CN108418321A - 一种非对称转子型永磁电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非对称转子型永磁电机，包括定子和内部永磁呈非对称排布的转子，定子设在转子外部，定子与转子之间设有气隙，转子固定在转轴上；定子包括定子铁芯和三相电枢绕组；定子铁芯包括定子轭以及由定子轭向转子方向伸出的定子齿，相邻的定子齿间形成定子槽；转子上设有多个永磁单元结构，其包括空气磁障、内置于转子轭上的第一永磁体以及设置于空气磁障中的第二永磁体；永磁单元结构的中轴线为过转轴中心的转子径向轴线R1，该中轴线将永磁单元结构分为结构相异的左侧永磁单元结构和右侧永磁单元结构。本发明通过转子部分第二永磁体的不对称设置解决了传统内置式电机永磁转矩和磁阻转矩利用率不高的缺点，从而提高电机的转矩输出能力。

Description

一种非对称转子型永磁电机
技术领域
本发明涉及电机设备，特别是涉及一种非对称转子型永磁电机。
背景技术
随着生态环境的恶化和全球能源的衰竭，大力发展新能源汽车产业已成为一个关乎国民经济发展的关键举措。随着用户对于电动汽车的需求不断提高，内置式永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Machine，PMSM)因为其高功率密度、高效率以及更好的控制精度被广泛应用于电动汽车领域，包括丰田Prius，本田Insight等车型。
不过传统内置式永磁电机存在永磁漏磁较多，利用率不高，同时由于稀土永磁材料价格昂贵，这对于电动汽车的推广和发展是不利的。另一方面，由于传统内置式电机的转子通常采用对称的结构，永磁转矩和磁阻转矩的d轴相差大致45度电角度，导致两者的利用率下降，进一步降低了电机整体的功率密度。为了在降低永磁用量及成本的情况下实现电机的高功率密度，如何进一步提升磁阻转矩分量成为了电机领域的研究热点。
近几年，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。这种电机通过改变转子的结构使得永磁转矩和磁阻转矩接近在同一电流角下达到最大值，从而能够产生更大的输出转矩，并有效降低稀土永磁使用量；与此同时，由于磁阻转矩在总输出转矩中所占比例增大，电机的弱磁能力提高。然而磁阻偏移式永磁同步电机无论在运行机理探究还是在工程应用层次均尚未成熟，所以值得深入研究。
发明内容
发明目的：为解决现有技术的不足，提供一种非对称转子型永磁电机。
技术方案：本发明提供了一种非对称转子型永磁电机，该电机包括定子和内部永磁呈非对称排布的转子，定子设在转子外部，所述定子与转子之间设置有气隙，转子固定在转轴上；
所述定子包括定子铁芯和三相电枢绕组；定子铁芯包括定子轭以及由定子轭向转子方向伸出的定子齿，相邻的定子齿间形成了定子槽；
所述转子上设有多个永磁单元结构，所述永磁单元结构包括空气磁障、内置于转子轭上的第一永磁体以及设置于空气磁障中的第二永磁体；永磁单元结构的中轴线为过转轴中心的转子径向轴线R1，该中轴线将永磁单元结构分为结构相异的左侧永磁单元结构和右侧永磁单元结构。
其中，所述空气磁障包括第一空气磁障组和第二空气磁障组，所述第一空气磁障组中的两个第一空气磁障以及第二空气磁障组中的两个第二空气磁障均分别以永磁单元结构的中轴线为对称轴轴对称设置于左右两侧的永磁单元结构中。
所述第一永磁体内置于转子轭上，以永磁单元结构的中轴线为对称轴呈轴对称设置，位于第二空气磁障组中的两个第二空气磁障之间，且所述第一永磁体径向充磁。
所述第二永磁体设置于右侧永磁单元结构中的第一空气磁障中，第二永磁体充磁方向垂直于第一空气磁障的长边，该长边与转子径向轴线R1方向存在预定夹角。
所述第一空气磁障与第二空气磁障相邻的边平行设置，所述第二空气磁障与第一永磁体相邻的边平行设置，所述第二空气磁障的每条边之间用圆弧连接。
所述第一永磁体呈“一”字型。
所述第一永磁体和第二永磁体均采用NdFeB永磁体。
