CN109802504B - 一种永磁聚磁式同步磁阻电机及其非对称转子 - Google Patents

Abstract

本公开提出了一种高性能永磁聚磁式同步磁阻电机及其非对称转子，转子设计为非对称结构，包括隔磁桥的结构非对称设置和永磁体的结构非对称设置，可以使电机利用较少的永磁体产生较高的气隙磁密，并降低转矩脉动,保证电机平稳高效运行，同时通过转子非对称结构改变永磁转矩和磁阻转矩的耦合及叠加关系，使永磁转矩和磁阻转矩的最大值能够在相同的电流相位角处叠加，从而充分利用电机的两种转矩成分，在不改变电机尺寸、材料及输入条件的前提下，使电机的电磁转矩获得显著提高，从而进一步提高电机的转矩密度、效率及功率因数等整体性能。

Description

一种永磁聚磁式同步磁阻电机及其非对称转子

技术领域

本公开涉及电机技术领域，具体的说，是涉及一种高性能永磁聚磁式同步磁阻电机及其非对称转子。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，并不必然构成在先技术。

现代机械制造、交通运输、航空航天、农业生产及家用电器等领域对高性能高品质电机有着迫切的需求。近年来，随着永磁材料和控制技术的发展，永磁同步电机因具有转矩密度大、效率高、稳态性能好及运行可靠性高等优点在电机应用领域受到了极大的青睐。但是，由于永磁同步电机弱磁调速性能低及制造成本高等自身特点的制约，其大规模应用与推广仍然存在较大的问题。基于此，有学者提出一种永磁辅助式同步磁阻电机，其有机综合了永磁同步电机和同步磁阻电机的优点。

永磁辅助式同步磁阻电机主要有以下特点：

(1)交直轴电感相差很大，具有比较大的凸极比，一般在3以上，因此可以充分利用磁阻转矩，产生高转矩密度；(2)与相同转矩能力的永磁同步电机相比，所需要的永磁体用量少，亦可采用低成本的铁氧体永磁材料，减少电机制造成本；(3)与异步电机、开关磁阻电机及同步磁阻电机相比，具有较高的转矩密度、效率和功率因数，利于减小逆变器的容量；(4)电机永磁磁场较弱，电枢磁场的弱磁能力较强，调速性能优异。

永磁辅助式同步磁阻电机尚未得到大规模的普及，其主要问题与难点在于：

(1)永磁辅助式同步磁阻电机永磁体用量减少有利于降低电机成本和拓展调速范围，但转矩密度、效率和功率因数方面与传统永磁同步电机相比处于劣势。

(2)永磁辅助式同步磁阻电机的高转矩密度主要来源于其较高的磁阻转矩，但磁阻转矩过大将会产生较高的转矩脉动，不利于电机的高效平稳运行。另外，虽然永磁辅助式同步磁阻电机可以产生非常高的磁阻转矩和可观的永磁转矩，但在目前的研究设计中，因为磁阻转矩与永磁转矩在取得最大值时，二者所需的电流相位角β相差45°(电角度)，电磁转矩是永磁转矩和磁阻转矩的矢量叠加。为定量表示其矢量叠加关系，假设电机的永磁转矩和磁阻转矩的最大值均为标幺值1，则电磁转矩为MAX(cosβ+sin2β)＝1.76，所以可见永磁辅助式同步磁阻电机的两种转矩成分并不能被完全利用而生成电磁转矩，电机的转矩密度相对较低。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种高性能永磁聚磁式同步磁阻电机及其非对称转子,转子设计为非对称结构，包括隔磁桥的结构非对称设置和永磁体结构的非对称设置，可以使电机利用较少的永磁体产生较高的气隙磁密，并降低转矩脉动,保证电机平稳高效运行，同时通过转子非对称结构改变永磁转矩和磁阻转矩的耦合及叠加关系，使永磁转矩和磁阻转矩的最大值能够在相同的电流相位角处叠加，从而充分利用电机的两种转矩成分，在不改变电机尺寸、材料及输入条件的前提下，使电机的电磁转矩获得显著提高，从而进一步提高电机的转矩密度、效率及功率因数等整体性能。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

