CN102780292A - 永磁辅助同步磁阻电机转子及具有其的电机及安装方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种永磁辅助同步磁阻电机转子及具有其的电机及安装方法。本发明的永磁辅助同步磁阻电机包括转子铁心和设于转子铁心内部的永磁体，转子铁心上沿其周向方向上设置有多组安装槽，每组安装槽包括两层或者两层以上在转子铁心的径向方向上间隔设置的安装槽；永磁体为多组，每组永磁体中的各个永磁体对应地嵌入安装槽中；安装槽的末端与转子的外圆周之间的距离为tw，永磁体的末端与同层安装槽的末端的距离为δ，其中，δ/tw≥1.5。根据本发明的永磁辅助同步磁阻电机，包括前述的电动机转子。本发明可以消除永磁体端部易退磁的情况，有效地提高永磁辅助同步磁阻电机的抗退磁能力。

Description

永磁辅助同步磁阻电机转子及具有其的电机及安装方法
技术领域
本发明涉及电动机领域，更具体地，涉及一种永磁辅助同步磁阻电机转子及具有其的电机及安装方法。
背景技术
现有技术的永磁辅助同步磁阻电机中，为了尽可能地提高磁通，总是尽可能地使永磁体构成的极距范围大。如图1所示的现有技术的永磁辅助同步磁阻电机转子20，其中在由高导磁材料或硅钢片制成的转子铁心21中分布着多组磁极单元，所有磁极单元在转子圆周方向排列成N极和S极交替的形式，每个磁极单元由一个安装槽30和置于槽内的永磁体10组成，图示的永磁辅助同步磁阻电机转子20为6极结构，即转子内共有6个磁极单元。图2为图1的局部放大图，从图中可见，永磁体10的两端部10a和10b很靠近安装槽30的端部30a和30b。
对于如图1所示的现有技术的永磁辅助同步磁阻电机转子，其转子内采用一层的安装槽结构，当永磁辅助同步磁阻电机带负载运行时，定子电枢绕组中的电流产生电枢反应磁场，其中的直轴电枢反应磁动势经过主磁路作用在永磁体上，在不同的转子位置时分别对永磁体产生助磁或去磁作用，其中当直轴电枢反应磁动势与永磁体磁动势反向时，对永磁体的去磁作用最强，如图2所示，此时的d轴电枢磁势沿着d轴方向由定子(未示出)进入转子，根据磁通总是沿最小磁路通过的特性，d轴磁势主要经安装槽30两端部与转子外缘间的导磁通道通过，当电流较大时，受饱和影响，部分d轴磁势有可能通过永磁体的两端部10a和10b，这很容易造成该处永磁体发生局部退磁，当这种情况发生在采用低矫顽力永磁体的永磁辅助同步磁阻电机，或永磁辅助同步磁阻电机运行温度处于低温或高温时就很容易造成永磁体发生不可逆退磁现象，影响永磁辅助同步磁阻电机的抗退磁能力。图3示出了该位置时的定子d轴电枢磁势的分布图。
另外如图2所示，沿着q轴方向进入转子的q轴电枢磁势，因受安装槽30的端部30a和30b的阻碍，部分q轴磁通无法进入转子内，使得永磁辅助同步磁阻电机q轴电感无法做到很大，而永磁辅助同步磁阻电机的d轴电感在所使用的永磁体用量一定的情况下基本保持不变，这就造成现有技术的永磁辅助同步磁阻电机中，永磁辅助同步磁阻电机的d、q轴电感差无法做到很大，根据永磁辅助同步磁阻电机磁阻转矩公式：
T r = 3 4 p ( L d - L q ) i s 2 sin ( 2 β )
可知，现有的永磁辅助同步磁阻电机中，磁阻转矩利用率很低，永磁辅助同步磁阻电机转矩的主要构成部分为永磁转矩，这就导致采用低磁性能永磁体的永磁辅助同步磁阻电机的单位电流产生的电磁转矩较小，永磁辅助同步磁阻电机工作电流大，进而增大了永磁辅助同步磁阻电机退磁的风险。
