CN104901452A - 一种可用于高速场合的永磁辅助同步磁阻电机转子 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可用于高速场合的永磁辅助同步磁阻电机转子，该永磁辅助同步磁阻电机转子包括转子铁心、分布在转子铁心上的磁障、以及设在磁障内的磁钢；其中转子铁心每极下分布四层船型磁障，每层磁障由位于中部且垂直于d轴向的直线部和位于两端且与d轴呈α角向的斜向直线部连接闭合而成。本发明对电机转子进行了最优设计，使电机具有高效、高转矩密度、高功率因数、抗去磁能力强以及制成方便的特点。

Description

一种可用于高速场合的永磁辅助同步磁阻电机转子

技术领域

本发明涉及同步电机技术领域，具体涉及一种永磁辅助同步磁阻电机转子。

背景技术

同步磁阻电机完全依靠dq轴磁路的磁阻差异来产生转矩。因转子上不存在导条，故不存在任何电磁损耗，相较于感应电机具有更高的效率和更低的稳定运行温度。经过对同步磁阻电机转子磁障的最优设计，最大化磁阻转矩，已可做到优于感应电机的转矩密度。目前，制约同步磁阻电机广泛应用的问题主要是功率因数偏低，需要搭配大容量变频器进行驱动。而永磁辅助同步磁阻电机通过在原有同步磁阻电机转子磁障内合理添加磁钢能有效提高功率因数，与此同时，磁钢的引入将带来一部分永磁转矩，进一步增大了转矩密度，从而一定程度的也提高了电机效率。

公开号为CN102511119A的中国专利的公开说明书中公开了一种永磁辅助同步磁阻电机，两层磁障的结构并没有最大化磁阻转矩；无磁钢槽设计，高速工况磁钢可能发生脱落，引发电机故障；磁障内嵌入了高剩磁Br的稀土铷铁硼永磁材料，稀土属不可再生资源，价格昂贵，嵌入同步磁阻电机中性价比极差，这是因为磁钢所嵌磁障位置通常偏离气隙较远，且磁钢磁能进入气隙路径上“阻碍”较多，将导致磁钢的利用率极低。也就是说，永磁辅助同步磁阻添加磁钢的目的应以提高功率因数为主，转矩密度的提升具有一定局限性。

公开号为CN104038011A和CN104052227A的中国专利的公开说明书中公开了两种永磁辅助同步磁阻电机，同样，磁钢采用了高剩磁Br的稀土铷铁硼永磁材料，且磁钢用量大，规格多，除第一层磁障内的磁钢直面气隙能有效输出一定磁能外，其余磁钢磁能利用率低。该结构相对于一般IPM电机只略微增加了有限的转矩密度，但大大增加了电机成本，经济性较差，不适宜批量生产。

公开号为CN102761222A和CN102790457A的中国专利的公开说明书中公开了两种永磁辅助同步磁阻电机，磁障内嵌入了价格低廉的铁氧体磁钢，因铁氧体永磁材料硬而脆，不能进行电加工，仅能切片和进行少量磨加工，故圆弧状铁氧体磁钢生产工艺较为繁琐，加工成本偏高；同时铁氧体磁钢跨距较大，极易碎裂；磁障缺少磁桥来减轻转子高速旋转时的边沿应力，将可能出现转子边沿拉断的危险，不适宜高速工况。

发明内容

针对现有永磁辅助同步磁阻电机所存在的问题，本发明的目的在于提供一种高功率因数、高转矩密度和高效率可应用于高速场合的永磁辅助同步磁阻电机转子。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种可用于高速场合的永磁辅助同步磁阻电机转子，所述永磁辅助同步磁阻电机转子包括转子铁心、分布在转子铁心上的磁障、以及设在磁障内的磁钢；

所述转子铁心每极下分布四层船型磁障，每层磁障由位于中部且垂直于d轴向的直线部和位于两端且与d轴呈α角向的斜向直线部连接闭合而成。

进一步的，每层磁障中直线部与斜向直线部的闭合面结合处，以及端部皆具有圆角。

进一步的，所述四层船型磁障中，第1层磁障采用无隔断磁桥，第2-4层磁障采用隔断磁桥。

进一步的，所述四层船型磁障中，第2-4层磁障采用的隔断磁桥的厚度依次增大。

进一步的，所述四层船型磁障中，四层磁障沿d轴向的厚度L1～L4与由四层磁障隔开的转子硅钢片厚度W1～W4，满足关系：

L2＝L3＝L4且W2＝W3＝W4，L1<L2且W1<W2，同时0.4≤(L1+3*L2)/(L1+3*L2+W1+3*W2)≤0.6。

进一步的，所述四层船型磁障中，第2-4层磁障在垂直于d轴向的直线部设置磁钢槽，转子铁心每极下分布的四层船型磁障中，第1层磁障内不放置磁钢，第2-4层磁障的磁钢槽内嵌入同尺寸同极性的铁氧体磁钢。

