CN103208894B - 自起动式同步磁阻电机及其转子 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自起动式同步磁阻电机及其转子。根据本发明的自起动式同步磁阻电机转子包括：铁芯，铁芯上设置有磁通阻隔槽，鼠笼槽，沿铁芯外周分布；在转子的横截面中，鼠笼槽的横截面的中心线偏离铁芯的圆心。根据本发明的自起动式同步磁阻电机，包括定子和前述的自起动式同步磁阻电机转子。根据本发明的自起动式同步磁阻电机及其转子，通过调整转子上鼠笼槽角度，使鼠笼槽的横截面的中心线偏离铁芯的圆心，提高D轴方向的导磁率，降低Q轴方向的导磁率，而提高D轴方向的电感L_d，减小Q轴方向的电感L_q，即提高电机的凸极比(L_d/L_q)，提高电机的效率。

Description

自起动式同步磁阻电机及其转子

技术领域

本发明涉及电机领域，具体而言，涉及一种自起动式同步磁阻电机及其转子。

背景技术

自起动永磁同步电机是一种在感应电机转子内侧放置一层永磁体，保留感应电机的鼠笼条，主要利用永磁转矩的电机，其主要通过提高永磁体的性能来提高电机性能，常见的做法就是内置稀土类永磁体。但稀土是不可再生资源，其价格昂贵，因此该种电机应用范围受限。为了节约稀有金属资源，减轻环境负担，降低成本，结合同步磁阻电机、自起动永磁同步电机、感应电机三者的优势，开发不使用稀土的自起动同步磁阻电机变得非常迫切和重要。电机磁阻转矩公式如下：

$T=\frac{1}{2}\mathrm{mp}(L_d-L_q){I_s}^2\sin 2\mathrm{\θ}$

上式中m为定子导体的相数，L_d、L_q分别为D轴和Q轴电感，Is是电枢电流有效值，θ是电流与D轴的夹角。通过增加电机D、Q轴电感差值可以实现电机输出转矩的提高，提高电机的凸极比(L_d/L_q)可以提高电机的效率，高导磁率方向为D轴，低导磁率方向为Q轴。

发明内容

本发明旨在提供一种增大电机凸极比的自起动式同步磁阻电机及其转子，以提高电机的效率。

本发明提供了一种自起动式同步磁阻电机转子，包括：铁芯，铁芯上设置有磁通阻隔槽，鼠笼槽，沿铁芯外周分布；在转子的横截面中，鼠笼槽的横截面的中心线偏离铁芯的圆心。

进一步地，在平行于磁通阻隔槽方向设置的鼠笼槽至垂直于磁通阻隔槽方向设置的鼠笼槽之间的间隔逐渐减小；铁芯圆心和鼠笼槽中心的连接线与鼠笼槽的横截面的中心线的夹角为α，夹角α在从平行于磁通阻隔槽的方向至垂直于磁通阻隔槽方向逐渐增大。

进一步地，鼠笼槽之间的间隔间距的最大值与最小值的比值为Z₁，其中，1＜Z₁≤1.4。

进一步地，鼠笼槽之间的间隔间距的最大值与最小值的比值为Z₁＝1.38。

进一步地，夹角α小于或等于60°。

进一步地，鼠笼槽的横截面的中心线汇聚于与磁通阻隔槽平行且过铁芯圆心的直线上。

进一步地，鼠笼槽靠近铁芯圆心的一端的宽度不大于远离铁芯一端的宽度。

进一步地，磁通阻隔槽端部与鼠笼槽的靠近铁芯圆心的一端相对。

进一步地，转子具有轴孔，轴孔与相邻的磁通阻隔槽之间的最小距离为h，其中，h≤1.5mm；靠近轴孔的一个或多个磁通阻隔槽在轴孔处具有圆弧过渡部。

进一步地，在平行于磁通阻隔槽的转子外周上设置有切槽，切槽对应的转子外周的圆弧的弧度为β，其中β≤π/4。

本发明还提供了一种自起动式同步磁阻电机，包括转子和定子，转子为前述的自起动式同步磁阻电机转子，切槽的最低点沿转子的径向到转子的外周线的距离H与定子和转子之间的距离之比为Z₂，其中，Z₂≤11。