为了解决上述问题，现有技术的永磁辅助同步磁阻电机中通常采用以下方法来保证永磁辅助同步磁阻电机具有足够的抗退磁能力，如：采用高矫顽力的永磁材料、增大永磁体使用量等。这些方法虽能在一定程度上提升永磁辅助同步磁阻电机的抗退磁能力，但同时也带来了永磁辅助同步磁阻制造成本的增长。
发明内容
本发明目的在于提供一种具有高抗退磁能力且成本低廉的永磁辅助同步磁阻电机转子及具有其的电机及安装方法。
根据本发明的一个方面，提供了一种永磁辅助同步磁阻电机转子，包括转子铁心和设于转子铁心内部的永磁体，转子铁心上沿其周向方向上设置有多组安装槽，每组安装槽包括两层或者两层以上在转子铁心的径向方向上间隔设置的安装槽；永磁体为多组，每组永磁体中的各个永磁体对应地嵌入安装槽中；安装槽的末端与转子的外圆周之间的距离为tw，永磁体的末端与同层安装槽的末端的距离为δ，其中，δ/tw≥1.5。
进一步地，每组永磁体中的永磁体沿转子的径向方向上的厚度为T，永磁体的最末端的厚度为A，其中，T＞A。
进一步地，在转子铁心的径向方向上设置的永磁体数小于或者等于安装槽数。
进一步地，最外层的安装槽内不放置永磁体。
进一步地，安装槽为U字形，包括位于内层的内层安装槽和位于外层的外层安装槽，相邻的外层安装槽和外层安装槽的中间间距为W，两端的端部之间的宽度分别为Wa和Wb，其中，Wa＞W，Wb＞W。
进一步地，安装槽为V字形，两块永磁体分别嵌入安装槽的两端。
进一步地，安装槽为弧形，其内部设置有弧形的永磁体。
进一步地，转子采用硅钢片沿其径向叠压而成或者采用软磁材料一体成形。
根据本发明的一个方面，还提供了一种永磁辅助同步磁阻电机，包括前述的永磁辅助同步磁阻电机转子。
根据本发明的另一个方面，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安装槽，使所述安装槽的末端与所述转子的外圆周之间的距离为tw，所述永磁体的末端与同层所述安装槽的末端的距离为δ，其中，δ/tw≥1.5；步骤二，将转子铁心两端用挡板封盖，从而将永磁体固定在安装槽中；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。
采用本发明的永磁辅助同步磁阻电机转子及具有其的电机及安装方法，永磁体端部距离安装槽端部具有一定的距离，有效地避开了d轴电枢磁势集中作用在永磁体端部的情况，可以很好地提高永磁辅助同步磁阻电机的退磁电流，从而提高永磁辅助同步磁阻电机的抗退磁能力及永磁辅助同步磁阻电机的运转可靠性。
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是现有的内置式永磁同步永磁辅助同步磁阻电机转子的剖面图；
图2是图1的局部放大图；
图3是图1中转子的退磁磁势分布图；
图4是根据本发明的永磁辅助同步磁阻电机转子的第一实施例的剖面图；
图5是图4中转子的退磁磁势分布图；
图6是图4的局部放大图；
图7是图4中转子的退磁电流与δ/tw的关系示意图；
图8是图4中转子与现有的转子的转矩比较示意图；
图9是根据本发明的永磁辅助同步磁阻电机转子的永磁体的厚度示意图；
图10是根据本发明的永磁辅助同步磁阻电机转子的第二实施例的剖面图；
图11是根据本发明的永磁辅助同步磁阻电机转子的第三实施例的剖面图；
图12是根据本发明的发动机的第一实施例的气隙磁密示意图；以及
图13是根据本发明的发动机的第三实施例的气隙磁密示意图。
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。
本发明提供了一种永磁辅助同步磁阻电机转子20，包括转子铁心21和设于铁心21内部的永磁体10，转子铁心21上沿其周向方向上设置有多组安装槽30，每组安装槽30包括两层或者两层以上在转子铁心21的径向方向上间隔设置的安装槽30；永磁体10为多组，每组永磁体10中的各个永磁体10对应地嵌入安装槽30中。
