的中心轴线的平面内，两个第四空气槽的径向外周侧靠近磁极中心线的端点与转子铁芯的中心的连线所形成的夹角为ar5，永磁体的径向外周侧的两个端点和转子铁芯的中心的连线所形成的夹角为ar4，其中ar5/ar4＝0.7～0.9。

优选地，在垂直于转子铁芯的中心轴线的平面内，第三空气槽的径向外周侧为圆弧，该圆弧的弧度为arg5，第四空气槽的径向外周侧为圆弧，该圆弧的弧度为arg51，其中arg51/arg5＝0.05～0.15。

优选地，第四空气槽设置在第三空气槽的径向外周侧。

优选地，在垂直于转子铁芯的中心轴线的平面内，第四空气槽的径向厚度为w51，与第四空气槽同一径向的转子极靴的径向厚度为w52，其中w51/w52＝0.1～0.3。

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。

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，圆弧面的中心角为as21，定子齿靴的两端平面所形成的夹角为as22，其中as21/as22＝0.5～0.7。

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，转子铁芯包括位于安装槽径向外侧的转子极靴，转子极靴上设置有沿周向延伸的第一空气槽，第一空气槽位于磁极中心线上。相对于现有技术的转子极靴设置径向延伸的狭槽结构而言，本申请中对第一空气槽的结构进行了改善，将其设置为沿周向延伸，从而能够有效加大第一空气槽在转子极靴部分的周向上的长度，使得第一空气槽能够明显改善转子极靴上供磁力线经过的转子铁芯的宽度，缩短第一空气槽在径向方向上的宽度，加大第一空气槽对气隙磁场的调节作用，同时能够有效避免在转子极靴增加太多磁阻而造成转矩下降，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，保证电机具有较好的转矩输出能力。

附图说明

图1为本申请第一实施例的转子组件的结构示意图；

图2为本申请第一实施例的转子组件的尺寸结构图；

图3为本申请第一实施例的转子组件的磁力线分布图；

图4为本申请第一实施例的转子组件与现有技术的转子组件的反电势对比图；

图5为本申请第一实施例的转子组件与现有技术的转子组件的转矩对比图；

图6为本申请第二实施例的转子组件的结构示意图；

图7为本申请第二实施例的转子组件的尺寸结构图；

图8为本申请第二实施例的转子组件的磁力线分布图；

图9为本申请第二实施例的转子组件与现有技术的转子组件的反电势对比图；

图10为本申请第二实施例的转子组件与现有技术的转子组件的转矩对比图。

附图标记表示为：

1、转子铁芯；2、安装槽；3、永磁体；4、转子极靴；5、第一空气槽；6、第二空气槽；7、第三空气槽；8、第四空气槽；9、定子组件；10、定子齿靴。

具体实施方式

结合参见图1至图10所示，根据本申请的实施例，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，转子铁芯1包括位于安装槽2径向外侧的转子极靴4，转子极靴4上设置有沿周向延伸的第一空气槽5，第一空气槽5位于磁极中心线上。为了便于表述，下述的各实施例均以同一永磁极的结构为例进行说明。

相对于现有技术的转子极靴4设置径向延伸的狭槽结构而言，本申请中对第一空气槽5的结构进行了改善，将其设置为沿周向延伸，从而能够有效加大第一空气槽5在转子极靴部分的周向上的长度，使得第一空气槽5能够明显改善转子极靴上供磁力线经过的转子铁芯的宽度，缩短第一空气槽5在径向方向上的宽度，加大第一空气槽5对气隙磁场的调节作用，同时能够有效避免在转子极靴4增加太多磁阻而造成转矩下降，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，保证电机具有较好的转矩输出能力。

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，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。

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，相邻永磁体3面向转子外周缘一侧的极性相反。

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。

结合参见图1至图5所示，根据本申请的第一实施例，第一空气槽5为至少两个，至少两个第一空气槽5沿径向间隔排布在磁极中心线上。通过在磁极中心线上设置多个间隔排布的第一空气槽5，能够使得磁极中心部的磁束整理槽形成两段分布，能够更加有效地调整磁力线分布，且不会像现有技术中的径向狭槽在极靴部分增加太多磁阻而造成转矩下降，因此能够有效降低永磁电机在运行过程中的转矩波动，保证较好的转矩输出能力。

