CN102761222A - 永磁辅助同步磁阻电机及其转子以及该电机的安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种永磁辅助同步磁阻电机及其转子以及该电机的安装方法。本发明的永磁辅助同步磁阻电机的转子包括：转子铁心，在转子铁心上以转子的转子中心为圆心按圆周方向均匀分布四个永磁体槽组，每个永磁体槽组包括至少两层永磁体槽；四个永磁体组，每个永磁体组包括至少两层分别配合地嵌入在相应的永磁体槽组的永磁体槽中的永磁体，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，与四个永磁体组的最内层永磁体朝向转子中心的顶点相切的内圆的直径D1与转子的直径D2满足以下关系：

。本发明对电机转子永磁体层放入转子的深度进行设计，使电机的磁阻转矩得到最大利用。

Description

永磁辅助同步磁阻电机及其转子以及该电机的安装方法

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转子以及该电机的安装方法。

背景技术

内置永磁同步电机(IPM)是一种在转子内侧放置一层永磁体，主要利用永磁转矩、磁阻转矩为辅助的电机，其主要通过提高永磁体的性能来提高电机性能，常见的做法就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IPM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式同步磁阻电机是大势所趋。永磁辅助式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

式中第一项为磁阻转矩，第二项为永磁转矩。其中p为电机极对数，Ψ_PM为转子永磁体在定子绕组上产生磁链，L_d、L_q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、q轴方向上的分量。其中，d轴方向为转子磁场的方向，是由连接各永磁体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、q轴电感差值(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。

发明内容

本发明目的在于提供一种能增大磁阻转矩利用率，提高电机效率的永磁辅助同步磁阻电机及其转子以及该电机的安装方法。

本发明提供了一种永磁辅助同步磁阻电机的转子，包括：转子铁心，在所述转子铁心上以所述转子的转子中心为圆心按圆周方向均匀分布四个永磁体槽组，每个永磁体槽组包括至少两层永磁体槽；四个永磁体组，每个永磁体组包括至少两层分别配合地嵌入在相应的永磁体槽组的永磁体槽中的永磁体，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，与四个所述永磁体组的最内层永磁体朝向转子中心的顶点相切的内圆的直径D1与所述转子的直径D2满足以下关系：

进一步地，所述转子的永磁体的剩余磁通密度在0.2T至0.6T之间。

进一步地，所述转子的永磁体的中间部位厚度大于两端厚度。

进一步地，每个永磁体组包括三层永磁体，每个永磁体中间部位厚度不小于两端厚度，且每个永磁体组的各永磁体的中间部位厚度之和T与相邻永磁体中间位置的间隔之和g满足如下关系：

进一步地，每个永磁体组包括两层永磁体，每个永磁体中间部位厚度不小于两端厚度，且每个永磁体组的各永磁体的中间部位厚度之和T与相邻永磁体中间位置的间隔之和g满足如下关系：

本发明还提供了一种永磁辅助同步磁阻电机的转子，包括：转子铁心，在所述转子铁心上以所述转子的转子中心为圆心按圆周方向均匀分布六个永磁体槽组，每个永磁体槽组包括至少两层永磁体槽；六个永磁体组，每个永磁体组包括至少两层分别配合地嵌入在相应的永磁体槽组的永磁体槽中的永磁体，每个永磁体组内的各永磁体朝向所述转子的外周方向为同一极性，相邻的两个永磁体组极性相反；其中与六个所述永磁体组的最内层永磁体朝向转子中心的顶点相切的内圆的直径D1与所述转子的直径D2满足以下关系：

进一步地，所述转子的永磁体的剩余磁通密度在0.2T至0.6T之间。

进一步地，所述转子的永磁体的中间部位厚度大于两端厚度。

进一步地，每个永磁体组包括三层永磁体，每个永磁体中间部位厚度不小于两端厚度，且每个永磁体组的各永磁体的中间部位厚度之和T与相邻永磁体中间位置的间隔之和g满足如下关系：

进一步地，每个永磁体组包括两层永磁体，每个永磁体中间部位厚度不小于两端厚度，且每个永磁体组的各永磁体的中间部位厚度之和T与相邻永磁体中间位置的间隔之和g满足如下关系：

本发明还提供了一种永磁辅助同步磁阻电机，包括定子和由所述定子环绕的可转动的转子，其中所述转子为前述的永磁辅助同步磁阻电机的转子。

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，使与四个所述永磁体组的最内层永磁体朝向转子中心的顶点相切的内圆的直径D1与所述转子的直径D2满足以下关系：