一个或多个实施例提供了一种非对称转子，应用于永磁聚磁式同步磁阻电机，包括转轴，固定于转轴上的转子铁心，转子铁心上设置若干个磁极，每个磁极的几何中心线为磁极轴线，所述每个磁极包括隔磁桥和设置于隔磁桥中的永磁体，所述隔磁桥和永磁体沿着转轴方向延伸设置，所述隔磁桥包括类U型隔磁桥和条形隔磁桥，所述隔磁桥从转轴轴心到转子边缘逐层设置，所述条形隔磁桥设置在转子边缘，所述类U型隔磁桥从转轴轴心到转子边缘逐层设置，位于磁极轴线其中一侧的每层类U型隔磁桥通过隔磁材料连通，位于磁极轴线另一侧的每层类U型隔磁桥之间不连通且有非对称张角。

进一步地，在靠近转轴的至少一层类U型隔磁桥上的磁极轴线处设置永磁体，以及在最内层和最外层的类U型隔磁桥的不连通一侧的侧壁上分别设置永磁体。

进一步地，所述设置在磁极轴线处的每层类U型隔磁桥上的永磁体形状及大小相同。

进一步地，所述设置在最内层和最外层的类U型隔磁桥的不连通一侧的侧壁上的永磁体大小不同。

进一步地，所述类U型隔磁桥不连通一侧的侧壁连接到转子边缘，类U型隔磁桥连通的一侧的侧壁与转子边缘相隔离。

进一步地，所述永磁体为铁氧体或钕铁硼永磁体,呈聚磁式配置结构。

进一步地，隔磁桥填充材料为树脂或者塑料，以加强转子机构强度。

一种高性能永磁聚磁式同步磁阻电机，包括电机外壳，设置在电机外壳内的定子和转子，所述转子和定子同轴设置，转子通过转轴设置在定子内部，所述转子采用上述的一种非对称转子。

进一步地，所述定子包括定子铁心和定子槽，所述定子槽内设置定子绕组，所述定子绕组和转子外周形成径向间隙。

进一步地，定子槽在定子的内周上沿着圆周方向等间隔排列，从定子铁心侧向转轴方向延伸成凸状。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

本公开能使永磁转矩和磁阻转矩的最大值在相同的电流相位角处叠加，从而充分利用电机两种转矩成分，使电机的电磁转矩获得显著提高，在电机的永磁转矩和磁阻转矩最大值均为标幺值1的情况下，两种转矩成分被充分利用，电磁转矩可达2，因此，所提出的采用本公开的非对称转子的永磁聚磁式同步磁阻电机相对于现有同规格永磁辅助式同步磁阻电机的电磁转矩可提高13.6％，进而极大提高电机的效率等整体性能。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1是本公开实施例2的永磁聚磁式同步磁阻电机与转轴垂直方向的剖面图；

图2是图1中一个磁极的剖面图；

图3是本公开实施例2的永磁聚磁式同步磁阻电机的电枢绕组接线图；

图4是本公开实施例2的永磁聚磁式同步磁阻电机的转矩特性结果图；

其中：1、定子，2、定子铁心，3、定子绕组，4、径向间隙，5、转子，6、转子铁心，7、第一层类U型隔磁桥，7-1、第一层隔磁桥A，7-2、第一层隔磁桥B，7-3、第一层隔磁桥C，8、第二层类U型隔磁桥，8-1、第二层隔磁桥A，8-2、第二层隔磁桥B，9、第三层类U型隔磁桥，9-1、第三层隔磁桥A，9-2、第三层隔磁桥B，10、条形隔磁桥，11、转轴，12、电机外壳，13、永磁体，13-1、第一永磁体，13-2、第二永磁体，13-3、第三永磁体，13-4、第四永磁体，14、磁极轴线，15、电磁转矩，16、永磁转矩，17、磁阻转矩。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合附图对实施例进行详细描述。

在一个或多个实施方式中公开的技术方案中，如图1所示，一种非对称转子，应用于永磁聚磁式同步磁阻电机，包括转轴11，固定于转轴11上的转子铁心6，转子铁心6上设置若干个磁极，每个磁极在转子5上等间隔设置，可以根据具体的需要设置磁极的数量，本实施例设置了4个磁极，每个磁极的结构是相同的。每个磁极的几何中心线为磁极轴线14，所述每个磁极包括隔磁桥和设置于隔磁桥中的永磁体，所述隔磁桥和永磁体沿着转轴方向延伸设置，所述隔磁桥包括类U型隔磁桥和条形隔磁桥，所述类U型隔磁桥从转轴轴心到转子边缘逐层设置，所述条形隔磁桥设置在转子边缘，条形隔磁桥被最内层类U型隔磁桥半包围着，位于磁极轴线14其中一侧的每层类U型隔磁桥通过隔磁材料连通，位于磁极轴线另一侧的每层类U型隔磁桥之间不连通且有非对称张角。隔磁桥填充材料可以为树脂或者塑料，以加强转子结构强度。所述类U型是指底面较窄开口逐渐张大的结构，可以有多种结构，可以由多段的线段的拼接，也可以为圆滑过渡的形状。