在本实施例中，第一空气槽5为两个，靠近转子铁芯1的中心轴线的第一空气槽5径向厚度为tr71，远离转子铁芯1的中心轴线的第一空气槽5径向厚度为tr72，其中tr72/tr71＝0.4～0.7。该比值能在保证降低转矩波动，增大反电势幅值的同时，不使磁阻过大，影响输出转矩，因为无论是tr72还是tr71过大，均会增大转子磁轭上的磁阻，影响转矩输出，同时使转子磁轭上能通过磁力线的有效面积减小，可能导致磁密在某处过于集中，引起磁密的非均匀性，造成转矩波动；而tr72或tr71过小，则使磁阻变化很小，降低转矩波动的效果不明显。

两个第一空气槽5在靠近转子铁芯1外侧圆周的一侧以及该侧的相对侧均为圆弧形，从而使得两个第一空气槽5呈现扇形槽结构。优选地，两个第一空气槽5的弧度相同。通过设置两个第一空气槽5，能够有效降低转矩波动，增大反电势幅值，如图4所示。同样地，两个第一空气槽5的厚度和宽度均不能过大，以免使磁阻过大，降低电机性能，通过限定两个第一空气槽5的厚度比例关系，使其满足tr72/tr71＝0.4～0.7，能够对两个第一空气槽5的厚度分布形成合理限制。

优选地，位于磁极中心线上的转子极靴4的径向厚度为trs7，(tr71+tr72)/trs7＝0.1～0.3。该公式结合两个第一空气槽5的厚度比例关系的公式，能够对两个第一空气槽5的厚度形成更加准确有效的限制，从而增强两个第一空气槽5的结构设计合理性，更加有效地提高电机性能。

在垂直于转子铁芯1的中心轴线的平面内，第一空气槽5的径向外周侧的两个端点和转子铁芯1的中心的连线所形成的夹角为ar7，永磁体3的径向外周侧的两个端点和转子铁芯1的中心的连线所形成的夹角为ar4，其中ar7/ar4＝0.08～0.3。该比值能保证第一空气槽5在沿转子外周缘具有一合适的周向宽度，若ar7过小，磁阻变化很小，降低转矩波动的效果不明显，若ar7过大，则会影响磁力线从永磁体3到达转子极靴上靠近外周缘的磁轭上，降低转矩。

永磁中心线两侧分别设置有第二空气槽6，相邻的两个第二空气槽6之间沿周向间隔设置。第二空气槽6分布在永磁中心线的两侧，能够在增大磁矩、降低转矩波动的同时，改善反电势的波形，使得波形更加正弦化，有效增大电机输出转矩，降低转矩波动。

优选地，位于磁极中心线两侧的第二空气槽6关于磁极中心线对称，能够进一步通过第二空气槽6合理调节极靴部分的磁力线分布，改善反电势的波形。

位于磁极中心线两侧的第二空气槽6之间的周向间隙宽度大于第一空气槽5的周向宽度，第一空气槽5位于两个第二空气槽6之间。以两个第二空气槽6为例，当两个第二空气槽6之间的周向宽度大于第一空气槽5的周向宽度，且第一空气槽5位于两个第二空气槽6之间时，可以使得磁极中心线两侧的第二空气槽6和第一空气槽5所形成的磁路结构分布更加均匀，从而使得磁力线分布更加均匀，转矩波动更小，电机工作性能更加稳定可靠。

优选地，当第一空气槽5和第二空气槽6均为两个时，第一空气槽5沿周向方向位于两个第二空气槽6之间，第二空气槽6沿径向位于两个第一空气槽5之间，从而使得从永磁体3发出的磁力线可以先分散，然后聚拢，之后再分散，能够对磁力线进行多次调节，更加有效地改善气隙磁场，降低转矩波动，保证较好的转矩输出能力。

