CN102761221B - 永磁辅助同步磁阻电机及其安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种永磁辅助同步磁阻电机及其安装方法。本发明的永磁辅助同步磁阻电机包括：定子，定子包括定子铁心和集中绕组，定子铁心具有多个凸形磁极，凸形磁极具有磁极齿和齿靴，齿靴的宽度T大于磁极齿的宽度Lc；转子，包括转子铁心和多个永磁体组，转子铁心上均匀分布多个永磁体槽组，每个永磁体槽组包括至少两层永磁体槽，每个永磁体组包括设置于对应的永磁体槽内的永磁体，每个永磁体组内的各永磁体为同一极性，相邻的两个永磁体组极性相反；每个永磁体组内相邻两层永磁体之间的层间最小距离g与齿靴的宽度T满足以下关系：

根据本发明的永磁辅助同步磁阻电机，其磁阻转矩得到最大利用，使电机的效率达到较高的水平。

Description

永磁辅助同步磁阻电机及其安装方法

技术领域

本发明涉及电机领域，更具体地，涉及一种永磁辅助同步磁阻电机及其安装方法。

背景技术

内置式永磁同步电机是一种在转子内侧放置一层永磁体，利用永磁转矩和磁阻转矩的电机，其主要通过提高永磁体的性能来提高电机性能，常见的做法是内置稀土类永磁体。但是稀土是不可再生资源，其价格昂贵，因此该种电机更广泛的应用受限。

为了节约稀有金属资源，减轻环境负担，结合同步磁阻电机与内置式永磁同步电机二者的优势，开发使用少量稀土或者不用稀土的永磁辅助同步磁阻电机是大势所趋。永磁辅助同步磁阻电机的电磁转矩由磁阻转矩与永磁转矩构成，其电磁转矩公式如下：

T＝p(L_d-L_q)i_di_q+pψ_PMi_q。

上式中第一项为磁阻转矩，第二项为永磁转矩。其中p为电机磁极的对数，Ψ_PM为转子永磁体在定子绕组上产生的磁链，Ld、Lq分别为d轴和q轴电感，i_d、i_q是定子电流空间矢量在d轴、q轴方向上的分量。其中，d轴方向为转子磁场的方向，是由连接各永磁铁中心和转子中心的方向加以确定的；q轴方向是由连接相邻极间的分界和转子中心的方向加以确定的。通过增加第二项中间的Ψ_PM以及通过提高电机d轴与q轴电感的差值(提高q轴电感或减小d轴电感)都可以实现电机输出转矩的提高。永磁辅助同步磁阻电机作为永磁同步电机和同步磁阻电机的结合体，最大限度的利用了电机的磁阻转矩，并采用永磁转矩进行辅助，综合了两种电机的优点，其电机效率和功率因数都较高，因此越来越得到重视。

定子采用集中绕组的永磁电机，由于其优越的低频性能，在空调压缩机等注重电机低频性能的领域得到了广泛应用。中国发明专利申请CN96110043.5提出将永磁辅助式同步磁阻电机的永磁体层间距离设置保证大于定子齿靴宽度的1/3，可以保证电机q轴电感不发生明显下降。经过实际研究分析，CN96110043.5中提出的以上规律对于采用集中绕组的电机并不适合。因此需要对采用集中绕组的永磁辅助同步磁阻电机的定、转子的结构优化设计，提出提高电机效率的方法。

发明内容

本发明目的在于提供一种永磁辅助同步磁阻电机及其安装方法。该永磁辅助同步磁阻电机提高磁阻转矩的利用，进而提高电机的效率。

本发明提供了一种永磁辅助同步磁阻电机，包括：定子，所述定子包括定子铁心和集中绕组，所述定子铁心具有多个凸形磁极，每两个相邻的凸形磁极之间形成一个定子槽，所述集中绕组位于所述定子槽内，所述凸形磁极具有磁极齿和位于所述磁极齿端部的齿靴，所述齿靴的宽度T大于所述磁极齿的宽度Lc；转子，包括转子铁心和多个永磁体组，其中，在所述转子铁心上以所述转子的轴心为圆心按圆周方向均匀分布多个永磁体槽组，每个永磁体槽组包括至少两层永磁体槽，每个永磁体组包括分别设置于对应的永磁体槽内的永磁体，每个永磁体组内的各永磁体为同一极性，相邻的两个永磁体组极性相反；其中，每个永磁体组内相邻两层永磁体之间的层间最小距离g与所述齿靴的宽度T满足以下关系：

