一种表贴式永磁同步电机的转子结构及转子组件的制作方法

本发明属于表贴式永磁同步电机技术领域，特指一种表贴式永磁同步电机的转子结构及转子组件。

背景技术：

新能源车以其环保的优点越来越受到大众的欢迎，其内部的车用空压机、转向系统等所用的辅驱系统对驱动电机具有较多的要求：高可靠性、高性能、高适配性，同时追求低成本、低重量，高响应速度等。

表贴式永磁同步电机(spm)将磁钢贴于转子铁芯表面，通过在磁钢表面套不锈钢套或者缠绕碳纤维等来加固磁钢(使其不受离心力影响而失效)，表贴式永磁同步电机因其高效率、高过载能力、高动态响应速度等优点在此领域得到广泛的应用。

现有的表贴式永磁同步电机的转子结构类型主要有两种：一种磁钢的内外表面均为圆弧，内表面的圆弧半径大于外表面的圆弧半径，以形成中间厚两端渐薄的截面形状，该种结构虽然能有效降低转矩波动及定位力矩，从而降低振动噪音，但该结构造成磁钢材料浪费较大，成本较大；另一种表贴式磁钢，磁钢内圆弧与外圆弧圆心在同一点，且与轴孔圆心重合，外弧半径大于内弧半径，且磁钢等厚，该种结构转矩波动大，容易产生振动噪音。

技术实现要素：

本发明的目的是为了提供一种能有效降低电机齿槽转矩、降低绕组谐波及齿谐波，很大程度上降低电机转矩波动，降低电机振动噪音并提升运行平稳性，同时还能够降低成本的表贴式永磁同步电机的转子结构及转子组件。

本发明的目的是这样实现的：

一种表贴式永磁同步电机的转子结构，包括转子冲片和设置在转子冲片上的磁钢，所述转子冲片的周面上均匀分布有若干所述磁钢，转子冲片中部开设有轴孔，所述磁钢底部为弧面，弧面的圆心与所述轴孔中心之间存在偏差，为偏心设置。

进一步设置为，所述转子冲片的周面上设有若干磁钢位，磁钢位包括与磁钢底部贴合的第二弧面，若干磁钢位的第二弧面最高点位于同一外圆上；所述磁钢包括n极磁钢和s极磁钢，n极磁钢和s极磁钢交替设置在所述磁钢位上。

进一步设置为，相邻两个所述磁钢位之间成型有磁桥，所述磁钢位与磁桥的数量均为电机极对数的2倍，所述第二弧面的圆心与所述轴孔中心之间距离偏差为δ，第二弧面的半径为r1，所述外圆的直径为d，δ、r1、d之间的关系为：r1±δ＝d/2，其中，0.05d≤δ≤0.2d。

进一步设置为，所述磁钢位为平行槽，磁钢位两侧的槽边相互平行，所述磁钢为平行磁钢，磁钢两侧边线相互平行。

进一步设置为，所述磁钢位为燕尾槽，磁钢位两侧的槽边所在直线相互交叉，所述磁钢为燕尾式磁钢，磁钢两侧边线所在直线相互交叉。

进一步设置为，所述磁钢背向磁钢位弧面的后部两侧成型有削角结构。

进一步设置为，所述磁钢包括朝向所述磁钢位弧面的前部和背向磁钢位弧面的后部，前部与后部均成圆弧形，前部的半径与后部的半径相同或不同。

进一步设置为，所述减重槽的中心线与所述磁钢位及磁钢的中心线位于同一直线上，减重槽包括第一外侧边、第二外侧边、第一侧边、第二侧边及内侧边，第一外侧边与第二外侧边之间通过弧边圆滑过渡相连；所述内侧边为弧形，若干减重槽的内侧边位于同一内圆上。

进一步设置为，所述第一外侧边与第二外侧边延长线相交形成的夹角为β，其中，100°≤β≤135°；所述内圆的直径为d1，所述轴孔的直径为d，相邻两个减重槽之间的最短距离为t，d1、d、t之间的关系为：d1＝d+2t，其中，0.1d≤t≤0.2d。

进一步设置为，所述弧边顶点与所述磁钢底部第一弧面之间的最短距离为x，所述磁钢中部最厚处的厚度为m，其中，m≤x≤2.5m。

本发明还提出了一种表贴式永磁同步电机的转子组件，包括若干轴向叠加排列的上述转子结构，

若干片转子冲片同轴排列，若干转子冲片的磁桥轴向中心线均位于同一直线上；

或相邻两片转子冲片异向错开排列，第奇数片转子冲片和第偶数片转子冲片的磁桥轴向中心线分别位于同一直线上；

或相邻两片转子冲片同向错开排列。

本发明相比现有技术突出且有益的技术效果是：

本发明提出的转子结构，磁钢与转子冲片之间偏心设置，即磁钢底部第一弧面与轴孔具有不同的圆心，不同的圆心设计使得定转子间产生非均匀气隙(即不等气隙)，不等气隙能够使电机磁场波形更接近于正弦波，使谐波含量下降，有利于形成正弦的反电势，谐波畸变率降低，从而能有效降低电机齿槽转矩及转矩波动，从而降低电机振动噪音并提升运行的平稳性；同时减重槽的设计也大大降低了整个转子冲片的重量以及成本。