进一步地，切槽的最低点沿转子的径向到转子的外周线的距离为H与定子和转子之间的距离之比为Z₂＝10。

根据本发明的自起动式同步磁阻电机及其转子，通过调整转子上鼠笼槽角度，使鼠笼槽的横截面的中心线偏离铁芯的圆心，提高D轴方向的导磁率，降低Q轴方向的导磁率，而提高D轴方向的电感L_d，减小Q轴方向的电感L_q，即提高电机的凸极比(L_d/L_q)，提高电机的效率。

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是根据本发明的自起动式同步磁阻电机转子的第一实施例的横截面结构示意图；

图2是根据本发明的自起动式同步磁阻电机转子的第二实施例的横截面结构示意图；

图3是根据本发明的自起动式同步磁阻电机转子的第三实施例的横截面结构示意图；

图4是根据本发明的自起动式同步磁阻电机转子的第四实施例的横截面结构示意图；

图5是根据本发明的自起动式同步磁阻电机转子的第五实施例的横截面结构示意图；

图6是根据本发明的自起动式同步磁阻电机转子的第六实施例的横截面结构示意图；以及

图7是根据本发明的自起动式同步磁阻电机转子的第七实施例的横截面结构示意图。

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。

如图1所示，根据本发明的第一实施例，自起动式同步磁阻电机转子，包括：铁芯10，铁芯10上设置有磁通阻隔槽11，鼠笼槽12，沿铁芯10外周分布；在转子的横截面中，鼠笼槽12的横截面的中心线偏离铁芯10的圆心。一般地，以平行于磁通阻隔槽11的方向为D轴，垂直磁通阻隔槽11的方向为Q轴，转子关于D轴和Q轴均对称，使鼠笼槽的横截面的中心线偏离铁芯10的圆心，提高D轴方向的导磁率，降低Q轴方向的导磁率，而提高D轴方向的电感L_d，减小Q轴方向的电感L_q，即提高电机的凸极比(L_d/L_q)，提高电机的效率。

鼠笼槽12的横截面的中心线偏离鼠笼槽12的中心与转子的中心的连线，且鼠笼槽12的中心和该鼠笼槽12的横截面的中心线与D轴的交点分别位于Q轴的两侧。

通过调整转子上鼠笼槽12角度，由于鼠笼槽12的中心和该鼠笼槽12的的横截面的中心线与D轴的交点分别位于Q轴的两侧，即鼠笼槽12与D轴方向夹角更小，由于鼠笼槽为铝材料，铝和空气一样都为高磁阻率的材料，使鼠笼槽更趋于平行于D轴，使大部分磁通经过鼠笼槽间的铁芯时，在Q轴上的磁通很少，大部分是从D轴上经过的，磁通越大，电感越大，从而提高D轴方向的电感L_d，减小Q轴方向的电感L_q，即提高电机的凸极比(L_d/L_q)，提高电机的效率。

如图1所示，铁芯10圆心和鼠笼槽12中心的连接线与鼠笼槽12的横截面的中心线的夹角为α，夹角α在从平行于磁通阻隔槽11的方向至垂直于磁通阻隔槽11方向逐渐增大，即α2大于α1，使鼠笼槽12与逐渐趋于平行于D轴，优选地，夹角的最大值为60°。由于转子关于D轴和Q轴对称，所以使鼠笼槽12与D轴的夹角都减小。

更优选地，在D轴到Q轴的四分之一圆中，鼠笼槽12的横截面的中心线汇聚于与磁通阻隔槽11平行且过铁芯10圆心的直线上的一点，即鼠笼槽12的横截面中心线以相同的趋势偏离铁芯的圆心。鼠笼槽12靠近铁芯10圆心的一端的宽度不大于远离铁芯10一端的宽度。

如图2所示，根据本发明的第二实施例，自起动式同步磁阻电机转子具有轴孔14，轴孔14与其相邻的磁通阻隔槽11的距离为h，其中，h≤1.5mm，增加磁通阻隔槽的层数使转子磁通阻隔槽与轴孔的距离小于1.5mm，磁通阻隔槽11在轴孔14处采用圆弧过渡部11a避开轴孔14。在保证转子机械强度下，使轴孔14与磁通阻隔槽11之间具有足够小的距离，防止漏磁，通过增加磁通阻隔槽层数，使Q轴方向的磁阻增大，电感L_q减小，从而可以增大凸极比且减小了极弧系数，提高电机的最大转矩。