或者使与六个所述永磁体组的最内层永磁体朝向转子中心的顶点相切的内圆的直径D1与所述转子的直径D2满足以下关系：

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定子中，并盖合好电机外壳。

根据本发明的永磁辅助同步磁阻电机，对电机转子永磁体层放入转子的深度进行设计，使电机的磁阻转矩得到最大利用。进一步结合永磁厚度最佳设计，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是根据本发明第一实施例的永磁辅助同步磁阻电机转子结构示意图；

图2是根据本发明第一实施例的永磁辅助同步磁阻电机的电感随D1/D2变化示意图；

图3是根据本发明第一实施例的永磁辅助同步磁阻电机的永磁体的剩余磁通密度对电感影响示意图；

图4是根据本发明第一实施例的永磁辅助同步磁阻电机转子结构局部示意图；

图5是根据本发明第一实施例的永磁辅助同步磁阻电机d轴、q轴电感差值随永磁体厚度变化示意图；

图6是根据本发明第二实施例的永磁辅助同步磁阻电机转子结构示意图；

图7是根据本发明第二实施例的永磁辅助同步磁阻电机的电感随D1/D2变化示意图；

图8是根据本发明第二实施例的永磁辅助同步磁阻电机转子结构局部示意图；以及

图9是根据本发明第二实施例的永磁辅助同步磁阻电机d轴、q轴电感差值随永磁体厚度变化示意图。

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。

以下将参考图1至图5对本发明第一实施例的永磁辅助同步磁阻电机的转子作具体说明。该转子具有四个永磁体组即四个极、每组三层弧形永磁体。

如图1所示，转子1包括转子铁心2和设置于转子铁心2内部的四个永磁体组。转子铁心2由硅钢板叠压而成。在转子铁心2上以转子的转子中心为圆心按圆周方向均匀分布四个永磁体槽组，每个永磁体槽组具有三层永磁体槽，即内层永磁体槽3a、中间层永磁体槽3b和外层永磁体槽3c。每两个永磁体槽中间的区域形成导磁通道。四个永磁体组与四个永磁体槽组对应设置，每个永磁体组包括分别配合地嵌入在相应的永磁体槽组的永磁体槽3a、3b和3c中的三层永磁体，即内层永磁体4a、中间层永磁体4b和外层永磁体4c，每个永磁体组内的各永磁体4a、4b和4c为同一极性，相邻的两个永磁体组极性相反，四个永磁体组沿圆周方向按照N极、S极交替分布。永磁体4a、4b和4c比相应的永磁体槽3a、3b和3c略短，各永磁体4a、4b和4c插入相应的永磁体槽3a、3b和3c后在各永磁体4a、4b和4c的两端部留有一定的空隙，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，电机转子内永磁体埋置越深对提高电机的q轴电感越有帮助。如图2所示，对于具有四个永磁体组的转子，与四个永磁体组的内层永磁体4a朝向转子中心的顶点相切的内圆的直径D1与转子外圆直径D2小于0.45时可以显著提高电机的q轴电感，可使得电机的d轴、q轴电感差加大，更有利于提高电机的磁阻转矩，使得单位电流产生更大的电磁转矩，提高电机的效率。但随着永磁体埋入深度的增加，弧形永磁体的制造难度将加大。为了保证永磁体制造，D1/D2不宜小于0.3。因此，与四个永磁体组的内层永磁体4a朝向转子中心的顶点相切的内圆的直径D1与转子的直径D2宜满足以下关系： $0.3\≤\frac{D1}{D2}\≤0.45.$

进一步的，在永磁体材料选取方面，为了尽可能增加电机的永磁转矩，一般都希望选取性能比较高的永磁体，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，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转子的隔磁桥部位出现一定的饱和，这对于减小d轴电感是非常有利的。其中，永磁体槽3a、3b和3c将转子铁心2分隔为多个铁心层，转子铁心2在每个永磁体槽3a、3b、3c的两端具有连接相邻两个铁心层的连接部分，该连接部分即为隔磁桥。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、q轴电感差值的影响是非常重要的。图3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3可以看出，选取永磁体的剩余磁通密度在0.2T至0.6T之间，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。

永磁体可以设置为中间厚、两端薄的结构，使永磁体中间部位厚度大于两端厚度。以弧形永磁体为例，通常弧形永磁体容易在永磁体中间内表面区域发生局部退磁，将弧形永磁体设计成为中间厚、两端薄的结构可以缓解弧形永磁体的局部退磁现象。此外采用这种不等厚的永磁体设计还可以防止永磁体在槽内发生滑动。