附图说明

图1是本发明转子结构的结构简图之一。

图2是本发明转子冲片的结构简图。

图3是本发明减重槽的结构简图。

图4是本发明磁钢的磁场分布参考图。

图5是本发明平行槽的结构简图。

图6是本发明平行磁钢的结构简图。

图7是本发明燕尾槽的结构简图。

图8是本发明燕尾式磁钢的结构简图。

图9是本发明磁钢第三种实施方式的结构简图。

图10是本发明转子组件第一种实施方式的结构简图。

图11是本发明转子组件第二种实施方式的结构简图。

图12是本发明转子组件第三种实施方式的结构简图。

图13是等气隙与不等气隙相同时间内反电势的对比图。

图14是等气隙与不等气隙谐波次数与谐波占基波比例的对比图。

图15是转子组件的不偏心设置、偏心设置及偏心斜极设置在相同的工况功率下的转矩波动对比图。

图16是磁钢与转子冲片偏心设置时的平面图。

图17是本发明转子结构的结构简图之二。

具体实施方式

下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步描述，参见图1-图17：

一种表贴式永磁同步电机的转子结构，包括转子冲片1和设置在转子冲片1上的磁钢2，所述转子冲片1中部开设有轴孔6，磁钢2底部为第一弧面，第一弧面的圆心与所述轴孔6中心之间存在偏差，即磁钢与转子冲片偏心设置，所述轴孔6上成型有连接键，与转轴通过键连接或通过过盈配合连接；转子冲片1的周面上均匀开设有若干用于放置所述磁钢2的磁钢位3，相邻两个磁钢位3之间成型有磁桥4，所述磁钢位3与磁桥4的数量均为电机极对数的2倍(电机极对数即电动机的磁极数，磁极分n极和s极，一般磁极数是成对出现，如2极电机，4极电机，一般把1个n极和1个s极称为一对磁极，也就是电机极对数为1)，所述磁钢2包括n极磁钢和s极磁钢，n极磁钢和s极磁钢交替设置在所述磁钢位3内。

所述磁钢位3底部为与磁钢2底部第一弧面贴合的第二弧面，第二弧面的半径为r1，弧面的圆心与所述轴孔6中心之间存在偏差，偏差值为δ，若干磁钢位3底部弧面最高点位于同一外圆7上；所述外圆7的直径为d，δ、r1、d之间的关系为：r1±δ＝d/2，其中，经过试验，0.05d≤δ≤0.2d为最佳结构，上述存在偏差的结构有利于形成低成本的不等气隙电机结构，不等气隙能够使电机磁场波形更接近于正弦波(如图13所示，展现了等气隙与不等气隙相同时间内反电势的对比图，其中，曲线a为等气隙，曲线b为不等气隙)；不等气隙能有效的降低电机齿槽转矩、降低绕组谐波(如图14所示，展现了等气隙与不等气隙谐波次数与谐波占基波比例的对比图)及齿谐波，从图13和图14中明显看出，当采用不等气隙时，磁场有所削弱，反电势有所降低，但是反电势谐波幅值占基波比例大幅降低，反电势的正弦性得到优化，从而能有效降低电机运行时转矩波动很大程度上降低电机转矩波动，降低电机振动噪音并提升电机运行的平稳性。

所述磁钢位3可以是开设在转子冲片1周面上的槽(如图1-图2所示)，磁钢嵌设在槽内，相邻两个槽连接处向外凸出形成所述磁桥；磁钢位3也可以是向外凸出的凸边(如图17所示)，磁钢贴设在凸边的表面，相邻两个凸边连接处向内凹陷形成所述磁桥。

作为磁钢位和磁钢的第一种实施方式，如图5所示，所述磁钢位3为平行槽，磁钢位3两侧的槽边31相互平行，如图6所示，所述磁钢2为平行磁钢，磁钢2两侧边线21相互平行。

作为磁钢位和磁钢的第二种实施方式，如图7所示，所述磁钢位3为燕尾槽，磁钢位3两侧的槽边32所在直线相互交叉，形成的夹角为γ，如图8所示，所述磁钢2为燕尾式磁钢，磁钢2两侧边线22所在直线相互交叉，形成的夹角为γ1，γ＝γ1，γ与γ1的角度可以按照实际需求进行设定。

