CN107181337B - 电机的不对称转子结构、设置方法及同步磁阻电机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电机的不对称转子结构、设置方法及同步磁阻电机。其中电机的不对称转子结构包括：转子的每个磁极上设有导磁通道，所述导磁通道包括导磁臂；所述导磁通道的位于交轴两侧的所述导磁臂的宽度不同，且导磁臂后沿宽度比导磁臂前沿宽度大；所述位于交轴两侧的所述导磁臂包括旋转方向后沿一侧的导磁臂和旋转方向前沿一侧的导磁臂；所述导磁臂后沿宽度是旋转方向后沿一侧的导磁臂的宽度，所述导磁臂前沿宽度是旋转方向前沿一侧的导磁臂的宽度。本发明的技术方案改善了导磁通道前后导磁臂磁密不均的情况，提升了电机在相同输入电流的情况下的转矩输出，提升了电机的效率。

Description

电机的不对称转子结构、设置方法及同步磁阻电机
技术领域
本发明涉及电机技术领域，尤其涉及一种电机的不对称转子结构、设置方法及同步磁阻电机。
背景技术
同步磁阻电机在正常运行时，其合成磁场超前于D轴(直轴)一个角度，存在弱磁效应，因此，其关于Q轴(交轴)对称的两个导磁臂的磁密是不等的，而往往设计中需要顾全磁密较高的那个导磁臂，因此另一个导磁臂磁密偏低，容易引起Q轴漏磁，降低凸极比，影响电机性能。在现有技术中有关于Q轴不对称的转子设计，但大都通过极弧的不对称来体现的，其目的是为了降低转矩脉动，通过极弧的不对称设计，在转子旋转过程中，同定子齿槽的相互作用，使得各个出力位置不同，从而获得更低的转矩脉动。如何提升电机的转矩输出、提升电机效率是目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明的主要目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供了一种电机的不对称转子结构、设置方法及同步磁阻电机，以解决导磁臂磁密不均而导致电机效率低的问题。
本发明一方面提供了一种电机的不对称转子结构，包括：转子的每个磁极上设有导磁通道，所述导磁通道包括导磁臂；所述导磁通道的位于交轴两侧的所述导磁臂的宽度不同，且导磁臂后沿宽度比导磁臂前沿宽度大；所述位于交轴两侧的所述导磁臂包括旋转方向后沿一侧的导磁臂和旋转方向前沿一侧的导磁臂；所述导磁臂后沿宽度是旋转方向后沿一侧的导磁臂的宽度，所述导磁臂前沿宽度是旋转方向前沿一侧的导磁臂的宽度。
可选地，所述导磁通道还包括导磁底部，所述旋转方向前沿一侧的导磁臂和所述旋转方向后沿一侧的导磁臂通过所述导磁底部相连接，所述导磁底部的导磁通道由旋转方向后沿向旋转方向前沿逐渐变窄；所述导磁臂是转子中呈径向方向的导磁通道，所述导磁底部是转子中呈切向方向的导磁通道。
可选地，还包括转子的每个磁极上设有两个以上结构相同、大小不同的导磁通道。
可选地，还包括在相邻的所述导磁通道之间填充低导磁性物质。
可选地，还包括：所述导磁臂后沿宽度与所述导磁臂前沿宽度的比值的取值范围为大于等于1.05且小于等于1.15。
可选地，所述旋转方向后沿一侧的导磁臂的中心线和所述旋转方向前沿一侧的导磁臂的中心线关于交轴对称。
可选地，还包括在与转子每个磁极对应的交轴的旋转方向前沿一侧的区域设有镂空槽，在所述镂空槽中填充低导磁性物质，以使导磁臂前沿宽度变窄。
本发明的另一方面又提供了一种同步磁阻电机，具有上述任一项所述的结构，所述同步磁阻电机为单向旋转的同步磁阻电机。
本发明的又一方面又提供了一种电机的不对称转子结构的设置方法，包括：在转子的每个磁极上设置导磁通道，所述导磁通道包括导磁臂；所述导磁通道的位于交轴两侧的所述导磁臂的宽度不同，且导磁臂后沿宽度比导磁臂前沿宽度大；所述位于交轴两侧的所述导磁臂包括旋转方向后沿一侧的导磁臂和旋转方向前沿一侧的导磁臂；所述导磁臂后沿宽度是旋转方向后沿一侧的导磁臂的宽度，所述导磁臂前沿宽度是旋转方向前沿一侧的导磁臂的宽度。