所述第一空气磁障和气隙之间设置第一导磁桥，第一空气磁障和转轴之间设置第二导磁桥。
有益效果：与现有技术相比，本发明在一定永磁体用量的前提下，实现了永磁转矩和磁阻转矩能够在相近的电流角下达到最大值，提高转矩分量利用率，从而提高电机转矩输出能力。同时，在需要一定输出转矩的前提下减少永磁体用量，提高了磁阻转矩的比例，增强了电机的弱磁扩速能力，有利于应用于电动汽车领域。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的电机单元结构示意图；
图3是本发明的磁场示意图；
图4是本发明的电机输出转矩分离图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。
本发明的一种非对称转子型永磁电机，该电机包括定子和内部永磁呈非对称排布的转子，定子设在转子外部，所述定子与转子之间设置有气隙，转子固定在转轴上；所述定子包括定子铁芯和三相电枢绕组；定子铁芯包括定子轭以及由定子轭向转子方向伸出的定子齿，相邻的定子齿间形成了定子槽；所述转子上设有多个永磁单元结构，所述永磁单元结构包括空气磁障、内置于转子轭上的第一永磁体以及设置于空气磁障中的第二永磁体；永磁单元结构的中轴线为过转轴中心的转子径向轴线R1，该中轴线将永磁单元结构分为结构相异的左侧永磁单元结构和右侧永磁单元结构。
如图1所示，本发明的一种非对称转子型永磁电机，包括定子1和内部永磁呈非对称排布的转子2，定子设在转子2外部，转子2固定在转轴上，定子与转子之间设置有气隙。该电机包括若干个单元结构，单元结构如图2所示。
如图2所示，定子包括定子铁芯11和三相电枢绕组12；定子铁芯11包括定子轭111以及由定子轭向转子2方向伸出的定子齿112，临近的定子齿之间形成了定子槽113。
转子2上设有多个永磁单元结构，该永磁单元结构包括空气磁障21、第一永磁体22、第二永磁体23和转子轭24，第一永磁体和第二永磁体均采用NdFeB永磁体。
转子径向轴线R1将永磁单元结构分为左右两个永磁单元结构，空气磁障设置于转子轭上，且以转子径向轴线R1为对称轴呈对称排布；空气磁障包括第一空气磁障组211和第二空气磁障组212，第一空气磁障组中的两个第一空气磁障对称设置于左右两个永磁单元结构中，第二空气磁障组中的两个第二空气磁障对称设置于左右两个永磁单元结构中。
第一空气磁障组211的上、下侧均设置导磁桥25，其中，第一空气磁障组211与定子和转子间的气隙之前存在第一导磁桥251，第一空气磁障组和转轴之间存在第二导磁桥252；同样，第一导磁桥和第二导磁桥以转子径向轴线R1为对称轴呈轴对称排布。
优选的，第二空气磁障组212中的两个第二空气磁障为“倒直角梯形”结构，底角和上底成圆角状(空气磁障朝向转轴的一端为上底)；第一空气磁障组中的两个第一空气磁障为四边形，其长边(与转子径向轴线R1方向呈一定夹角)与第二空气磁障的斜边平行设置，第一空气磁障的两个短边分别与转子轭的两个圆弧边平行。
第一永磁体内置于转子轭上，以转子径向轴线R1为对称轴呈轴对称设置，即在每极的中间位置，第一永磁体径向充磁。第一永磁体位于两个对称的第二空气磁障之间，且其沿转子径向轴线方向的边与第二空气磁障的直角边平行设置。
优选的，第一永磁体呈“一”字型。
第二永磁体设置于右侧永磁单元结构的第一空气磁障中，而左侧永磁单元结构中的第一空气磁障内没有放置永磁体，因而转子整体呈非对称结构，第二永磁体充磁方向垂直于第一空气磁障的长边。
运行原理如下：
对于永磁磁场部分，永磁磁通的磁路由永磁体到达转子轭部，气隙，定子齿部，定子轭部，定子齿部，气隙，再经过转子轭部回到永磁体，形成永磁磁通闭合通路，如图3中实线箭头所示，由于转子的旋转，此磁路会随转子旋转；同时定子通入三相电流能够形成与转子相等速度的旋转磁场，定转子磁场的相互作用推动转子恒定旋转。与此同时，对于磁阻部分，是由于转子交、直轴磁路的不同导致交直轴电感差异较大，从而产生磁阻转矩，磁阻部分的通路如图3中点实线箭头所示。