如图3所示，根据本发明的第三实施例，相邻两个鼠笼槽12之间具有间距，从D轴到Q轴的四分之一的圆周中，每个鼠笼槽12的前侧间距大于或等于其后侧间距，且所有间距不全相等。即从D轴到Q轴的四分之一的圆周中，间距的整体趋势是减小的，但是相邻的两个间距可以相等。也即如图3中所示，d1≥d2≥d3≥d4，且d1＞d4。当鼠笼槽12和磁通阻隔槽11连在一起的效果最佳，可以起到完全切断Q轴磁通，增加Q轴磁阻的目的，但实际中两者之间保留有一点铁芯(隔磁桥)，使磁通阻隔槽11端部与鼠笼槽12的靠近铁芯10圆心的一端相对。因而鼠笼槽12的位置决定了磁通阻隔槽的位置，鼠笼槽11间宽度从Q轴到D轴总体趋势逐渐增大，则转子上的铁芯栅条宽度也沿Q轴从转子中心到外周方向总体趋势逐渐增大。由于越靠近轴孔磁通通过量越大，所以本实施例可以使得磁通经过量越大的地方铁芯栅条宽度也越大，避免铁芯磁饱和，使得凸极比保持较高的水平，不因磁饱和而下降。

间距的最大值与最小值的比值为Z₁，优选地，1＜Z₁≤1.4。更优选地，间距的最大值与最小值的比值Z₁为1.38。因为磁通阻隔槽11不能上下位置偏差太大，偏差过大会影响D轴的磁通经过，会增大D轴的磁阻。

如图4所示，根据本发明的第四实施例，转子外周侧在Q轴方向上设置有切槽13，切槽13沿转子的轴向延伸，切槽13关于Q轴对称，位于Q轴两端的切槽13关于D轴对称。在转子与电机气隙(电机转子与定子之间的间隙)接触处开切槽，磁通大部分绕开切槽从磁通阻隔槽11之间的栅条经过，由于切槽是开在Q轴方向上，从而增加Q轴的磁阻，即增加了D、Q轴的电感差L_d-L_q，提高了磁阻转矩和电机效率。

切槽13的最低点沿转子的径向到转子的外周线的距离为H，H与电机气隙(定子和转子之间的距离)的比值为Z₂.，优选地，Z₂≤11。更优选地，Z₂＝10。深度大于电机气隙的10倍时，作用和电机气隙10倍时相比电机性能无明显变化。

切槽13对应的圆弧的弧度为β，其中β≤π/4，当切槽过大时，同时也会影响D轴磁通，不利于提高D、Q轴的电感差L_d-L_q。

如图5至7所示，实施例一至四可以独立实施，也可以自由组合相互叠加实施，在实际生产设计过程中，可以根据铁芯尺寸和轴孔大小的实际情况选择实施例一至四中记载的技术方案的组合叠加，当包含越多的实施例记载的技术方案，电机的凸极比提高效果越好，电机性能更佳。

如图5所示，根据本发明的第五实施例，该实施例的转子同时具有实施例二和实施例四的技术特征，即轴孔14与其相邻的磁通阻隔槽11的距离为h，其中，h≤1.5mm，磁通阻隔槽11在轴孔14处采用圆弧过渡部11a避开轴孔14。转子外周侧在Q轴方向上设置有切槽，切槽在转子的横截面上具有切槽13，切槽13关于Q轴对称，位于Q轴两端的切槽13关于D轴对称。同时在Q轴方向上增加磁通阻隔槽层数和设置切槽，极大的增加了Q轴方向上的磁阻，使Q轴方向电感L_q减小，从而增大凸极比，提高了磁阻转矩和电机效率。

如图6所示，根据本发明的第六实施例，该实施例的转子同时具有实施例一、实施例二和实施例三的技术特征，即具有鼠笼槽12的的横截面的中心线向趋于D轴平行的方向偏移；从D轴到Q轴的四分之一的圆周中，每个鼠笼槽12的前侧间距大于或等于其后侧间距，且所有间距不全相等；减小轴孔14与其相邻的磁通阻隔槽11的距离为h，使h≤1.5mm。转子关于D轴和Q轴对称。使大部分磁通经过鼠笼槽间的铁芯时，在Q轴上的磁通很少，大部分是从D轴上经过的，提高Q轴方向的磁阻，从而提高电机的凸极比，提高电机的磁阻转矩和电机效率。