可选地，所述导磁通道还包括导磁底部，所述旋转方向前沿一侧的导磁臂和所述旋转方向后沿一侧的导磁臂通过所述导磁底部相连接，所述导磁底部的导磁通道由旋转方向后沿向旋转方向前沿逐渐变窄；所述导磁臂是转子中呈径向方向的导磁通道，所述导磁底部是转子中呈切向方向的导磁通道。
可选地，还包括在转子的每个磁极上设置两个以上结构相同、大小不同的导磁通道。
可选地，还包括在相邻的所述导磁通道之间填充低导磁性物质。
可选地，还包括：所述导磁臂后沿宽度与所述导磁臂前沿宽度的比值的取值范围为大于等于1.05且小于等于1.15。
可选地，所述旋转方向后沿一侧的导磁臂的中心线和所述旋转方向前沿一侧的导磁臂的中心线关于交轴对称。
可选地，还包括在与转子每个磁极对应的交轴的旋转方向前沿一侧的区域设置镂空槽，在所述镂空槽中填充低导磁性物质，以使导磁臂前沿宽度变窄。
本发明的技术方案改善了导磁通道前后导磁臂磁密不均的情况，提升了电机在相同输入电流的情况下的转矩输出，提升了电机的效率。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，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是本发明提供的电机的不对称转子结构的冲片结构示意图；
图2是4极电机对称转子导磁臂前沿和导磁臂后沿磁密平均值随时间变化的图示；
图3是4极电机对称转子和不对称转子转矩输出曲线对比图示；
图4是本发明提供的电机的不对称转子结构的不同宽度比值对应凸极比的关系示意图；
图5是本发明提供的电机的不对称转子结构的旋转方向前沿一侧的区域设置镂空槽的冲片结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本发明一方面提供了一种电机的不对称转子结构。图1是本发明提供的电机的不对称转子结构的冲片结构示意图。图1中所示的图示标号如下：1为导磁通道；2为磁通屏障；3为轴孔；1-1为导磁臂前沿；1-2为导磁臂后沿；1-3为导磁底部；5为导磁臂前沿宽度(简称Wrf)；6为导磁臂后沿宽度(简称Wrb)；7为磁场最大值所在的位置；α为导磁通道极弧角度；β为前导磁臂同Q轴角度；图中的直轴为导磁方向，也称D轴；交轴为不易导磁方向，也称Q轴。
如图1所示，本发明电机的不对称转子结构包括：转子的每个磁极上设有导磁通道1，所述导磁通道1包括导磁臂；所述导磁通道的位于交轴两侧的所述导磁臂的宽度不同，且导磁臂后沿1-2宽度6比导磁臂前沿1-1宽度5大；所述位于交轴两侧的所述导磁臂包括旋转方向后沿一侧的导磁臂1-2和旋转方向前沿一侧的导磁臂1-1；所述导磁臂后沿宽度6是旋转方向后沿一侧的导磁臂的宽度，所述导磁臂前沿宽度5是旋转方向前沿一侧的导磁臂的宽度。
根据本发明电机的不对称转子结构的一种实施方式，所述导磁通道还包括导磁底部1-3，所述旋转方向前沿一侧的导磁臂1-1和所述旋转方向后沿一侧的导磁臂1-2通过所述导磁底部1-3相连接，所述导磁底部1-3的导磁通道由旋转方向后沿向旋转方向前沿逐渐变窄；所述导磁臂是转子中呈径向方向的导磁通道，所述导磁底部是转子中呈切向方向的导磁通道。导磁臂属于导磁通道的一部分，是呈径向方向的导磁通道，两个臂呈开口向外状，一端接近转子外圆，一端接近导磁底部。导磁底部也属于导磁通道的一部分，呈切向方向的导磁通道。导磁底部用于连接两个导磁臂呈切向布置，其两端分别连接不同宽度的导磁臂，因此其宽度呈渐变的，从靠近旋转前沿至后沿是逐渐增宽的。