本实施例设置了4层隔磁桥，分别包括第一层类U型隔磁桥7、第二层类U型隔磁桥8和第三层类U型隔磁桥9及条形隔磁桥10，所述类U型隔磁桥从转轴轴心到转子边缘逐层设置，三层类U型隔磁桥从转轴11由里到外逐渐减小，最里面的第一层隔磁桥7最大，可以包裹着外面第二层类U型隔磁桥8和第三层类U型隔磁桥9，第三层类U型隔磁桥外还有一短的条形隔磁桥10。三层类U型隔磁桥图1和2中所示中的右端通过细条型隔磁桥将其连通起来，第一层类U型隔磁桥7与第二层类U型隔磁桥8左侧的张角为δ₁，第二层类U型隔磁桥8与第三层类U型隔磁桥左侧的张角为δ₂，δ₁与δ₂大小不同。这样图示中的三层类U型隔磁桥左右结构上非对称，从而形成磁路非对称。

作为进一步的改进，设置的永磁体13的设置位置不对称，可以在靠近转轴的至少一层类U型隔磁桥上的磁极轴线处设置永磁体，以及在最内层和最外层的类U型隔磁桥的不连通一侧的侧壁上分别设置永磁体。永磁体在转轴11方向上延伸一定的厚度。具体的，本实施例在第一层类U型隔磁桥7和第二层类U型隔磁桥8的磁极轴线14位置设置了大小相同的永磁体。在第一层类U型隔磁桥7上设置了第一永磁体13-1，在第二层层类U型隔磁桥8上设置了第二永磁体13-2，第一永磁体13-1和第二永磁体13-2可以为长方体，第一永磁体13-1和第二永磁体13-2的端面中心分别设置在磁极轴线14上。在第一层类U型隔磁桥7和第三层类U型隔磁桥9的图2所示的左侧侧壁上分别设置永磁体，分别在第一层类U型隔磁桥7的左侧侧壁上设置第三永磁体13-3，在第三层类U型隔磁桥9的左侧侧壁上设置第四永磁体13-4。并且第三永磁体13-3和第四永磁体13-4的体积大小不同。这样在隔磁桥的一侧设置了永磁体，使得永磁体的位置不对称。设置的永磁体大小也不对称。

设置了永磁体后的转子5的磁极结构，永磁体13将隔磁桥分为多段，第一层类U型隔磁桥7包括第一层隔磁桥A7-1、第一层隔磁桥B7-2和第一层隔磁桥C7-3。第一层类U型隔磁桥7的三段隔磁桥的长度均不相同，同样，第二层类U型隔磁桥8包括第二层隔磁桥A8-1和第二层隔磁桥B8-2，第三层类U型隔磁桥9包括第三层隔磁桥A9-1和第三层隔磁桥B9-2，设置永磁体后使得隔磁桥的结构更加不对称。

作为进一步的改进，对转子结构非对称的进一步改进，进一步改进隔磁桥的左右非对称性，可以将所述类U型隔磁桥不连通一侧的侧壁连接到转子边缘，类U型隔磁桥连通的一侧的侧壁与转子边缘相隔离。具体的，如图2所示，第一层隔磁桥C7-3、第二层隔磁桥B8-2和第三层隔磁桥B9-2分别与转子的边缘连接设置。第一层隔磁桥A7-1、第二层隔磁桥A8-1和第三层隔磁桥A9-1的设置距离转子边缘具有一定的距离，使得隔磁桥的结构左右更加不对称。

永磁体可以采用铁氧体或钕铁硼永磁体。隔磁桥的填充材料可以为树脂或者塑料，增加转子结构强度。

本实施例通过转子非对称结构的改进，非对称结构包括隔磁桥左右不对称，隔磁桥的大小和形状不对称，永磁体的大小和设置位置不对称。

改进后能够改变应用此转子的磁阻电机的永磁转矩和磁阻转矩的耦合叠加关系，使永磁转矩和磁阻转矩的最大值能够在相同的电流相位角处叠加，从而充分利用电机两种转矩成分，使电机的电磁转矩获得显著提高。