如图7所示，根据本发明的第七实施例，该实施例的转子同时具有实施例一、实施例二、实施例三、实施例四的技术特征，即具有鼠笼槽12的的横截面的中心线向趋于D轴平行的方向偏移；从D轴到Q轴的四分之一的圆周中，每个鼠笼槽12的前侧间距大于或等于其后侧间距，且所有间距不全相等；减小轴孔14与其相邻的磁通阻隔槽11的距离为h，使h≤1.5mm，且在Q轴两端开有切槽13，转子关于D轴和Q轴对称。增大电机凸极比，提高电机的磁阻转矩和电机效率。

本发明还提供了一种自起动式同步磁阻电机，包括转子和定子，转子为前述的自起动式同步磁阻电机转子。切槽13的最低点沿转子的径向到转子的外周线的距离H与定子和转子之间的距离之比为Z₂，其中，Z₂≤11。优选地，Z₂＝10，凸极比增加效果明显。

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：

根据本发明的自起动式同步磁阻电机及其转子，通过改变鼠笼槽的分布方式，和磁通阻隔槽层数以及在Q轴两端设置切槽等方式，来提高Q轴方向的磁阻和D轴方向的磁通，从而提高电机的凸极比，提高电机的磁阻转矩和电机效率。

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 (11)

1.一种自起动式同步磁阻电机转子，包括：

铁芯(10)，所述铁芯(10)上设置有磁通阻隔槽(11)；

鼠笼槽(12)，沿所述铁芯(10)外周分布；

其特征在于，在所述转子的横截面中，所述鼠笼槽(12)的横截面的中心线偏离所述铁芯(10)的圆心；

在平行于所述磁通阻隔槽(11)方向设置的鼠笼槽(12)至垂直于所述磁通阻隔槽(11)方向设置的鼠笼槽(12)之间的间隔逐渐减小；

所述铁芯(10)圆心和所述鼠笼槽(12)中心的连接线与所述鼠笼槽(12)的横截面的中心线的夹角为α，所述夹角α在从平行于所述磁通阻隔槽(11)的方向至垂直于所述磁通阻隔槽(11)方向逐渐增大。

2.根据权利要求1所述的自起动式同步磁阻电机转子，其特征在于，所述鼠笼槽(12)之间的间隔间距的最大值与最小值的比值为Z₁，其中，1＜Z₁≤1.4。

3.根据权利要求2所述的自起动式同步磁阻电机转子，其特征在于，所述鼠笼槽(12)之间的间隔间距的最大值与最小值的比值为Z₁＝1.38。

4.根据权利要求1所述的自起动式同步磁阻电机转子，其特征在于，所述夹角α小于或等于60°。

5.根据权利要求1所述的自起动式同步磁阻电机转子，其特征在于，所述鼠笼槽(12)的横截面的中心线汇聚于与所述磁通阻隔槽(11)平行且过所述铁芯(10)圆心的直线上。

6.根据权利要求1所述的自起动式同步磁阻电机转子，其特征在于，所述鼠笼槽(12)靠近所述铁芯(10)圆心的一端的宽度不大于远离所述铁芯(10)一端的宽度。

7.根据权利要求1所述的自起动式同步磁阻电机转子，其特征在于，所述磁通阻隔槽(11)端部与所述鼠笼槽(12)的靠近铁芯(10)圆心的一端相对。

8.根据权利要求1所述的自起动式同步磁阻电机转子，其特征在于，

所述转子具有轴孔(14)，所述轴孔(14)与相邻的所述磁通阻隔槽(11)之间的最小距离为h，其中，h≤1.5mm；

靠近所述轴孔(14)的一个或多个所述磁通阻隔槽(11)在所述轴孔(14)处具有圆弧过渡部(11a)。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的自起动式同步磁阻电机转子，其特征在于，

在平行于所述磁通阻隔槽(11)的转子外周上设置有切槽(13)，所述切槽(13)对应的转子外周的圆弧的弧度为β，其中β≤π/4。

10.一种自起动式同步磁阻电机，包括转子和定子，其特征在于，所述转子为权利要求9所述的自起动式同步磁阻电机转子，所述切槽(13)的最低点沿所述转子的径向到所述转子的外周线的距离H与所述定子和所述转子之间的距离之比为Z₂，其中，Z₂≤11。

11.根据权利要求10所述的自起动式同步磁阻电机，其特征在于，所述切槽(13)的最低点沿所述转子的径向到所述转子的外周线的距离为H与所述定子和所述转子之间的距离之比为Z₂＝10。