根据本发明电机的不对称转子结构的一种实施方式，还包括转子的每个磁极上设有两个以上结构相同、大小不同的导磁通道1。
根据本发明电机的不对称转子结构的一种实施方式，还包括在相邻的所述导磁通道之间填充低导磁性物质。
参见图1，同步磁阻电机包含定子和转子，均由导磁的硅钢片轴向叠压而成。转子位于定子内部，通过轴孔3固定在转轴上，在定子内部自由的旋转。转子上具有多个镂空的空气槽，形成磁通屏障2。多个磁通屏障沿径向层叠布置，形成一个磁极。电机的磁极为偶数个，如2,4，6等。两个空气槽之间形成导磁通道1。导磁通道沿径向方向的定义为导磁臂，切向方向的定义为导磁底部。导磁通道是磁通所需要经过的通道，转子的每个极上有多个结构类似、大小不同的导磁通道沿径向层叠。每两个导磁通道之间填充低导磁性物质，构成磁通屏障(通常为镂空的空气槽)。除了相邻导磁通道之间的空气屏障之外，磁通屏障还可以通过填充其他低导磁性物质来实现，比如：铝、铜或塑料等。
同步磁阻电机在正常运行时，合成磁场需要超前D轴一个角度。由于D轴和Q轴的磁阻不等，使得磁力线扭曲，通过产生磁阻效应来输出转矩。当量的磁场，最理想的情况下为全部通过D轴，而Q轴通过的磁通分量为0，此时转矩输出最大，磁力线全部有效利用。而导磁材料的相对磁导率值通常是非线性的，且比值不大，因此漏磁的存在是不可避免的。但是可以通过D轴磁路上的空气等低导磁物质的占比增加来降低漏抗。图2是4极电机对称转子导磁臂前沿和导磁臂后沿磁密平均值随时间变化的图示。如图2所示，满足D轴导磁的基础前提下，该磁路由于超前D轴，磁阻不同，所导致的磁路关于D轴是不对称的，在导磁通道中，从平均磁密上看，导磁臂的前沿磁密小于导磁臂的后沿磁密。图2中虚线所示为导磁臂的前沿(简称前导磁臂)磁密；实线所示为导磁臂的后沿(简称后导磁臂)磁密。
由此，在原有对称设计(即现有技术的对称结构)基础上，保持后沿尺寸Wrb基本不变，适当减小前沿尺寸Wrf，并对两个导磁臂上的平均磁密进行求取，使得二者值相当。根据上述原理设计不对称导磁臂结构，以适应磁阻电机的特点。
根据本发明电机的不对称转子结构的一种实施方式，所述旋转方向后沿一侧的导磁臂的中心线和所述旋转方向前沿一侧的导磁臂的中心线关于交轴对称。更加准确地，通过极弧来定义每个导磁通道的张角，那么首先取导磁臂的中心线和转子外轮廓相交的点作为两个测量点。以圆心测量其张角。如图1所示，相对于现有技术的对称结构，仅改变前后导磁臂的宽度，其导磁臂相对于原有对称设计的张角是不变的。在图1中，α为导磁通道极弧角度，β前导磁臂同Q轴角度，即：α＝2β。
通过以上的结构设计，从D轴的角度上看，D轴磁通由于原饱和位置磁密基本不变，因此D轴方向磁通既基本不变；从Q轴方向上，由于导磁臂前沿变窄，故其磁通屏障变宽。等效为Q轴路径上的磁阻增加，因此漏磁减小。通过以上的不对称结构设计提升了同步磁阻电机的凸极比。
图3是4极电机对称转子和不对称转子转矩输出曲线对比图示。图3中虚线所示为现有技术的对称结构电机(简称对称方案)的转矩输出曲线；实线所示为本发明提供的不对称结构电机(简称不对称方案)的转矩输出曲线。由图3所示的对比曲线可以看出，本发明的技术方案通过转子结构的不对称设计明显提升了电机的转矩输出，使得电机在相同的电流输入下有更大的转矩输出，换言之，电机的效率更高。