进一步地，每个永磁体组内相邻两层永磁体之间形成导磁通道，靠近所述转子外周的所述导磁通道的末端宽度G大于所述定子槽的槽口宽度W。

进一步地，所述转子的相邻两个永磁体组之间的极间宽度A与所述磁极齿的宽度Lc满足以下关系：6P×A/(Lc×S)＝K，0.15≤K≤0.85，其中，P为所述永磁辅助同步磁阻电机的极对数，S为所述永磁辅助同步磁阻电机的定子槽数。

进一步地，其特征在于，0.2≤K≤0.8。

进一步地，所述转子的高度L1大于所述定子的高度L2。

进一步地，所述转子的高度L1与所述定子的高度L2的比值小于或者等于1.4。

进一步地，每个永磁体组内的各永磁体的剩余磁通密度为0.2T至0.6T之间的任意一值。

进一步地，每个齿靴沿周向的末端削尖形成锐化末端。

进一步地，所述转子的外径D1与所述定子的外径D2的比值为0.55至0.65之间的任意一值。

进一步地，所述永磁体的形状是弧形或方块形。

进一步地，所述永磁体槽的形状是弧形或U形或V形。

本发明还提供了一种永磁辅助同步磁阻电机的安装方法，包括以下步骤：步骤一，将永磁体插入转子铁心中的永磁体槽，使每个永磁体组内相邻两层永磁体之间的层间最小距离g与齿靴的宽度T满足

步骤二，将转子铁心两端用挡板封盖，从而将永磁体固定在永磁体槽中；步骤三，将封盖好的转子铁心放置于组装好集中绕组的定子中。

根据本发明的永磁辅助同步磁阻电机及其安装方法，对电机转子永磁体层间距离进行设计，使电机的磁阻转矩得到最大利用，使电机的效率达到较高的水平。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为根据本发明的第一实施例的永磁辅助同步磁阻电机示意图；

图2为根据本发明的第二实施例的永磁辅助同步磁阻电机示意图；

图3为根据本发明的第三实施例的永磁辅助同步磁阻电机示意图；

图4为根据本发明的第四实施例的永磁辅助同步磁阻电机示意图；

图5为根据本发明的第五实施例的永磁辅助同步磁阻电机示意图；

图6为根据第一实施例的永磁辅助同步磁阻电机的第一局部示意图；

图7为根据第一实施例的永磁辅助同步磁阻电机的第二局部示意图；

图8为根据本发明的永磁辅助同步磁阻电机的永磁体层间最小距离对q轴电感影响示意图；

图9为根据本发明的永磁辅助同步磁阻电机的永磁体极间宽度对电感影响示意图；

图10为根据本发明的永磁辅助同步磁阻电机的永磁体层间导磁通道末端宽度对q轴电感影响示意图；

图11为根据本发明的永磁辅助同步磁阻电机的转子与定子对比示意图；

图12为根据本发明的永磁辅助同步磁阻电机的转子高度相对定子高度的比值对电机参数影响示意图；

图13为根据本发明的永磁辅助同步磁阻电机的永磁体剩余磁通密度对电感影响示意图；

图14为根据本发明的永磁辅助同步磁阻电机定子凸形磁极齿靴的末端削尖示意图；以及

图15为根据本发明的永磁辅助同步磁阻电机的定子与转子外径比值对电感影响示意图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

图1为根据本发明的第一实施例的永磁辅助同步磁阻电机示意图，其具有6个永磁体组(即具有6个极)、每个永磁体组具有2层永磁体、永磁体槽和相应的永磁体均为弧形。以下将参考图1、图6至图15对第一实施例进行具体说明。

如图1所示，第一实施例的永磁辅助同步磁阻电机包括定子1和转子4。

定子1包括具有多个凸形磁极20的定子铁心2和集中绕组3a、3b，定子铁心2由硅钢板叠压而成，绕组3a和3b直接缠绕在凸形磁极20上。每两个相邻的凸形磁极20之间形成一个定子槽，集中绕组3a、3b即位于定子槽内。参见附图6，凸形磁极20具有磁极齿21和位于磁极齿21内侧端部的齿靴22，齿靴22的宽度T大于磁极齿21的宽度Lc。