两个第一空气槽5和两个第二空气槽6能够形成四边形，且两个第一空气槽5和两个第二空气槽6分别位于四边形的四个顶点上，从而能够更好地降低电磁力的谐波，进而进一步降低转矩波动。第一空气槽5和第二空气槽6在改善磁密分布的同时，也使反电势峰值增大，从而有效增大电磁转矩。

在本实施例中，第二空气槽6为两个，在垂直于转子铁芯1的中心轴线的平面内，两个第二空气槽6的径向外周侧靠近磁极中心线的端点与转子铁芯1的中心的连线所形成的夹角为ar6，永磁体3的径向外周侧的两个端点和转子铁芯1的中心的连线所形成的夹角为ar4，其中ar6/ar4＝0.3～0.6。该比值能保证第二空气槽6位于第一空气槽5和第三空气槽7间的合适位置，不至于过于偏向第一空气槽5或第三空气槽7，若ar6过小，第二空气槽6偏向第一空气槽5，过于增大了磁极中心线处的磁阻，且使部分磁力线从较窄第一空气槽5和第二空气槽6间的极靴上通过，容易造成磁饱和；同样的，若ar6过大，第二空气槽6偏向第三空气槽7，在过于增大第二空气槽6和第三空气槽7处的磁阻的同时，没有有效增大磁极中心线处的磁阻，另外同样会使部分磁力线从较窄第二空气槽6和第三空气槽7间的极靴上通过，造成磁饱和。

第二空气槽6为两个，在垂直于转子铁芯1的中心轴线的平面内，第二空气槽6的径向厚度为tr6，与第二空气槽6同一径向的转子极靴4的径向厚度为trs6，其中tr6/trs6＝0.2～0.4。同一磁极下的两个第二空气槽6在靠近磁极中心线的两边形成夹角ar6，第二空气槽6的厚度为tr6，第二空气槽6在增大磁阻、降低转矩波动的同时，也能改善反电势的波形，使波形更加正弦化。需要说明的是第二空气槽6的厚度和宽度不能过大，以免使磁阻过大，降低电机性能，因此tr6与trs6的比值需满足tr6/trs6＝0.2～0.4。

安装槽2的周向两端分别设置有第三空气槽7，第三空气槽7从安装槽2向径向外侧延伸，第三空气槽7靠近磁极中心线的侧壁槽壁上设置有第四空气槽8，第四空气槽8从槽壁向磁极中心线延伸，第四空气槽8的径向厚度小于第三空气槽7的径向厚度。

第三空气槽7为矩形槽，第四空气槽8设置在第三空气槽7的靠近磁极中心线的侧边缘，并且与第三空气槽7相连通。第四空气槽8可以设置在第三空气槽7的侧边缘的径向内侧、中部或者外侧。分属不同磁极的相邻第三空气槽7之间互不连通，第三空气槽7在靠近转子铁芯1的外侧外周的一侧为圆弧形，圆弧中心为转子铁芯1的中心。该圆弧段与转子铁芯1的外圆不能过近，以防止磁桥过窄，出现磁饱和，第三空气槽7可以有效改善磁密在安装槽2端部的分布，使磁密分布更加对称，减少转矩波动，增大平均转矩，如图5所示.

第四空气槽8在靠近转子铁芯1外侧圆周的一侧为圆弧形，设置第四空气槽8可以增大该处的磁阻，降低转矩波动。在第三空气槽7和第四空气槽8的作用下，可以有效增大平均转矩、降低转矩波动。

当转子铁芯1上设置有第二空气槽6时，第二空气槽6位于第四空气槽8和第一空气槽5之间。

第一空气槽5、第二空气槽6、第三空气槽7和第四空气槽8在转子极靴4上分布，能够合理对转子极靴4的结构进行划分，改善转子极靴4所在区域的磁力线分布在第一空气槽5与第二空气槽6之间，以及第二空气槽6与第三空气槽7之间均形成合理结构的磁路通道，从而能够形成良好的磁束整理结构，在保证电机电磁转矩不受影响的前提下，可大幅降低永磁电机在运行过程中的转矩波动。此外，与现有技术相比，本申请的永磁电机还能够大幅提升电磁转矩能。