根据实验数据发现，转子的每个永磁体组中各永磁体的厚度之和与各永磁体之间的间隔宽度之和必须满足一定的关系，才能够保证Lq-Ld取得较大值，实现磁阻转矩的最大化。

第一实施例中，每个永磁体组包括三层永磁体4a、4b和4c，每个永磁体中间部位厚度不小于两端厚度，且每个永磁体组的各永磁体4a、4b和4c的中间部位厚度之和T与相邻永磁体中间位置的间隔之和g满足如下关系：

如图4所示，外层、中间层、内层永磁体4a、4b和4c的中间部位厚度分别为T1、T2和T3，对应永磁体之间的间隔厚度分别为g1、g2。则各永磁体的中间部位厚度之和T＝T1+T2+T3，相邻永磁体中间位置的间隔之和g＝g1+g2，为了能够满足Lq-Ld的差值尽可能大，实现磁阻转矩的充分利用，要求各参数满足如下关系式：

如图5所示，根据试验测试数据得到的Lq-Ld与g/T的关系，随着g/T的增加，永磁体厚度减小，容易造成电机出现退磁的问题，结合电机的抗退磁能力，经综合考虑，g/T满足关系比较合适。

需要说明的是，以上关系式

也适用于具有六个永磁体组、每组包括三层永磁体的转子。

以下参考图6至图9对第二实施例进行说明。在第二实施例中与第一实施例相似的部分不再详细描述。

如图6所示，第二实施例的永磁辅助同步磁阻电机的转子1包括转子铁心2和六个永磁体组，每个永磁体组包括两层永磁体。转子铁心2上具有以转子中心为圆心按圆周方向均匀分布的六个永磁体槽组，每个永磁体槽组包括两层永磁体槽，即内层永磁体槽3a和外层永磁体槽3b。每个永磁体组的两层永磁体，即内层永磁体4a和外层永磁体4b分别嵌入相应的永磁体槽3a和3b内，六个永磁体组沿圆周方向按照N极、S极交替分布。

根据如图7所示的实验结果，为了保证电机q轴电感较大，同时转子的弧形永磁体的加工难度不会太大，与六个永磁体组的最内层永磁体4a朝向转子中心的顶点相切的内圆的直径D1与转子的直径D2满足以下关系：

与第一实施例相同的，转子1的永磁体的剩余磁通密度在0.2T-0.6T之间；转子的永磁体中间厚、两端薄。

每个永磁体中间部位厚度不小于两端厚度，且每个永磁体组的各永磁体4a、4b的中间部位厚度之和T与对应永磁体中间位置的两层永磁体之间的间隔之和g满足如下关系： $\frac{1}{5}\≤\frac{g}{T}\≤\frac{4}{5}.$

如图8所示，两层弧形永磁体4a和4b的中间部位厚度分别为T1和T2，对应永磁体中间位置的两层永磁体4a和4b之间的间隔为g。则每个永磁体组的各永磁体的中间部位厚度之和T＝T1+T2，为实现磁阻转矩的充分利用，以及电机抗退磁能力要求，根据图9所示的试验测试数据得到的Lq-Ld与g/T的关系，T与g之间以满足条件

为宜，尤其以满足条件 $\frac{1}{5}\≤\frac{g}{T}\≤\frac{7}{10}$ 最佳。

需要说明的是，以上关系式

也适用于具有四个永磁体组、每组包括两层永磁体的转子。

无论是第一实施例的四极、每极三层永磁体的转子还是第二实施例的六极、每极两层永磁体的转子，采用以上技术手段，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，包括定子和由定子环绕的可转动的转子，其中该转子为前述的永磁辅助同步磁阻电机的转子。该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式同步磁阻电机，可以应用在空调压缩机、电动车以及风扇等系统中，能增加电机磁阻转矩的利用，提高电机的效率。

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，使与四个所述永磁体组的最内层永磁体朝向转子中心的顶点相切的内圆的直径D1与所述转子的直径D2满足以下关系：

或者使与六个所述永磁体组的最内层永磁体朝向转子中心的顶点相切的内圆的直径D1与所述转子的直径D2满足以下关系：

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定子中，并盖合好电机外壳。

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：对电机转子的永磁体层放入转子的深度进行设计，使电机的磁阻转矩得到最大利用，并结合永磁体厚度最佳设计，使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的转子，包括：