进一步的，所述转子铁心每极下分布的四层船型磁障中，各磁障与转子外圆间的间距相同，并在两者之间形成一圈边沿磁桥。

进一步的，所述四层船型磁障中，各层磁障的α角不统一。

进一步的，所述四层船型磁障中，第4层磁障中斜向直线部靠近q轴的斜边与d轴的夹角α1统一限定在0.95*360°/2p≤90°-α1≤360°/2p范围内。

进一步的，所述四层船型磁障中，除第4层磁障中斜向直线部靠近q轴斜边外其余所有斜边与d轴的夹角α_left统一限定在0.8*360°/2p≤90°-α_left≤90°-α1范围内。

进一步的，所述四层船型磁障中，其上各磁钢槽靠近转子内圆的槽边保持统一长度，且向内圆方向“塌陷”1mm形成台阶以固定磁钢。

进一步的，铁氧体磁钢与磁钢槽接触面涂覆环氧树脂AB胶进一步加固。

本发明提供的方案通过采用四层船型磁障转子结构最大化了输出能力；引入磁桥和磁钢槽并合理设计，使转子具备有安全高速运转能力；采用统一规格矩形铁氧体材料拥有极高性价比且易于采购管理。

再者，采用该转子结构的永磁辅助同步磁阻电机相比于其它同类电机具备了低成本、大批量制成方便、强抗去磁能力、高功率因数、高转矩密度和高效节能的优点。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1是本发明结构示意图。

图2是本发明半极下结构细节放大图。

图3是本发明第4层磁障未圆角放大图。

图中：1.磁钢槽(铁氧体磁钢)；2.第1层磁障；3.第2层磁障；4.第3层磁障；5.第4层磁障；6.磁障端部圆角；7.磁障结合处圆角；8.边沿磁桥；9.转子轭(即转子铁心)；10.隔断磁桥。

图4是本发明提高功率因数机理相量分析图。

图5是本发明与假定本发明中第2-4层磁障嵌满铁氧体磁钢的输出能力对比图。

图6是本发明与假定本发明中磁钢采用稀土铷铁硼永磁材料输出能力对比图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

参照附图1，其所示为本发明提供的可用于高速场合的永磁辅助同步磁阻电机转子的结构示意图。由图可知，该永磁辅助同步磁阻电机转子主要包括转子轭(即转子铁心)、设置在其上的磁障、以及设在磁障内的磁钢三部分。

其中，本电机转子方案在转子铁心9的每极下分别分布四层船型磁障，图示方案在转子铁心9的上下、左右四个极方向上分别对称的设置四层船型磁障。

在每个四层船型磁障中，由第1层磁障2、第2层磁障3、第3层磁障4、第4层磁障5由外向内依次设置构成。第1层磁障2采用无隔断磁桥，第2-4层磁障3、4、5分别采用隔断磁桥10，且第2-4层磁障采用的隔断磁桥10的厚度依次增大。

在每极下分布的四层船型磁障中的第2层磁障3、第3层磁障4和第4层磁障5上分别开设相应的磁钢槽1，第1层磁障内不放置磁钢，在第2-4层磁障的磁钢槽内嵌入同尺寸、同极性的矩形铁氧体磁钢1。

由于第2-4层磁障采用隔断磁桥10结构，因此在每极四层船型磁障中，采用6块同尺寸、同极性的矩形铁氧体磁钢1分别嵌入每极第2-4层磁障的磁钢槽内，即同一极下6块磁钢1为同一极性。

同时，在磁钢1与磁钢槽1接触的三面涂覆环氧树脂AB胶进一步加固。

参照附图2和3，在具体实现时，每极四层船型磁障中，各层磁障2，3，4，5分别由位于中部且垂直于d轴向的直线部和位于两端且分别与d轴呈α角向的斜向直线部连接闭合而成。各层磁障2，3，4，5在端部和闭合面结合处皆具有磁障端部圆角6和磁障结合处圆角7。

每极四层船型磁障中，各层磁障2，3，4，5沿d轴向的厚度L1-L4与由各层磁障2，3，4，5隔开的转子硅钢片9厚度W1-W4满足如下关系：

L2＝L3＝L4且W2＝W3＝W4，L1<L2且W1<W2；

同时0.4≤(L1+3*L2)/(L1+3*L2+W1+3*W2)≤0.6。

再者，在每极四层船型磁障中，各层磁障2，3，4，5包络在半径为R2的圆内，即各层磁障2，3，4，5两端的端部位于同一圆周上(即各层磁障2，3，4，5两端的端部位于半径为R2的磁障包络圆圆周上)；且各层磁障2，3，4，5与半径为R1的转子外圆间距统一设计为Rs，Rs在1-2mm之间，具体距离可示转速合理设计，其中Rs＝R1-R2(由于各层磁障2，3，4，5包络在半径为R2的圆内，所以各层磁障与半径为R1的转子外圆间距Rs即为半径R2的磁障包络圆与半径为R1的转子外圆间的间距，从而Rs＝R1-R2)，半径R2的磁障包络圆和R1转子外圆间形成了一圈边沿磁桥8(参照附图2)。