根据本发明电机的不对称转子结构的一种实施方式，还包括：所述导磁臂后沿宽度与所述导磁臂前沿宽度的比值的取值范围为大于等于1.05且小于等于1.15。图4是本发明提供的电机的不对称转子结构的不同宽度比值对应凸极比的关系示意图，图4中的横坐标为宽度比值，也就是导磁臂后沿宽度与导磁臂前沿宽度的比值，即Wrb/Wrf的值。Wrf不可以取值过小，否则会形成磁路饱和，反而起到相反的效果，以磁路饱和均匀为准。如图4所示，随着Wrb/Wrf的由小变大，起初其对应的凸极比是在增加的，并在Wrb/Wrf取值为1.1附近取得较好的效果(凸极比最大值)；又随着该值继续增加，导磁臂前沿由于减薄过多，饱和严重，成为新的磁通瓶颈部位，严重的影响D轴磁通，使得Q轴电感的减小不足以弥补D轴电感的下降，呈现出凸极比下降的情况，且下降趋势的速度是在增加的。综合考虑各种情况，通常取值为1.05≤Wrb/Wrf≤1.15。
图5是本发明提供的电机的不对称转子结构的旋转方向前沿一侧的区域设置镂空槽的冲片结构示意图，图5中的标号4表示镂空槽。根据本发明电机的不对称转子结构的一种实施方式，还包括在与转子每个磁极对应的交轴的旋转方向前沿一侧的区域设有镂空槽4，在所述镂空槽4中填充低导磁性物质，以使导磁臂前沿宽度变窄。本发明提供的技术方案是基于两个导磁通道臂的不对称设计，其中，旋转方向前沿的窄、旋转方向后沿的宽，中间的导磁底部是过渡的。在另一种实施方式中，导磁臂前沿的窄也可以通过直接去两侧的材料获得，可以在导磁臂中镂空狭缝槽获得，可在所述镂空槽中填充低导磁性物质，低导磁性物质包括空气、铝、铜或塑料等，这种方式等效其导磁臂前沿变窄，起到均匀磁密、减小Q轴电感的效果，与前述的不对称结构的实施方式相比，其有益效果是相同的。
本发明的另一方面又提供了一种同步磁阻电机，具有上述任一项所述的结构，所述同步磁阻电机为单向旋转的同步磁阻电机。本发明提供的技术方案适用于单向旋转的同步磁阻电机。如果反向旋转，其不对称结构设计会起到相反的作用。
本发明的又一方面又提供了一种电机的不对称转子结构的设置方法，如图1所示，包括：在转子的每个磁极上设置导磁通道1，所述导磁通道包括导磁臂；所述导磁通道的位于交轴两侧的所述导磁臂的宽度不同，且导磁臂后沿1-2宽度6比导磁臂前沿1-1宽度5大；所述位于交轴两侧的所述导磁臂包括旋转方向后沿一侧的导磁臂1-2和旋转方向前沿一侧的导磁臂1-1；所述导磁臂后沿宽度6是旋转方向后沿一侧的导磁臂的宽度，所述导磁臂前沿宽度5是旋转方向前沿一侧的导磁臂的宽度。
根据本发明电机的不对称转子结构的的设置方法的一种实施方式，所述导磁通道还包括导磁底部1-3，所述旋转方向前沿一侧的导磁臂1-1和所述旋转方向后沿一侧的导磁臂1-2通过所述导磁底部1-3相连接，所述导磁底部1-3的导磁通道由旋转方向后沿向旋转方向前沿逐渐变窄；所述导磁臂是转子中呈径向方向的导磁通道，所述导磁底部是转子中呈切向方向的导磁通道。
根据本发明电机的不对称转子结构的的设置方法的一种实施方式，还包括在转子的每个磁极上设置两个以上结构相同、大小不同的导磁通道。
根据本发明电机的不对称转子结构的的设置方法的一种实施方式，还包括在相邻的所述导磁通道之间填充低导磁性物质。
参见图4，根据本发明电机的不对称转子结构的的设置方法的一种实施方式，还包括：所述导磁臂后沿宽度与所述导磁臂前沿宽度的比值的取值范围为大于等于1.05且小于等于1.15。
参见图1，根据本发明电机的不对称转子结构的的设置方法的一种实施方式，所述旋转方向后沿一侧的导磁臂的中心线和所述旋转方向前沿一侧的导磁臂的中心线关于交轴对称。
参见图5，根据本发明电机的不对称转子结构的的设置方法的一种实施方式，还包括在与转子每个磁极对应的交轴的旋转方向前沿一侧的区域设置镂空槽4，在所述镂空槽4中填充低导磁性物质，以使导磁臂前沿宽度变窄。
本发明的技术方案改善了导磁通道前后导磁臂磁密不均的情况，提升了电机在相同输入电流的情况下的转矩输出，提升了电机的效率。
以上所述仅为本发明的实施例而已，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权利要求范围之内。