以图4所示的永磁辅助同步磁阻电机的第一实施例进行说明，该转子20包括由高导磁材料或硅钢片制成的转子铁心21和置于转子铁心21的永磁体10，其中的转子铁心21中分布着六组磁极单元，所有磁极单元在转子圆周方向排列成N极和S极交替的形式，每个磁极单元由两层安装槽30和置于安装槽30内的永磁体10组成，两层安装槽30相对转子中心的径向方向由内向外分别确定为内层安装槽31和外层安装槽32，相应地永磁体分为内层永磁体11和外层永磁体12。图4示出的永磁体11和12分别为一整体，形状上形成沿转子20中心延伸的弧形，且该两永磁体10的端部分别与同层的安装槽30保持一定的距离。本实施例中，安装槽30的末端与转子的外圆周之间的距离为tw，永磁体10的末端与同层安装槽30的末端的距离为δ，其中，δ/tw≥1.5。其中，tw和δ在图2中示出。图6示出了在两层安装槽30的情况下内层安装槽31和外层安装槽32的末端与转子20的外圆周之间的距离tw1和tw2，以及内层永磁体11和外层永磁体12的末端与同层安装槽31、32的末端的距离δ1和δ2。另外，转子20也可采用高导磁率的硅钢片径向叠压而成或者采用软磁材料一体成形。
图5为图4所示转子的d轴电枢磁势的分布图，与图3中的现有技术的永磁辅助同步磁阻电机转子的退磁磁势分布图相似，d轴电枢磁势经由定子齿进入转子20，再沿q轴返回定子的过程中，都对转子20内与该齿正对的永磁体端部11a、12a和11b、12b等产生了退磁作用。由于图4示出的本发明永磁辅助同步磁阻电机转子的永磁体端部距离安装槽端部具有一定的距离，有效地避开了d轴电枢磁势集中作用在永磁体端部的情况，可以很好地提高永磁辅助同步磁阻电机的退磁电流。
其中，δ/tw≥1.5，图7中示出的转子20内永磁体10端部距离安装槽30端部与安装槽30端部距离转子20外圆周的间距比值对永磁辅助同步磁阻电机退磁电流的影响，从图中可看出，适当地增大δ可以提高永磁辅助同步磁阻电机的退磁电流，且增大到与tw的比值大于或者等于1.5时，退磁电流提升到一个较大的值。另外，因为δ增大会带来每极气隙磁通的下降，降低永磁辅助同步磁阻电机效率，因此从效率考虑，δ不适于增加太大。
图8为现有的永磁辅助同步磁阻电机转子与本发明的永磁辅助同步磁阻电机转子在同一个定子及相同电流激励下产生的电磁转矩的比较，从比较结果来看，本发明的永磁辅助同步磁阻电机转子单位电流产生电磁转矩的能力有所提高，这主要是因为该永磁辅助同步磁阻电机转子的d、q轴磁阻差异更大，在相同的电流下能产生更大的磁阻转矩，从而使得合成的电磁转矩更大，因此采用本发明转子的永磁辅助同步磁阻电机工作电流可以更小，这也间接地提高了永磁辅助同步磁阻电机的退磁电流倍数，更有效地保证了永磁辅助同步磁阻电机在抗退磁方面的可靠性。此外，由于采用本发明转子的永磁辅助同步磁阻电机单位电流产生的电磁转矩更大，永磁辅助同步磁阻电机功率密度可以做的更高，无需为了提高永磁辅助同步磁阻电机的退磁电流而增大永磁辅助同步磁阻电机的体积或材料使用量，永磁辅助同步磁阻电机成本可以做得更低。
优选地，如图9所示，安装槽30为弧形，其内部设置有弧形的永磁体。如图9所示，永磁体10沿转子的径向方向上的厚度为T，永磁体10的最末端的厚度为A，其中，T＞A。通常弧形永磁体容易在永磁体10中间内表面区域发生局部退磁，为了缓解弧形永磁体的局部退磁，可以将弧形永磁体设计成为中间厚、两端薄，此外采用这这种不等厚的永磁体设计还可以防止永磁体10在安装槽30内发生滑动。