实施例2

本实施例提供一种高性能永磁聚磁式同步磁阻电机，包括电机外壳12，和设置在电机外壳12内的定子1和转子5，所述转子5和定子1同轴设置，转子通过转轴11设置在定子内部，所述转子采用实施例1所述的一种非对称转子。

定子1具有定子铁心2和多个定子绕组3，所述定子绕组设置在定子槽内，定子铁心2可以由电磁硅钢板在转轴方向层叠压紧制成，电磁硅钢板是为了降低涡流损耗而在铁中添加了硅而制成的薄板。定子铁心2为可以为圆筒状，且在转轴11的方向上延伸。

定子槽内设置定子绕组3，设置后定子绕组和转子外周形成径向间隙4。

定子槽在定子的内周上沿着圆周方向等间隔排列，从定子铁心侧向转轴方向延伸成凸状。定子槽的数量可以根据需要设置，本实施例设置了24个定子槽，同时设置了24个定子绕组3。

作为进一步的改进，定子槽在定子1的内周上沿着圆周方向相互隔开间隔的方式排列，且在转轴11方向上延伸，定子槽分别从定子铁心2侧向着转子的旋转中心延伸成凸状，凸状的定子槽的较窄的一端面与转子5的外周相对，将径向间隙4夹在中间。

为说明本实施例改进的效果，本实施例的永磁聚磁式同步磁阻电机的电枢绕组的接线可按照图3的方式进行接线。对改进后的永磁聚磁式同步磁阻电机进行转矩特性分析，结果如图4所示，永磁聚磁式同步磁阻电机正常运行时，永磁转矩16和磁阻转矩17最大值均为标幺值1的情况下，通过非对称的转子结构改变磁阻电机的永磁转矩和磁阻转矩的耦合叠加关系，使永磁转矩16和磁阻转矩17的最大值能够在相同的电流相位角处叠加，使得叠加后的电磁转矩15达到2。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (5)

1.一种非对称转子，应用于高性能永磁聚磁式同步磁阻电机，其特征是：包括转轴，固定于转轴上的转子铁心，转子铁心上设置若干个磁极，每个磁极的几何中心线为磁极轴线，所述每个磁极包括隔磁桥和设置于隔磁桥中的永磁体，所述隔磁桥和永磁体沿着转轴方向延伸设置，所述隔磁桥包括类U型隔磁桥和条形隔磁桥，所述隔磁桥从转轴轴心到转子边缘逐层设置，所述条形隔磁桥设置在转子边缘，位于磁极轴线其中一侧的每层类U型隔磁桥通过隔磁材料连通，位于磁极轴线另一侧的每层类U型隔磁桥之间不连通且有非对称张角；第一层类U型隔磁桥与第二层类U型隔磁桥左侧的张角为δ1，第二层类U型隔磁桥与第三层类U型隔磁桥左侧的张角为δ2，δ1与δ2大小不同；在靠近转轴的至少一层类U型隔磁桥上的磁极轴线处设置永磁体，以及在最内层和最外层的类U型隔磁桥的不连通一侧的侧壁上分别设置永磁体；

所述设置在磁极轴线处的每层类U型隔磁桥上的永磁体形状及大小相同；

所述设置在最内层和最外层的类U型隔磁桥的不连通一侧的侧壁上的永磁体大小不同；所述类U型隔磁桥不连通一侧的侧壁连接到转子边缘，类U型隔磁桥连通的一侧的侧壁与转子边缘相隔离；

所述永磁体为铁氧体或钕铁硼，呈聚磁式配置结构。

2.如权利要求1所述的一种非对称转子，其特征是：隔磁桥填充材料为树脂或者塑料。

3.一种高性能永磁聚磁式同步磁阻电机，其特征是：包括电机外壳，和设置在电机外壳内的定子和转子，所述转子和定子同轴设置，转子通过转轴设置在定子内部，所述转子采用权利要求1-2任一项所述的一种非对称转子。

4.如权利要求3所述的一种高性能永磁聚磁式同步磁阻电机，其特征是：所述定子包括定子铁心和定子槽，所述定子槽内设置定子绕组，所述定子槽和转子外周形成径向间隙。

5.如权利要求3所述的一种高性能永磁聚磁式同步磁阻电机，其特征是：定子槽在定子的内周上沿着圆周方向等间隔排列，从定子铁心侧向转轴方向延伸成凸状。