Claims (12)

1.一种电机的不对称转子结构，其特征在于，包括：
转子的每个磁极上设有导磁通道，所述导磁通道为两个以上结构相同、大小不同的导磁通道；所述导磁通道包括导磁臂；
所述导磁通道的位于交轴两侧的所述导磁臂的宽度不同，且导磁臂后沿宽度比导磁臂前沿宽度大；
所述位于交轴两侧的所述导磁臂包括旋转方向后沿一侧的导磁臂和旋转方向前沿一侧的导磁臂；
所述导磁臂后沿宽度是旋转方向后沿一侧的导磁臂的宽度，所述导磁臂前沿宽度是旋转方向前沿一侧的导磁臂的宽度；
每两个导磁通道之间填充低导磁性物质，构成磁通屏障，所述低导磁性物质包括铝、铜或塑料。
2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述导磁通道还包括导磁底部，所述旋转方向前沿一侧的导磁臂和所述旋转方向后沿一侧的导磁臂通过所述导磁底部相连接，所述导磁底部的导磁通道由旋转方向后沿向旋转方向前沿逐渐变窄；所述导磁臂是转子中呈径向方向的导磁通道，所述导磁底部是转子中呈切向方向的导磁通道。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的结构，其特征在于，还包括：所述导磁臂后沿宽度与所述导磁臂前沿宽度的比值的取值范围为大于等于1.05且小于等于1.15。
4.根据权利要求1-2中任一项所述的结构，其特征在于，所述旋转方向后沿一侧的导磁臂的中心线和所述旋转方向前沿一侧的导磁臂的中心线关于交轴对称。
5.根据权利要求1-2中任一项所述的结构，其特征在于，还包括在与转子每个磁极对应的交轴的旋转方向前沿一侧的区域设有镂空槽，在所述镂空槽中填充低导磁性物质，以使导磁臂前沿宽度变窄。
6.一种同步磁阻电机，其特征在于，具有如权利要求1-5中任一项所述的结构，所述同步磁阻电机为单向旋转的同步磁阻电机。
7.一种电机的不对称转子结构的设置方法，其特征在于，包括：
在转子的每个磁极上设置导磁通道，所述导磁通道为两个以上结构相同、大小不同的导磁通道，所述导磁通道包括导磁臂；
所述导磁通道的位于交轴两侧的所述导磁臂的宽度不同，且导磁臂后沿宽度比导磁臂前沿宽度大；
所述位于交轴两侧的所述导磁臂包括旋转方向后沿一侧的导磁臂和旋转方向前沿一侧的导磁臂；
所述导磁臂后沿宽度是旋转方向后沿一侧的导磁臂的宽度，所述导磁臂前沿宽度是旋转方向前沿一侧的导磁臂的宽度。
8.根据权利要求7所述的结构的设置方法，其特征在于，所述导磁通道还包括导磁底部，所述旋转方向前沿一侧的导磁臂和所述旋转方向后沿一侧的导磁臂通过所述导磁底部相连接，所述导磁底部的导磁通道由旋转方向后沿向旋转方向前沿逐渐变窄；所述导磁臂是转子中呈径向方向的导磁通道，所述导磁底部是转子中呈切向方向的导磁通道。
9.根据权利要求7-8中任一项所述的结构的设置方法，其特征在于，还包括在相邻的所述导磁通道之间填充低导磁性物质。
10.根据权利要求7-8中任一项所述的结构的设置方法，其特征在于，还包括：所述导磁臂后沿宽度与所述导磁臂前沿宽度的比值的取值范围为大于等于1.05且小于等于1.15。
11.根据权利要求7-8中任一项所述的结构的设置方法，其特征在于，所述旋转方向后沿一侧的导磁臂的中心线和所述旋转方向前沿一侧的导磁臂的中心线关于交轴对称。
12.根据权利要求7-8中任一项所述的结构的设置方法，其特征在于，还包括在与转子每个磁极对应的交轴的旋转方向前沿一侧的区域设置镂空槽，在所述镂空槽中填充低导磁性物质，以使导磁臂前沿宽度变窄。
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