CN107681858A - 一种聚磁型磁阻偏移式电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种聚磁型磁阻偏移式电机，该电机包括定子(1)和聚磁式永磁辅助式磁阻转子(2)；与传统内置式永磁电机不同，本发明转子结构的特征在于切向充磁永磁体未完全填充于转子U形磁阻槽(2.2)内，仅偏置于空气槽的一侧，这种不对称结构使得永磁直轴中心线与磁阻部分直轴中心存在角度偏移(2)；定子(1)设在永磁辅助式磁阻转子(2)外部，包括电枢铁心齿(1.1)、定子轭(1.2)和设于电枢铁心齿上的电枢绕组(3)，永磁辅助式磁阻转子(2)包括切向充磁式钕铁硼永磁(2.1)、U形空气槽(2.2)和转子铁心背轭(2.3)。本发明可以解决传统内置式永磁电机永磁转矩和磁阻转矩非同相位的缺点，永磁利用率受限的弱点，并通过磁路偏移实现永磁转矩和磁阻转矩分量在相同电流角达到最大值，进一步提升了电机的转矩密度。

Description

一种聚磁型磁阻偏移式电机
所属领域
本发明涉及一种永磁电机技术，属于混合转子电机设计的技术领域。
背景技术
永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Machine，PMSM)由于采用较高磁能积的传统稀土永磁材料(如钕铁硼)具有高功率密度、高效率、运行可靠和强过载能力等优势，是电机学科的重要发展方向。得益于稀土永磁材料及电力电子技术的发展，PMSM在中小功率领域大量取代电励磁电机，进而在航空航天、国防、工农业生产以及日常生活的各个领域得到了大规模应用。
内置式PMSM将永磁置于磁阻转子内部，由于其凸极转矩的存在，可实现转矩密度的提升以及恒功率区运行范围的有效拓宽，因此被广泛应用于电动汽车场合，如雪佛兰BOLT、宝马i3、丰田prius等多款车型。众所周知，电动汽车必须使用不仅高效而且轻型的部件，最常规的办法是尽可能减少电动机的尺寸，增大电机的功率重量比。传统的内置式PMSM中永磁转矩和磁阻转矩获得最大值的电流角不同，这导致两者不能被充分利用，从而减小了电机的功率重量比。
近些年来，为了增强电机的功率重量比，美国威斯康辛大学麦迪逊分校的电机学者托马斯.李泊(T.A.Lipo)教授提出了一种磁阻偏移式电机的概念。这种拓扑结构利用在内置式PMSM转子内部设置不对称磁障，使得磁阻中心轴发生偏移，与永磁中心轴同相位，也就是说：永磁转矩和磁阻转矩分量在相同内功率因数角达到最大值，这使得电机的转矩密度得到了进一步提高。然而，这种加附加磁障的电机的转子结构存在着不足。由于永磁体处于转子内部的开槽内，加工装配工艺较为复杂，且机械强度不高，不适于高速运行；而且内置式永磁电机漏磁较多，永磁利用率有所降低，限制了其在电动汽车等应用场合的应用。
发明内容
技术问题：本发明所要解决的技术问题是提供一种聚磁型磁阻偏移式电机，解决电传统内置式永磁电机永磁转矩分量和磁阻转矩分量最优电流角存在偏差，利用率不高，转矩密度受限等问题。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种聚磁型磁阻偏移式电机，采用的技术方案是永磁辅助式磁阻转子中设有切向充磁永磁体，该电机包括定子和聚磁式永磁辅助式磁阻转子；所述的聚磁式永磁辅助式磁阻转子包括沿周向布置的切向充磁式钕铁硼永磁体、U形空气槽和转子铁心背轭，其中的切向充磁式钕铁硼永磁体位于U形磁阻槽内；
所述的定子设在聚磁式永磁辅助式磁阻转子外部，包括电枢铁心齿、定子轭、间槽和设于电枢铁心齿上的电枢绕组，电枢铁心齿设置在定子轭部与转子之间，相邻的电枢铁心齿之间形成内凹的间槽，间槽用于置放缠绕于电枢铁心齿上的电枢绕组。
所述的切向充磁式钕铁硼永磁体的块数为偶数，切向充磁式钕铁硼永磁体沿切向充磁，内嵌在转子铁心U形空气槽的一侧，相邻两块永磁的充磁方向相反。
所述的切向充磁式钕铁硼永磁体块数与U形磁阻空气槽个数数目一致，且两者直轴中轴线之间的夹角αs满足：
式(1)中，αrp表示转子极距角，Nr表示转子极数。
所述的U形磁阻空气槽位于转子内部，嵌在转子背轭与定子之间，按照设计要求为单层或者多层结构。
所述的切向充磁式钕铁硼永磁体位于U形磁阻槽，内但未完全填充于转子U形磁阻槽内，仅偏置于U形磁阻槽内的一侧，这种不对称结构使得永磁励磁直轴中心线与磁阻部分直轴中心存在角度偏移αs。
有益效果：
1、本电机通过永磁励磁和磁阻部分直轴中心线的错开进一步提升电机永磁转矩和磁阻转矩的利用率，从而进一步提高电机的转矩密度；
2、本电机解决了传统内置式永磁电机永磁体和磁阻设计难以权衡的问题，使得永磁转矩和磁阻转矩分量可以进行单独设计，提升了设计的空间自由度和永磁利用率；
3、本电机解决了传统内置式电机铁心饱和，损耗较大等问题，并在保证一定转矩输出情况下减少永磁用量，有利于电动汽车等领域的运行。
附图说明
图1为本发明的电机的截面图；
图2为本发明的电机转子部分永磁和磁阻直轴中心线示意图。
图中有：定子1、永磁转子2、电枢绕组3；
定子1包括：电枢铁心齿1.1、定子轭1.2、间槽1.3，
永磁转子2包括：切向充磁式钕铁硼永磁体2.1、U形空气槽2.2，转子铁心背轭2.3。