如图4所示永磁转矩和磁阻转矩两个转矩分量共同组成总的电磁转矩(总转矩)，结合图3来说明各个转矩分量位置的含义，图3的实线箭头表示永磁部分的d轴，永磁部分转矩最大出力位置也为永磁部分的d轴；点实线箭头表示磁阻部分的d轴，点实线的对称轴位置大致为磁阻部分的q轴，根据电机学的基本原理，磁阻部分转矩最大出力位置理论上位于d轴、q轴中间的位置，如图3的虚线所示，同永磁转矩的d轴位置接近，对应图4中的永磁转矩和磁阻转矩的最大值位置(电角度)接近。而传统的对称转子的电机结构，理论上永磁部分和磁阻部分最大出力位置相差45度电角度，永磁转矩和磁阻转矩的利用率没达到较高的水平，本发明的不对称转子结构使得磁阻转矩和永磁转矩在相近的电角度下达到最大值，从而进一步提供输出转矩密度。
本发明公开了一种非对称转子型永磁电机，包括定子和内部永磁呈非对称排布的转子，定子设在转子外部，转子固定在转轴上；定子包括定子铁芯和三相电枢绕组；定子铁芯包括定子轭以及由定子轭向转子方向伸出的定子齿，相邻的定子齿间形成了定子槽；转子包括空气磁障、第一永磁体、第二永磁体和转子轭。本发明通过转子部分第二永磁体的不对称设置使得永磁转矩和磁阻转矩达到峰值的电流角近乎相等，从而提高电机的转矩输出能力。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，这些均属于本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种非对称转子型永磁电机，其特征在于：该电机包括定子(1)和内部永磁呈非对称排布的转子(2)，定子设在转子外部，所述定子与转子之间设置有气隙，转子固定在转轴上；
所述定子包括定子铁芯(11)和三相电枢绕组(12)；定子铁芯包括定子轭(111)以及由定子轭向转子方向伸出的定子齿(112)，相邻的定子齿间形成了定子槽(113)；
所述转子上设有多个永磁单元结构，所述永磁单元结构包括空气磁障(21)、内置于转子轭(24)上的第一永磁体(22)以及设置于空气磁障中的第二永磁体(23)；永磁单元结构的中轴线为过转轴中心的转子径向轴线R1，该中轴线将永磁单元结构分为结构相异的左侧永磁单元结构和右侧永磁单元结构。
2.根据权利要求1所述的一种非对称转子型永磁电机，其特征在于：所述空气磁障包括第一空气磁障组(211)和第二空气磁障组(212)，所述第一空气磁障组(211)中的两个第一空气磁障以及第二空气磁障组(212)中的两个第二空气磁障均分别以永磁单元结构的中轴线R1为对称轴轴对称设置于左右两侧的永磁单元结构中。
3.根据权利要求书2所述的一种非对称转子型永磁电机，其特征在于：所述第一永磁体(22)内置于转子轭(24)上，以永磁单元结构的中轴线R1为对称轴呈轴对称设置，位于第二空气磁障组中(212)的两个第二空气磁障之间，且所述第一永磁体(22)径向充磁。
4.根据权利要求书2所述的一种非对称转子型永磁电机，其特征在于：所述第二永磁体(23)设置于右侧永磁单元结构中的第一空气磁障中，第二永磁体(23)充磁方向垂直于第一空气磁障的长边，该长边与转子径向轴线R1方向存在预定夹角。
5.根据权利要求书2所述的非对称转子型永磁电机，其特征在于：所述第一空气磁障与第二空气磁障相邻的边平行设置，所述第二空气磁障与第一永磁体(22)相邻的边平行设置，所述第二空气磁障的每条边之间用圆弧连接。
6.根据权利要求1所述的一种非对称转子型永磁电机，其特征在于：所述第一永磁体(22)呈“一”字型。
7.根据权利要求1所述的一种非对称转子型永磁电机，其特征在于：所述第一永磁体(22)和第二永磁体(23)均采用NdFeB永磁体。
8.根据权利要求书1所述的非对称转子型永磁电机，其特征在于：所述第一空气磁障和气隙之间设置第一导磁桥(251)，第一空气磁障和转轴之间设置第二导磁桥(252)。
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