在垂直于转子铁芯1的中心轴线的平面内，两个第四空气槽8的径向外周侧靠近磁极中心线的端点与转子铁芯1的中心的连线所形成的夹角为ar5，永磁体3的径向外周侧的两个端点和转子铁芯1的中心的连线所形成的夹角为ar4，其中ar5/ar4＝0.7～0.9。该比值能有效约束第四空气槽8沿转子外周缘延伸的位置，若ar5过大，显然无法起到第四空气槽8降低转矩波动的效果，若ar5过小，则会显著增大第二空气槽6与转子极靴外周缘处的磁阻，影响磁力线在转子极靴上通过，降低转矩。

在垂直于转子铁芯1的中心轴线的平面内，第三空气槽7的径向外周侧为圆弧，该圆弧的弧度为arg5，第四空气槽8的径向外周侧为圆弧，该圆弧的弧度为arg51，其中arg51/arg5＝0.05～0.15。该比值同样能约束第四空气槽8沿转子外周缘延伸的位置，同时也能约束第三空气槽7和第四空气槽8的相对大小，arg5过大会增大相邻永磁体间的磁阻，使得相邻第三空气槽7间的磁轭宽度减小，影响磁力线通过，arg5过小又使磁阻改变小，无法有效降低转矩波动。

优选地，第四空气槽8设置在第三空气槽7的径向外周侧，且第四空气槽8的径向外周侧圆弧与第三空气槽7的径向外周侧的圆弧的结构相同，从而使得两者的径向外周侧位于同一圆周上，能够以转子铁芯1的中心为圆心，与转子铁芯1的外周壁之间形成均匀厚度的隔磁桥，进一步改善磁路结构，提高转矩输出，降低转矩波动。

在垂直于转子铁芯1的中心轴线的平面内，第四空气槽8的径向厚度为w51，与第四空气槽8同一径向的转子极靴4的径向厚度为w52，其中w51/w52＝0.1～0.3。该比值可以约束空气槽8的径向厚度w51，若w51过大，则过于增大了该处的磁阻，此外当w51/w52的比值为极限比值1时，则第四空气槽8与第三空气槽7合为一个空气槽，也就失去了第四空气槽8的作用，即适当增加该处的磁阻，降低转矩波动；若w51过小，显然对该处的磁阻影响不大，也无法有效降低转矩波动。

结合参见图6至图10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，第一空气槽5为一个。在本实施例中，只有一个第一空气槽5设置在磁极中心线上，第二空气槽6为两个，沿周向分布在第一空气槽5的两侧。相较于现有技术，本实施例的方案反电势波形更加趋于正弦化，且幅值较有所增大，电磁转矩也更大，转矩波动更小。

根据本申请的实施例，永磁电机包括定子组件9和转子组件，该转子组件为上述的转子组件。

在本实施例中，定子组件9包括定子轭、定子齿、焊接槽，其中定子轭上加工有焊接槽，用于将叠压后形成定子铁芯的软磁材料薄片焊接固定。定子齿用于进行绕组缠绕。定子齿靴10由圆弧段和直线段组成，在定子齿靴10的径向内周侧的中部为圆弧面，在定子齿靴10的周向方向的两端为平面。

定子组件9还包括定子齿靴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，圆弧面的中心角为as21，定子齿靴10的两端平面所形成的夹角为as22，其中as21/as22＝0.5～0.7。该比值能有效约束定转子间的气隙宽度，若as21过小，则越靠近定子齿中心处，气隙宽度越窄，气隙越不均匀，增大转矩波动；若as21过大，则定子齿两边的气隙就越小，部分磁力线从定子齿两边流向定子齿，降低定子齿上的转矩密度，降低转矩。

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。

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。