参照附图3，在每极四层船型磁障中，对于各层磁障2，3，4，5，与d轴之间的α角不统一。其中，第4层磁障5中斜向直线部靠近q轴的斜边与d轴的夹角α1统一限定在0.95*360°/2p≤90°-α1≤360°/2p范围内，其中p指的是电机磁钢极对数，2p即指电机极数(以下同解)。

另外，在每极四层船型磁障中，除第4层磁障5中斜向直线部靠近q轴的斜边外其余所有斜边与d轴的夹角α_left(α2，α3，α4…,α8)统一限定在0.8*360°/2p≤90°-α_left≤90°-α1范围内。例如，第4层磁障5远离q轴斜边α2应限定在0.8*360°/2p≤90°-α₂≤90°-α1范围内。

参照附图2和3，在每极四层船型磁障中，磁钢槽1沿第2层磁障3、第3层号磁障4和第4层磁障5的垂直于d轴的直线部设置，磁钢槽1靠近转子内圆的槽边保持统一长度，且向内圆方向“塌陷”B1＝1mm形成台阶以固定磁钢1。

针对上述方案构成的可用于高速场合的永磁辅助同步磁阻电机转子，以下具体说明一下该转子的各项性能。

永磁辅助同步磁阻电机电磁转矩由磁阻转矩与永磁转矩构成，表达式如下：

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。p为电机极对数，L_d、L_q分别为d轴和q轴电感，i_d、i_q分别为定子电流空间矢量在d、q轴方向上的分量，ψ_pm为转子磁钢在定子绕组上产生磁链，当不嵌入磁钢时，此项为0，也就是电磁转矩无永磁转矩分量，完全由磁阻转矩提供。

通常，d轴方向定义为转子磁钢N极磁场方向，q轴为d轴方向逆时针旋转90°电角度。根据公式可知，增加L_d与L_q电感差值以及ψ_pm都可提高输出转矩。然而，由于同步磁阻转子多层磁障导致的磁路特殊性，磁钢产生的磁场经过层层障碍才能形成与定子绕组匝链ψ_pm，故无论磁钢磁能的强弱，嵌入磁钢带来的ψ_pm将十分有限，磁钢嵌入同步磁阻电机中只能作为一种辅助作用，以提高功率因数为主要目的，顺带提升一定的输出能力。永磁辅助同步磁阻电机输出转矩的大部分仍有磁阻转矩提供。

附图4是本发明依电压方程绘制的相量图，将展示永磁辅助同步磁阻电机提高功率因数的机理。永磁辅助同步磁阻电机电压方程可表示为：

u_d＝-ωL_qi_q+R₁i_d

u_q＝ωL_di_d+ωψ_f+R₁i_q

式中，ω为电气角速度，u_d、u_q分别为定子电流空间矢量在d、q轴方向上的分量，R₁为定子相电阻。未嵌入磁钢时，合成电压矢量为附图4中u_s，功率因数角为θ₁。嵌入磁钢后，依电压方程，合成电压矢量变为附图4中的u_pms，功率因数角为θ₂，显然此时θ₂<θ₁，即cosθ₂>cosθ₁。通过实例验证，采用本发明转子结构的37kW样机未嵌入磁钢实测额定点功率因数为0.73，嵌入磁钢转子额定点功率因数提高至0.85。

附图5是本发明与假定本发明中2-4层磁障嵌满铁氧体磁钢的输出能力对比图。可明显看出，即便磁障填满磁钢，磁钢用量几乎两倍于本发明，但输出能力也只提升了0.1倍。事实上，因磁钢形状的加工难度非常大，磁障填满磁钢的想法过于理想。

附图6是本发明与假定本发明中磁钢采用稀土铷铁硼永磁材料输出能力对比图。可看出，将本发明铁氧体换成稀土铷铁硼永磁材料后，在磁钢成本增加了5-10倍且剩磁Br增长了2倍(取铁氧体0.4T，稀土铷铁硼1.2T)的情况下，输出能力只仅仅提升了0.08倍，从而说明永磁辅助同步磁阻电机转子的设计应以最大化磁阻转矩为目的，磁钢引入所附带的永磁转矩对转矩密度的提升具有局限性。附图5与附图6的结果完全体现了本发明永磁辅助同步磁阻电机转子结构的优越性，具备有极高性价比与可大批量生产的优势。

