CN109167502B - 一种永磁辅助笼障转子同步电机 - Google Patents

一种永磁辅助笼障转子同步电机 Download PDF

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Abstract

一种永磁辅助笼障转子同步电机，包括转轴，转轴外侧的永磁辅助笼障转子，永磁辅助笼障转子外侧的定子和机壳，其特征在于：定子上嵌放三相对称绕组；转轴与永磁辅助笼障转子之间通过钢套连接，永磁辅助笼障转子与钢套之间通过燕尾槽相连，钢套与转轴通过定位销固定在一起；转子采用沿轴向叠压而成的永磁辅助笼障转子，并在非导磁层处添加采用宽度和充磁方向呈正弦变化的分块异向充磁永磁体与靠近气隙宽、靠近转轴窄的不等宽短路笼条。该种新型永磁辅助笼障转子利用永磁体磁场引起磁障磁路饱和程度的变化，进而改善转子耦合能力，提升电机转矩密度，具有性能优异、结构新颖、工艺简单、成本低廉、机械强度高、运行可靠、便于产业化等方面的显著优势。

Description

一种永磁辅助笼障转子同步电机
技术领域
本发明涉及一种转子采用永磁辅助笼障结构的同步电机。属于电机领域问题。
背景技术
采用稀土材料的内嵌式转子永磁电机凭借高功率密度和转矩密度、高效率、较宽的恒功率运行范围，在诸多领域中获得了广泛应用。但是，稀土永磁体价格昂贵，资源有限，稀土永磁材料的持续供应困难是一个突出问题。学术界和工业界对采用少稀土、无稀土永磁和以铁氧体为代表的低成本永磁电机表现出极大兴趣。研究和开发少稀土/无稀土永磁电机具有重要的理论意义和应用价值。
同步磁阻电机在二十世纪九十年代后获得了快速发展，并凭借凸极比大、调速性能优异、效率高、可以不使用或仅使用少量廉价永磁体等优势，展现出巨大的应用前景，被认为是一种极具工业潜力的少稀土/无稀土电机。然而纯同步磁阻电机(转子没有任何励磁)，为了获得较大的电磁转矩，需要定子侧提供较大的励磁电流，导致电机的效率和功率因数较低。为解决此问题，研究人员提出了一种永磁辅助磁阻式同步电机，即将永磁体嵌入转子磁障以提供永磁磁通，提高电机的功率因数和转矩密度。此外，永磁体的引进有助于转子连接桥饱和，进而提高凸极效应(直轴电感与交轴电感数值之差)。为获得较大的凸极率，永磁辅助磁阻同步电机的转子通常设计为多层磁障结构。但是，这种电机仍存在转矩密度和功率因数偏低、大功率情况下磁场饱和严重、d-q轴电感耦合程度高等不足，限制了其工业化应用的推广。因此，有必要对该种电机的转子进行优化改良进而推进该类型电机的应用与推广。
发明内容
发明目的：本发明提供一种永磁辅助笼障转子同步电机，其目的在于提出了一种既便于加工制造，又可以增大转子凸极率，从而提高电机转矩密度并改善稳态与动态性能的新型永磁辅助笼障转子结构。
技术方案：本发明采用以下技术方案：
永磁辅助笼障转子同步电机，包括转轴，转轴外侧的永磁辅助笼障转子，永磁辅助笼障转子外侧的定子和机壳，其特征在于：定子上嵌放三相对称绕组；转轴与永磁辅助笼障转子之间通过钢套连接，永磁辅助笼障转子与钢套之间通过燕尾槽相连，钢套与转轴通过定位销固定在一起；转子采用沿轴向叠压而成的永磁辅助笼障转子，并在非导磁层处添加采用宽度和充磁方向呈正弦变化的分块异向充磁永磁体与靠近气隙宽、靠近转轴窄的不等宽短路笼条。
所述永磁辅助笼障转子共有Nr个凸极，每个凸极都是由用硅钢片材料沿轴向叠压而成的叠片构成。
所述叠片上设有导磁层，相邻两导磁层之间留有非导磁层，并且根据对磁场调制能力的影响选择合适的导磁层与非导磁层之间的宽度比，导磁层之间通过连接筋相连而形成一个整体。
所述永磁辅助磁阻转子的非导磁层采用U形。
所述各U形非导磁层的两侧嵌放不同端部长度的短路笼条。
所述短路笼条采用靠近气隙宽、靠近转轴窄的不等宽结构，放置在切向的梯形非导磁层中，短路笼条的端部以永磁辅助笼障转子轴线对称的两根导体连接，形成多组同心环形回路。
所述各U形非导磁层底部根据嵌放采用宽度和充磁方向呈正弦变化的分块异向充磁永磁体。
本发明的有益效果是：