转子4包括转子铁心5和六个永磁体组，转子铁心5由硅钢板叠压而成，在转子铁心5上以转子4的轴心为圆心按圆周方向均匀分布了六个永磁体槽组，每个永磁体槽组具有两层永磁体槽6a和6b，两层永磁体槽6a和6b中间的区域为导磁通道Y，每个永磁体组具有设置于对应的永磁体槽6a和6b内的两层永磁体7a和7b，每个永磁体槽组和嵌入在它的永磁体槽6a和6b中的相应的永磁体7a和7b构成电机一个极。每个永磁体组内的各永磁体7a和7b为同一极性，相邻的两个永磁体组极性相反，因此，六个永磁体组对外沿转子4的圆周方向按照N、S极交替分布。优选地，弧形的永磁体7a和7b比相应的永磁体槽6a和6b略短，插入永磁体槽6a和6b后在永磁体7a和7b的两端部各留有一定的空隙，在空隙中可以填充空气或者其他非导磁性介质。

经过大量的试验与仿真发现，对于采用集中绕组的永磁辅助同步磁阻电机，如图6所示，其转子4的每个永磁体槽组中的两层永磁体层间最小距离g如果小于齿靴22的宽度T的1/12，会导致两层永磁体间的导磁通道Y(参见图7)发生饱和，引起永磁辅助同步磁阻电机的q轴电感迅速下降，从而导致电机的磁阻转矩不能得到很好的利用。一般来说，为了使导磁通道Y不发生局部饱和，导磁通道Y宜设计成各处的宽度相差不大。如图8所示，当永磁体层间最小距离g增大到齿靴22的宽度T的1/12以后，再增加永磁体层间最小距离g，q轴电感的增加幅度并不大，且由于永磁体层间最小距离g增大会导致永磁体变薄，从而影响电机的抗退磁能力，因此永磁体层间最小距离g也不是越大越好，为了保证电机的抗退磁能力，每个永磁体组内相邻两层永磁体7a、7b之间的层间最小距离g与齿靴22的宽度T满足以下关系较为适合： $\frac{1}{12}T\≤g\≤\frac{1}{3}T.$

如图7所示，第一实施例中每个永磁体组内相邻两层永磁体7a和7b之间形成导磁通道Y，靠近转子4外周的导磁通道Y的末端宽度G大于定子槽的槽口宽度W，该槽口宽度W即相邻两个齿靴22相对的端部之间的距离。当转子4导磁通道Y的末端在面对定子槽的槽口时，q轴磁路X会受到很大的影响而导致瞬时电感发生明显下降，这一方面会降低电感的平均值，导致电机的磁阻转矩输出受到影响，另一方面还会加大电机的转矩脉动。通过将转子导磁通道Y的末端宽度G设置成为大于定子槽的槽口宽度W可以有效缓解这一情况。从图10可以看出当转子导磁通道Y末端宽度G大于定子槽的槽口宽度W时，电机的q轴电感，可以保持在一个较大的水平。

参见图6，第一实施例中转子4的相邻两个永磁体组之间的极间宽度A与磁极齿21的宽度Lc满足以下关系：6P×A/(Lc×S)＝K，0.15≤K≤0.85，其中，P为永磁辅助同步磁阻电机的极对数，S为永磁辅助同步磁阻电机的定子槽数。优选地，永磁体极间宽度A相对定子齿宽Lc满足以下关系，6P×A/(Lc×S)＝K，0.2≤K≤0.8。转子内永磁体极间宽度A如果设计得不合适也会导致转子局部饱和。通过试验发现，当极间宽度A相对定子齿宽Lc满足6P×A/(Lc×S)＝K，0.2≤K关系时，不会出现永磁体极间饱和导致电感明显下降的现象，然而为使极间宽度A增大，将使得永磁体往靠近转子外周的方向移动，这与为了增大q轴电感需要将永磁体尽量深埋入转子内部是矛盾的，因此极间宽度A不能过大。从图9可以看出，当0.2≤K≤0.8时，电感不会因为永磁体极间饱和而出现明显下降。同时，也不会因为转子4内的永磁体过于靠近转子4的表面而出现q轴电感迅速下降。如图11所示，第一实施例中将电机的转子高度L1和定子高度L2设置成不一样的数值。具体地，转子4的高度L1大于定子1的高度L2，该设置可以在不增加定子铜线的用量情况下增加电机的磁链和d轴电感与q轴电感的差值，从而增加电机在单位电流下的输出转矩，这对于降低电机的铜损、提高电机的效率非常有利。为了达到最佳效果，优选地，转子4在定子1两端伸出的长度接近。另外，增加转子的高度所需的材料费用比增加定子的高度所需的材料费用下降很多，这对于降低电机的整体成本非常有利。