通过上述说明可知，本发明提供的可用于高速场合的永磁辅助同步磁阻电机转子具有如下特点：

1.四层船型磁障结构，经过相应的尺寸优化限定后，可最大化d、q轴磁路的磁阻差异，即磁阻转矩最大化。

2.磁钢槽的设计较好的固定住了磁钢，同时磁钢与磁钢槽接触面涂覆环氧树脂AB胶进一步加固，双层保护使转子完全具备了高速运转的能力。

3.采用铁氧体永磁材料，价格低廉，提高功率因数的同时一定程度的提升了转矩密度和效率，应用于同步磁阻电机中相对于稀土铷铁硼永磁材料性价比更高。同时铁氧体永磁材料正矫顽力温度系数完全排出了电机高温运行情况下的不可逆退磁风险。

4.采用同一尺寸矩形磁钢，加工简单可靠性高，采购管理方便，可大幅降低电机成本。

5.第1层磁障沿d轴向厚度L1设计较小且不嵌入磁钢，增大磁阻转矩的同时有效的对内三层磁障内磁钢进行保护，阻碍了电枢磁场直接对磁钢的去磁作用以及磁钢高速旋转因齿槽效应引起的涡流损耗发热，进一步增强了电机的抗去磁能力。

6.隔断磁桥能有效的减小高速运转时转子边沿承受应力，但同时也会一定程度减弱输出能力。依次加厚的隔断磁桥设计，在完全保障转子结构高速运转安全性的同时最大程度的提高了电机输出能力。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (11)

1.一种可用于高速场合的永磁辅助同步磁阻电机转子，所述永磁辅助同步磁阻电机转子包括转子铁心、分布在转子铁心上的磁障、以及设在磁障内的磁钢；其特征在于，

所述转子铁心每极下分布四层船型磁障，每层磁障由位于中部且垂直于d轴向的直线部和位于两端且与d轴呈α角向的斜向直线部连接闭合而成。

2.根据权利要求1所述的一种可用于高速场合的永磁辅助同步磁阻电机转子，其特征在于，每层磁障中直线部与斜向直线部的闭合面结合处，以及端部皆具有圆角。

3.根据权利要求1或2所述的一种可用于高速场合的永磁辅助同步磁阻电机转子，其特征在于，所述四层船型磁障中，第1层磁障采用无隔断磁桥，第2-4层磁障采用隔断磁桥。

4.根据权利要求3所述的一种可用于高速场合的永磁辅助同步磁阻电机转子，其特征在于，所述四层船型磁障中，第2-4层磁障采用的隔断磁桥的厚度依次增大。

5.根据权利要求1所述的一种可用于高速场合的永磁辅助同步磁阻电机转子，其特征在于，所述四层船型磁障中，四层磁障沿d轴向的厚度L1～L4与由四层磁障隔开的转子硅钢片厚度W1～W4，满足关系：

L2＝L3＝L4且W2＝W3＝W4，L1<L2且W1<W2，同时0.4≤(L1+3*L2)/(L1+3*L2+W1+3*W2)≤0.6。

6.根据权利要求1所述的一种可用于高速场合的永磁辅助同步磁阻电机转子，其特征在于，所述四层船型磁障中，第2-第4层磁障在垂直于d轴向的直线部设置磁钢槽，转子铁心每极下分布的四层船型磁障中，第1层磁障内不放置磁钢，第2-4层磁障的磁钢槽内嵌入同尺寸同极性的铁氧体磁钢。

7.根据权利要求6所述的一种可用于高速场合的永磁辅助同步磁阻电机转子，其特征在于，所述四层船型磁障中，其上各磁钢槽靠近转子内圆的槽边保持统一长度，且向内圆方向“塌陷”1mm形成台阶以固定磁钢。

8.根据权利要求6或7所述的一种可用于高速场合的永磁辅助同步磁阻电机转子，其特征在于，铁氧体磁钢与磁钢槽接触面涂覆环氧树脂AB胶进一步加固。

9.根据权利要求1所述的一种可用于高速场合的永磁辅助同步磁阻电机转子，其特征在于，所述转子铁心每极下分布的四层船型磁障中，各磁障与转子外圆间的间距相同，并在两者之间形成一圈边沿磁桥。

10.根据权利要求1所述的一种可用于高速场合的永磁辅助同步磁阻电机转子，其特征在于，所述四层船型磁障中，各层磁障的α角不统一。

11.根据权利要求10所述的一种可用于高速场合的永磁辅助同步磁阻电机转子，其特征在于，所述四层船型磁障中，第4层磁障中斜向直线部靠近q轴的斜边与d轴的夹角α1统一限定在0.95*360°/2p≤90°-α1≤360°/2p范围内；除第4层磁障中斜向直线部靠近q轴斜边外其余所有斜边与d轴的夹角α_left统一限定在0.8*360°/2p≤90°-α_left≤90°-α1范围内。