进一步地，为了避免转子外层永磁体退磁，引起永磁辅助同步磁阻电机的反电势及电感等参数变化导致永磁辅助同步磁阻电机驱动可靠性下降，在转子铁心21的径向方向上设置的永磁体10数小于或者等于安装槽30数。优选地，最外层安装槽30内不放置永磁体10。
如图10所示的为本发明的第二实施例，该实施例中转子铁心21中的安装槽30为U形结构，其相对转子中心的径向方向由内向外分别确定为内层安装槽31和外层安装槽32，相应地永磁体10分为内层永磁体11和外层永磁体12，永磁体11和12为矩形，分别置于安装槽31、32的中部，且永磁体11和12的端部分别与同层的安装槽31、32的端部保持一定距离。该实施例中，相邻的内层安装槽31和外层安装槽32的中间间距为W，其两端的端部之间的宽度分别为Wa和Wb，其中，Wa＞W，Wb＞W。内外层安装槽31、32的两端部宽度Wa和Wb大于中部间距W，这使得在转子20外缘部分的q轴磁通能更顺畅的进入转子20，避免安装槽30端部阻碍q轴磁通的情况，此外，在U形安装槽30的两端部没有放置永磁体，这也避免了永磁体端部易退磁和充磁不饱和的情况，永磁辅助同步磁阻电机的抗退磁能力有所提高。
图11为本发明的第三实施例，该实施例中，转子20中的两层安装槽30为V形结构，其中分别填充有永磁体11和12。以内层为例，两块矩形的永磁体11a和11b分别置于内层V形安装槽30的两端，并在安装槽30的中部保持一定的间距。该实施例中，将永磁体11a和11b分别嵌入V形安装槽30的两端可以在保持永磁体10使用量不变的情况下有效地增大永磁辅助同步磁阻电机的气隙磁密，根据仿真确定，如图12和图13所示，在相同的永磁体使用量下，实施例三的气隙磁密比实施例一中气隙磁密增大近50％，比实施例二中气隙磁密增大近61％，这对增大永磁辅助同步磁阻电机的永磁转矩、降低永磁辅助同步磁阻电机的工作电流，从而间接提高永磁辅助同步磁阻电机抗退磁能力、提升永磁辅助同步磁阻电机效率非常有利。
本发明还提供了一种永磁辅助同步磁阻电机，包括永磁辅助同步磁阻电机转子20，转子20为前述的永磁辅助同步磁阻电机转子。
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10插入转子铁心21中的安装槽30，使所述安装槽30的末端与所述转子的外圆周之间的距离为tw，所述永磁体10的末端与同层所述安装槽30的末端的距离为δ，其中，δ/tw≥1.5；
步骤二，将转子铁心21两端用挡板封盖，从而将永磁体10固定在安装槽30中；
步骤三，将封盖好的转子铁心21放置于定子中，并盖合好电机外壳。
本发明将永磁体10端部与安装槽30的端部保持一定的间距，避免了集中在安装槽30端部的d轴电枢磁势对永磁体10端部产生退磁作用，可有效地提高永磁辅助同步磁阻电机的退磁电流；同时结合在转子上采用多层安装槽30的结构设计，增大永磁辅助同步磁阻电机的q、d轴电感差，提高永磁辅助同步磁阻电机的磁阻转矩利用率，使永磁辅助同步磁阻电机在单位电流下能产生更大的电磁转矩，降低永磁辅助同步磁阻电机的工作电流，从而降低永磁辅助同步磁阻电机退磁的风险；其次通过调整安装槽30层数与永磁体层数的关系，以及对安装槽30端部进行切削和采用不同永磁体形状等措施进一步提高了永磁辅助同步磁阻电机的抗退磁能力。
另一方面，永磁辅助同步磁阻电机单位电流产生的电磁转矩的提升也避免了永磁辅助同步磁阻电机体积的增大或材料使用量的增加，解决了永磁辅助同步磁阻电机成本与抗退磁能力相互制约间的矛盾。
因此，本发明的永磁辅助同步磁阻电机转子及其制作方法可保证永磁辅助同步磁阻电机具有较高的抗退磁能力，同时永磁辅助同步磁阻电机的制作成本相对低廉。