具体实施方式
本实施例的聚磁型磁阻偏移式电机，转子结构类似于传统内置式永磁电机，但不同点在于：切向充磁永磁体，其未完全填充于转子U形磁阻槽内，仅偏置于空气槽的一侧。需要保证转子上永磁的极对数和磁阻转子的极对数相等，定子绕组上通以三相交流电以驱动转子进行旋转。两段转子的直轴中轴线具有角度偏差，这使得内置式永磁电机永磁转矩与磁阻转矩分量的利用率不高等问题得到了有效解决，使得电机的转矩密度得到了进一步提升。
所述的聚磁型磁阻偏移式电机，其特征是，该电机包括定子1和聚磁式永磁辅助式磁阻转子2，切向充磁永磁体2.1偏置于空气槽的一侧，这种不对称结构使得永磁励磁直轴中心线与磁阻部分直轴中心存在角度偏移；所述的定子1设在永磁辅助式磁阻转子2外部，包括电枢铁心齿1.1、定子轭1.2和设于电枢铁心齿上的电枢绕组3，电枢铁心齿1.1设置在定子轭部1.2与转子2之间，相邻的电枢铁心齿1.1之间形成内凹的间槽1.3，间槽1.3用于置放缠绕于电枢铁心齿1.1上的电枢绕组3；永磁辅助式磁阻转子2包括切向充磁式钕铁硼永磁2.1、U形空气槽2.2和转子铁心背轭2.3；沿周向布置有钕铁硼永磁体2.1块数为偶数，钕铁硼永磁体2.1沿切向充磁，内嵌在转子铁心U形空气槽2.2的一侧，相邻两块永磁的充磁方向相反。
本发明公开的一种聚磁型磁阻偏移式电机的运行原理如下：
对于永磁励磁部分，永磁磁通首先从转子永磁的北极到定子电枢齿，再穿过定子背轭，到达转子永磁的南极，形成闭合的旋转磁场；与此同时，电机定子绕组里将通入和转子旋转速度相同的三相交流电，定转子形成的旋转磁场相互作用，从而实现机电能量转换。而对于磁阻部分，通过直轴与交轴磁阻的差异产生转矩驱动，实际运行中通过改变电流角，进行最优转矩寻优，进而获得使得电机稳态运行的最优电流角，同时，电机的输出转矩正比于电感，因而磁路饱和引起的磁阻增大对电机转矩密度影响严重。因此，本发明可在减少磁阻饱和的情况下使得电机的转矩密度得到了进一步提升。
所述的磁阻空气槽2.2可按设计要求设计为多层磁障式结构，即该转子2内沿圆周设有多组磁障式结构，每一组由内至外顺次设置有圆弧状空气槽。
本发明的分析同样适用于外转子聚磁型磁阻偏移式电机，以上所述仅是本发明的优选实施方式。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种聚磁型磁阻偏移式电机，其特征是，该电机包括定子(1)和聚磁式永磁辅助式磁阻转子(2)；所述的聚磁式永磁辅助式磁阻转子(2)包括沿周向布置的切向充磁式钕铁硼永磁体(2.1)、U形空气槽(2.2)和转子铁心背轭(2.3)，其中的切向充磁式钕铁硼永磁体(2.1)位于U形磁阻槽(2.2)内；
所述的定子(1)设在聚磁式永磁辅助式磁阻转子(2)外部，包括电枢铁心齿(1.1)、定子轭(1.2)、间槽(1.3)和设于电枢铁心齿(1.1)上的电枢绕组(3)，电枢铁心齿(1.1)设置在定子轭部(1.2)与转子(2)之间，相邻的电枢铁心齿(1.1)之间形成内凹的间槽(1.3)，间槽(1.3)用于置放缠绕于电枢铁心齿(1.1)上的电枢绕组(3)。
2.根据权利要求1所述的聚磁型磁阻偏移式电机，其特征是，所述的切向充磁式钕铁硼永磁体(2.1)的块数为偶数，切向充磁式钕铁硼永磁体(2.1)沿切向充磁，内嵌在转子铁心U形空气槽(2.2)的一侧，相邻两块永磁的充磁方向相反。
3.根据权利要求1所述的聚磁型磁阻偏移式电机，其特征是，所述的切向充磁式钕铁硼永磁体(2.1)块数与U形磁阻空气槽(2.2)个数数目一致，且两者直轴中轴线之间的夹角αs满足：
<mrow> <msub> <mi>&amp;alpha;</mi> <mi>s</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </mfrac> <msub> <mi>&amp;alpha;</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>p</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>&amp;pi;</mi> <msub> <mi>N</mi> <mi>r</mi> </msub> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
式(1)中，αrp表示转子极距角，Nr表示转子极数。
4.根据权利要求1所述的聚磁型磁阻偏移式电机，其特征是，所述的U形磁阻空气槽(2.2)位于转子内部，嵌在转子背轭(2.3)与定子(1)之间，按照设计要求为单层或者多层结构。
5.根据权利要求1所述的聚磁型磁阻偏移式电机，其特征是，所述的切向充磁式钕铁硼永磁体(2.1)位于U形磁阻槽(2.2)，内但未完全填充于转子U形磁阻槽(2.2)内，仅偏置于U形磁阻槽(2.2)内的一侧，这种不对称结构使得永磁励磁直轴中心线与磁阻部分直轴中心存在角度偏移αs。
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