转子铁心(2)，在所述转子铁心(2)上以所述转子的转子中心为圆心按圆周方向均匀分布四个永磁体槽组，每个永磁体槽组包括至少两层永磁体槽(3a、3b、3c)；

四个永磁体组，每个永磁体组包括至少两层分别配合地嵌入在相应的永磁体槽组的永磁体槽(3a、3b、3c)中的永磁体(4a、4b、4c)，每个永磁体组内的各永磁体(4a、4b、4c)为同一极性，相邻的两个永磁体组极性相反；其特征在于，

与四个所述永磁体组的最内层永磁体(4a)朝向转子中心的顶点相切的内圆的直径D1与所述转子的直径D2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的转子，其特征在于，所述转子的永磁体(4a、4b、4c)的剩余磁通密度在0.2T至0.6T之间。

3.根据权利要求1所述的永磁辅助同步磁阻电机的转子，其特征在于，所述转子的永磁体(4a、4b、4c)的中间部位厚度大于两端厚度。

4.根据权利要求1或2所述的永磁辅助同步磁阻电机的转子，其特征在于，每个永磁体组包括三层永磁体(4a、4b、4c)，每个永磁体中间部位厚度不小于两端厚度，且每个永磁体组的各永磁体(4a、4b、4c)的中间部位厚度之和T与相邻永磁体中间位置的间隔之和g满足如下关系：

5.根据权利要求1或2所述的永磁辅助同步磁阻电机的转子，其特征在于，每个永磁体组包括两层永磁体，每个永磁体中间部位厚度不小于两端厚度，且每个永磁体组的各永磁体的中间部位厚度之和T与相邻永磁体中间位置的间隔之和g满足如下关系： $\frac{1}{5}\≤\frac{g}{T}\≤\frac{4}{5}.$

6.一种永磁辅助同步磁阻电机的转子，包括：

转子铁心(2)，在所述转子铁心(2)上以所述转子的转子中心为圆心按圆周方向均匀分布六个永磁体槽组，每个永磁体槽组包括至少两层永磁体槽(3a、3b)；

六个永磁体组，每个永磁体组包括至少两层分别配合地嵌入在相应的永磁体槽组的永磁体槽(3a、3b)中的永磁体(4a、4b)，每个永磁体组内的各永磁体(4a、4b)为同一极性，相邻的两个永磁体组极性相反；其特征在于，

与六个所述永磁体组的最内层永磁体(4a)朝向转子中心的顶点相切的内圆的直径D1与所述转子的直径D2满足以下关系：

7.根据权利要求6所述的永磁辅助同步磁阻电机的转子，其特征在于，所述转子的永磁体(4a、4b)的剩余磁通密度在0.2T至0.6T之间。

8.根据权利要求6所述的永磁辅助同步磁阻电机的转子，其特征在于，所述转子的永磁体(4a、4b)的中间部位厚度大于两端厚度。

9.根据权利要求6或7所述的永磁辅助同步磁阻电机的转子，其特征在于，每个永磁体组包括三层永磁体，每个永磁体中间部位厚度不小于两端厚度，且每个永磁体组的各永磁体的中间部位厚度之和T与相邻永磁体中间位置的间隔之和g满足如下关系： $\frac{2}{5}\≤\frac{g}{T}\≤1.$

10.根据权利要求6或7所述的永磁辅助同步磁阻电机的转子，其特征在于，每个永磁体组包括两层永磁体(4a、4b)，每个永磁体中间部位厚度不小于两端厚度，且每个永磁体组的各永磁体(4a、4b)的中间部位厚度之和T与相邻永磁体中间位置的间隔之和g满足如下关系： $\frac{1}{5}\≤\frac{g}{T}\≤\frac{4}{5}.$

11.一种永磁辅助同步磁阻电机，包括定子和由所述定子环绕的可转动的转子，其特征在于，所述转子为根据权利要求1至10中任一项所述的永磁辅助同步磁阻电机的转子。

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(4a、4b、4c)插入转子铁心(2)中的永磁体槽(3a、3b、3c)，使与四个所述永磁体组的最内层永磁体(4a)朝向转子中心的顶点相切的内圆的直径D1与所述转子的直径D2满足以下关系：

或者使与六个所述永磁体组的最内层永磁体(4a)朝向转子中心的顶点相切的内圆的直径D1与所述转子的直径D2满足以下关系： $0.5\≤\frac{D1}{D2}\≤0.65;$

步骤二，将转子铁心(2)两端用挡板封盖，从而将永磁体(4a、4b、4c)固定在永磁体槽(3a、3b、3c)中；

步骤三，将封盖好的转子铁心(2)放置于定子中，并盖合好电机外壳。

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