从图12可以看出随着转子高度L1相对定子高度L2的比值增加，电机的磁链和d轴电感与q轴电感的差值都有所增加，但比值达到1.4以后，这两个数值基本不再增加。因此为了提高电机的效率和降低成本，电机的转子高度L1与定子高度L2的比值处于1到1.4的范围之内是比较合适的。

在永磁体材料选取方面，为了尽可能增加电机的永磁转矩，一般都希望选取比较高性能的永磁体，且永磁体的用量尽可能填充满永磁体槽，但在磁阻转矩的利用方面并非永磁体的剩余磁通密度越高越好，随着永磁体剩余磁通密度的提高，电机转子也会出现饱和而导致电感下降。其中，转子磁路饱和对q轴电感的影响更大。另外，通过研究发现，适量的永磁体剩余磁通密度可以使如图7所示的转子的隔磁桥Z部位出现一定的饱和，这对于减小d轴电感是非常有利的。由于永磁辅助同步磁阻电机主要输出转矩是磁阻转矩，特别是电机进入高速弱磁区域，磁阻转矩在整个电磁转矩中的比重进一步加大，因此选取合适的永磁体材料性能对d轴电感与q轴电感的差值的影响是非常必要的。

图13中表示出了d轴、q轴电感差值随永磁体剩余磁通密度的变化规律，从图13可以看出，选取永磁剩余磁通密度在0.2T至0.6T之间的任意一值，可使电机的d轴、q轴电感差值维持在较大水平，使电机的磁阻转矩得到最佳的利用。

如图14中I部所示的，每个凸形磁极20的齿靴22沿周向的末端经过削尖处理，经削尖处理后，在齿靴22的沿周向的末端朝向内侧的表面形成了切削面，从而使该末端较未进行削尖处理以前变窄从而形成锐化末端。为了增加d轴方向磁阻，减小电机的d轴电感，电机的永磁体槽厚度必须加大，但在厚度达到一定程度后，继续增加永磁体槽的厚度，d轴电感也很难下降，原因是d轴磁力线很难直接穿过永磁体槽，其主要行走路径是从转子的隔磁桥Z以及定子的齿靴22沿周向的末端通过，为了减小d轴电感，可以将隔磁桥Z厚度减小，但随之而来的是电机转子机械强度下降。因此通过在定子的齿靴22沿周向的末端采用削尖的技术，增加d轴磁力线行走路径上的磁阻，可以到达减小d轴电感的目的。

第一实施例中，转子外径D1与定子外径D2的比值范围在0.55至0.65之间的任意一值。与单层永磁体的永磁辅助同步磁阻电机不同，采用至少2层永磁体的永磁辅助同步磁阻电机，为了使永磁体更加深入转子，是将永磁体埋置在转子内部，因此需要采用更大的转子外径才能将电机的q轴电感做到更大。图15表示了电感随转子外径相对定子外径比值的关系。但随着转子外径D1的加大，定子槽的面积会减小，这对于采用更多的铜线来降低电机的铜损是不利的。根据试验结果，选取转子外径D1与定子外径D2的比值范围在0.55至0.65之间的任意一值可以使得电机的电感差值较大，也不会因为电阻加大导致电机的铜损出现大幅增加。

图2为根据本发明的第二实施例的永磁辅助同步磁阻电机示意图。该电机的转子为4极、每极2层、U形永磁体槽、方块形永磁体。

图3为根据本发明的第三实施例的永磁辅助同步磁阻电机示意图。该电机的转子为4极、每极2层、V形永磁体槽、方块形永磁体。

图4为根据本发明的第四实施例的永磁辅助同步磁阻电机示意图。该电机的永磁体放置在永磁体槽的两端，转子为4极、每极2层、U形永磁体槽、方块形永磁体。

图5为根据本发明的第五实施例的永磁辅助同步磁阻电机示意图。该电机的转子为6极、每极3层、弧形永磁体槽、弧形永磁体。

以上第二至第五实施例的永磁辅助同步磁阻电机采用第一实施例中所描述的技术手段后，都可以增加电机磁阻转矩的利用，提高电机的效率。

本发明的永磁辅助同步磁阻电机为多组、多层永磁体结构的永磁辅助同步磁阻电机，电机效率较高，可以应用在空调压缩机、电动车以及风扇等系统中。

本发明提供了一种永磁辅助同步磁阻电机的安装方法，包括以下步骤：步骤一，将永磁体7a、7b插入转子铁心5中的永磁体槽6a、6b，使每个永磁体组内相邻两层永磁体7a、7b之间的层间最小距离g与齿靴22的宽度T满足