作为磁钢的第三种实施方式，在上述两种实施方式的基础上，如图9所示，所述磁钢2背向磁钢位3弧面的后部23两侧进行削角处理，成型有削角结构25，可以进一步降低齿槽转矩及转矩波动，同时，也可以降低磁钢的重量。

所述磁钢2包括朝向所述磁钢位3弧面的前部24和背向磁钢位3弧面的后部23，前部24与后部23均成圆弧形，前部24的半径与后部23的半径相同，设置成相同半径的圆弧形，可使磁钢2前部和后部的圆弧所在的圆心之间形成偏差，不同的圆心设计使得定转子间产生不等气隙，不等气隙能够使电机磁场波形更接近于正弦波，使谐波含量下降，有利于形成正弦的反电势，谐波畸变率降低，从而能有效降低电机齿槽转矩及转矩波动，从而降低电机振动噪音并提升运行的平稳性。在实际使用过程中，也可以将前部与后部的圆弧设置成不等半径，虽然也能形成不等气隙的结构，但是成本相比半径相同的磁钢要高得多。

所述磁钢2与所述转子冲片1偏心设置，即磁钢片前部的弧面的圆心与转子冲片的圆心之间存在一定距离，两者不同心，如图16所示(字母o为转子冲片的圆心，字母o’为磁钢片前部的弧面的圆心)，不同的圆心设计使得定转子间产生非均匀气隙(即不等气隙)，不等气隙能够使电机磁场波形更接近于正弦波，使谐波含量下降，有利于形成正弦的反电势，谐波畸变率降低，从而能有效降低电机齿槽转矩及转矩波动，从而降低电机振动噪音并提升运行的平稳性。

所述转子冲片1端面上环形均匀分布有若干减重槽5，相邻两个减重槽5之间还开设有销孔9，减重槽5的中心线与所述磁钢位3及磁钢2的中心线位于同一直线上，即减重槽5开设在磁钢的中心线上，如图4所示(图中带箭头的曲线为磁力线)，磁路是从磁钢n极走向磁钢s极，在通过定子齿、定子轭、转子轭等形成一个回路(磁路)，从磁路可以发现，在每极磁钢磁力线关于其中心位置对称，且沿中心线附近磁力线通过很少，也就是说该处磁密很小，故将减重槽5开设在此处并不会影响电机性能，又能减轻转子冲片的重量，降低转子惯量，且能够降低生产成本。

如图3所示，所述减重槽5为五边形，包括第一外侧边51、第二外侧边52、第一侧边53、第二侧边54及内侧边55，所述第一外侧边51与第二外侧边52延长线相交形成的夹角为β；第一外侧边51与第二外侧边52之间通过弧边56圆滑过渡相连，所述弧边56顶点与所述外圆7之间的最短距离为x，所述磁钢2中部最厚处的厚度为m，其中，m≤x≤2.5m，100°≤β≤135°；所述内侧边55为弧形，若干减重槽5的内侧边55位于同一内圆8上，所述内圆8的直径为d1，所述轴孔6的直径为d，相邻两个减重槽5之间的最短距离(减重槽的第二侧边54到相邻减重槽第一侧边53之间的距离)为t，d1、d、t之间的关系为：d1＝d+2t，其中，0.1d≤t≤0.2d。上述形状的磁钢位能在不影响电机性能基础上，很大程度降低电机转子惯量、提升电机的动态响应速度。

一种表贴式永磁同步电机的转子组件，包括若干轴向叠加排列的上述的转子结构，第一种转子组件实施方式：如图10所示，若干片转子冲片1同轴排列，若干转子冲片1的磁桥4轴向中心线均位于同一直线上。

第二种转子组件实施方式：相邻两片转子冲片1异向错开排列，如图11所示，第奇数片转子冲片1和第偶数片转子冲片1的磁桥4轴向中心线分别位于同一直线上，即第m+1片转子冲片与第m片转子冲片之间错开一定角度，而第m+2片转子冲片与第m片转子冲片不错开角度。

第三种转子组件实施方式：相邻两片转子冲片1同向错开排列，如图12所示，若第m+1片转子冲片与第m片转子冲片之间错开一定角度α，而第m+2片转子冲片与第m片转子冲片错开角度为2α。

上述第一种转子组件实施方式为转子偏心设置但不进行斜极排列的转子组件，第二种和第三种转子组件实施方式为偏心设置且斜极排列的转子组件，如图15所示，提供了转子不偏心设置(市面上普通的转子，磁钢弧面与转子冲片同圆心设置的情况)、偏心设置及偏心斜极设置在相同的工况功率下的转矩波动对比图(图中，c为现有普遍的转子不偏心设置，d为转子偏心设置，e为转子偏心且斜极设置)，从图15明显看出，采用偏心斜极转子组件相比普通的不偏心或偏心设置更能够进一步降低转矩波动，降低振动噪音，同时降低磁钢涡流损耗，提高电机效率。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。