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：
本发明的永磁辅助同步磁阻电机转子及具有其的电机及安装方法，通过在转子结构上采用两层或多层安装槽结构及使永磁体端部与安装槽端部保持一定的距离，可以消除永磁体端部易退磁的情况，有效地提高永磁辅助同步磁阻电机的抗退磁能力。同时通过采用不同的安装槽和永磁体形状、改变永磁体在安装槽中的位置及调整永磁体层数与安装槽层数间的关系，可以分别起到直接或间接地提高永磁辅助同步磁阻电机抗退磁能力的目的，这有利于永磁辅助同步磁阻电机在不同功率、不同应用场合下的使用。
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 (10)

1.一种永磁辅助同步磁阻电机转子，包括转子铁心(21)和设于所述转子铁心(21)内部的永磁体(10)，其特征在于，
所述转子铁心(21)上沿其周向方向上设置有多组安装槽(30)，每组所述安装槽(30)包括两层或者两层以上在所述转子铁心(21)的径向方向上间隔设置的安装槽(30)；
所述永磁体(10)为多组，每组所述永磁体(10)中的各个永磁体(10)对应地嵌入所述安装槽(30)中；
所述安装槽(30)的末端与所述转子的外圆周之间的距离为tw，所述永磁体(10)的末端与同层所述安装槽(30)的末端的距离为δ，其中，δ/tw≥1.5。
2.根据权利要求1所述的永磁辅助同步磁阻电机转子，其特征在于，每组所述永磁体(10)中的所述永磁体(10)沿所述转子的径向方向上的厚度为T，所述永磁体(10)的最末端的厚度为A，其中，T＞A。
3.根据权利要求1所述的永磁辅助同步磁阻电机转子，其特征在于，在所述转子铁心(21)的径向方向上设置的所述永磁体(10)数小于或者等于所述安装槽(30)数。
4.根据权利要求3所述的永磁辅助同步磁阻电机转子，其特征在于，最外层的所述安装槽(30)内不放置所述永磁体(10)。
5.根据权利要求1所述的永磁辅助同步磁阻电机转子，其特征在于，所述安装槽(30)为U字形，包括位于内层的内层安装槽(31)和位于外层的外层安装槽(32)，相邻的所述内层安装槽(31)和所述外层安装槽(32)的中间间距为W，两端的端部之间的宽度分别为Wa和Wb，其中，Wa＞W，Wb＞W。
6.根据权利要求1所述的永磁辅助同步磁阻电机转子，其特征在于，所述安装槽(30)为V字形，两块永磁体(11a，11b)分别嵌入所述安装槽(30)的两端。
7.根据权利要求1所述的永磁辅助同步磁阻电机转子，其特征在于，所述安装槽(30)为弧形，其内部设置有弧形的永磁体(10)。
8.根据权利要求1所述的永磁辅助同步磁阻电机转子，其特征在于，所述转子采用硅钢片沿其径向叠压而成或者采用软磁材料一体成形。
9.一种永磁辅助同步磁阻电机，包括永磁辅助同步磁阻电机转子(20)，其特征在于，所述转子(20)为权利要求1至8中任一项所述的永磁辅助同步磁阻电机转子。
10.一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(10)插入转子铁心(21)的安装槽(30)中，使所述安装槽(30)的末端与所述转子的外圆周之间的距离为tw，所述永磁体(10)的末端与同层所述安装槽(30)的末端的距离为δ，其中，δ/tw≥1.5；
步骤二，将转子铁心(21)两端用挡板封盖，从而将永磁体(10)固定在安装槽(30)中；
步骤三，将封盖好的转子铁心(21)放置于定子中，并盖合好电机外壳。
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