步骤二，将转子铁心5两端用挡板封盖，从而将永磁体7a、7b固定在永磁体槽6a、6b中；步骤三，将封盖好的转子铁心5放置于组装好集中绕组3a、3b的定子1中。

从以上的描述中可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：提出将电机转子永磁体层间距离设计，使电机的磁阻转矩得到最大利用，并结合极间距离设计、电机转子高于定子的设计等，使永磁辅助同步磁阻电机的效率达到较高的水平。

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

Claims (12)

1.一种永磁辅助同步磁阻电机，包括：

定子(1)，所述定子(1)包括定子铁心(2)和集中绕组(3a、3b)，所述定子铁心(2)具有多个凸形磁极(20)，每两个相邻的凸形磁极(20)之间形成一个定子槽，所述集中绕组(3a、3b)位于所述定子槽内，所述凸形磁极(20)具有磁极齿(21)和位于所述磁极齿(21)端部的齿靴(22)，所述齿靴(22)的宽度T大于所述磁极齿(21)的宽度Lc；

转子(4)，包括转子铁心(5)和多个永磁体组，其中，在所述转子铁心(5)上以所述转子(4)的轴心为圆心按圆周方向均匀分布多个永磁体槽组，每个永磁体槽组包括至少两层永磁体槽(6a、6b)，每个永磁体组包括分别设置于对应的永磁体槽(6a、6b)内的永磁体(7a、7b)，每个永磁体组内的各永磁体(7a、7b)为同一极性，相邻的两个永磁体组极性相反；

其特征在于，

每个永磁体组内相邻两层永磁体(7a、7b)之间的层间最小距离g与所述齿靴(22)的宽度T满足以下关系：

2.根据权利要求1所述的永磁辅助同步磁阻电机，其特征在于，每个永磁体组内相邻两层永磁体(7a、7b)之间形成导磁通道(Y)，靠近所述转子(4)外周的所述导磁通道(Y)的末端宽度G大于所述定子槽的槽口宽度W。

3.根据权利要求1或2所述的永磁辅助同步磁阻电机，其特征在于，所述转子(4)的相邻两个永磁体组之间的极间宽度A与所述磁极齿(21)的宽度Lc满足以下关系：

6P×A/(Lc×S)＝K，0.15≤K≤0.85，其中，

P为所述永磁辅助同步磁阻电机的极对数，

S为所述永磁辅助同步磁阻电机的定子槽数。

4.根据权利要求3所述的永磁辅助同步磁阻电机，其特征在于，0.2≤K≤0.8。

5.根据权利要求1或2所述的永磁辅助同步磁阻电机，其特征在于，所述转子(4)的高度L1大于所述定子(1)的高度L2。

6.根据权利要求5所述的永磁辅助同步磁阻电机，其特征在于，所述转子(4)的高度L1与所述定子(1)的高度L2的比值小于或者等于1.4。

7.根据权利要求1或2所述的永磁辅助同步磁阻电机，其特征在于，每个永磁体组内的各永磁体(7a、7b)的剩余磁通密度为0.2T至0.6T之间任意一值。

8.根据权利要求1或2所述的永磁辅助同步磁阻电机，其特征在于，每个齿靴(22)沿周向的末端削尖形成锐化末端。

9.根据权利要求1或2所述的永磁辅助同步磁阻电机，其特征在于，所述转子(4)的外径D1与所述定子(1)的外径D2的比值为0.55至0.65之间任意一值。

10.根据权利要求1或2所述的永磁辅助同步磁阻电机，其特征在于，所述永磁体(7a、7b)的形状是弧形或方块形。

11.根据权利要求1或2所述的永磁辅助同步磁阻电机，其特征在于，所述永磁体槽(6a、6b)的形状是弧形或U形或V形。

12.一种永磁辅助同步磁阻电机的安装方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，将永磁体(7a、7b)插入转子铁心(5)中的永磁体槽(6a、6b)，使每个永磁体组内相邻两层永磁体(7a、7b)之间的层间最小距离g与齿靴(22)的宽度T满足 $\frac{1}{12}T\≤g\≤\frac{1}{3}T;$

步骤二，将转子铁心(5)两端用挡板封盖，从而将永磁体(7a、7b)固定在永磁体槽(6a、6b)中；

步骤三，将封盖好的转子铁心(5)放置于组装好集中绕组(3a、3b)的定子(1)中。

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