该种电机的转子在轴向叠片磁障结构的基础上，在非导磁层处添加辅助永磁体和短路笼条，在进一步提高电机转矩密度的同时，可有效降低气隙磁场谐波和损耗，提高电机的稳态与动态运行性能；永磁辅助笼障转子硅钢片沿轴向叠压，可以减少转子铁芯中的涡流损耗，提高电机效率；采用U形磁障相当于增加了电机交轴上的气隙，使得交轴磁阻提高而直轴方向的基本不变，有利于提高电机磁阻转矩；非导磁层底部所添加宽度和充磁方向呈正弦变化的分块异向充磁排布的永磁体，不仅可以使得靠近气隙处的永磁磁场更为集中，使电机气隙磁通密度分布更加趋近于正弦分布，谐波含量少，磁密分布更加均匀，还可以进一步增强电机转子凸极效应，进而提升电磁转矩输出能力和永磁体利用率；而且永磁体磁场的偏移可以增加转子侧的d-q轴磁场的垂直度，降低磁场局部饱程度；将短路笼条添加在U形非导磁层两侧，不仅可更加规范磁通路径，使磁密分布均匀，而且可以提高电机的动态响应能力。该种新型永磁辅助笼障转子利用永磁体磁场引起磁障磁路饱和程度的变化，进而改善转子耦合能力，提升电机转矩密度，具有性能优异、结构新颖、工艺简单、成本低廉、机械强度高、运行可靠、便于产业化等方面的显著优势。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明。
图1为本发明电机的定子结构示意图；
图2为本发明电机的永磁辅助笼障转子结构示意图；
图3为本发明电机的辅助永磁体示意图；
图4为本发明电机的短路笼条示意图
图中：1.机壳、2.定子、3.定子绕组、4.永磁辅助笼障转子、5.导磁层、6.非导磁层、7.永磁体、8.短路笼条、9.燕尾槽、10.钢套、11.转轴、12.定位销、13.连接筋。
具体实施方式：下面结合附图对本发明加以具体描述：
永磁辅助笼障转子同步电机，包括转轴11，转轴外侧的永磁辅助笼障转子4，永磁辅助笼障转子外侧的定子2和机壳1，其特征在于：定子上嵌放三相对称定子绕组3；转轴11与永磁辅助笼障转子4之间通过钢套10连接，永磁辅助笼障转子4与钢套10之间通过燕尾槽相连，钢套10与转轴11通过定位销12固定在一起；永磁辅助笼障转子4采用沿轴向叠压而成的永磁辅助笼障转子，叠片上设有导磁层 5，导磁层采用梯形结构，相邻两个导磁层5之间留有非导磁层 6，永磁辅助磁阻转子的非导磁层6采用U形结构，在非导磁层6的U形结构的切向，即U形结构底部添加异向充磁的永磁体7。
异向充磁永磁体7采用宽度和充磁方向呈正弦变化的分块异向充磁永磁体7，在两侧的非导磁层6中嵌放短路笼条8。
所述永磁辅助笼障转子4采用由硅钢片材料沿轴向叠压而制成的叠片；根据对磁场调制能力的影响选择合适的导磁层5与非导磁层6之间的宽度比，导磁层之间通过连接筋13相连而形成一个整体。
各U形非导磁层6的两侧嵌放不同端部长度的短路笼条8。
所述短路笼条8采用不等宽结构(就是每层上的短路笼条8不等宽，即靠近气隙宽、靠近转轴窄的不等宽结构，放置在转子轴线两侧的梯形非导磁层中，短路笼条8的端部以永磁辅助笼障转子4轴线两侧对称的导体连接，形成多组同心环形回路。(如图4所示，例如，将嵌在同一非导磁层中的短路笼条9的上端之间连接且下端之间也连接之后，形成环形回路，内外相邻的非导磁层上的环形回路之间为同心的环形回路)
图1为本发明电机的定子结构示意图，定子2放置于机壳1内。定子2内表面均匀开槽，槽内嵌放三相对称定子绕组3，每个槽内嵌放多层绕组，每层绕组之间相互绝缘。定子绕组3均采用双层短距分布绕组，以便改善电机电动势与磁动势的波形，减小谐波含量，降低输出电压与电流的畸变率。
图2为本发明电机的永磁辅助笼障转子结构示意图，转子4位于图1所示的定子2内部。所述永磁辅助笼障转子叠片由硅钢片沿轴向方向叠压而成，这样可以减小永磁辅助笼障转子4中的涡流损耗，提高电机的效率。永磁辅助笼障转子叠片通过燕尾槽9与钢套10相连，而钢套10通过定位销12与转轴11固定在一起，从而使得永磁辅助笼障转子4与转轴11形成一体。图中以6极电机为例，永磁辅助笼障转子总共设有6个凸极，在凸极表面开有多个梯形槽，在每个梯形槽内嵌放多根导体形成短路笼条8，开设的梯形槽会使永磁辅助笼障转子4上形成若干个导磁层5，由于导磁层5的宽度对转子耦合能力影响不大，为了便与加工，每个导磁层5的宽度可以相等，并且各导磁层5与非导磁层6之间的宽度比可以相等，此时厚度均匀的导磁层5与非导磁层6便会在6个转子凸极上均匀间隔分布。为使各个间隔分布的导磁层5连接成一个整体，各导磁层5之间通过连接筋13相连，连接筋13应保证足够的机械强度。以磁障转子凸极中线为对称轴，在永磁辅助笼障转子4轴线两侧开设多组梯形隔磁层，隔磁层将分别与嵌放短路笼条8的梯形槽组合形成多组U形的非导磁层6，从而也形成了多组U形导磁层5。
图3为本发明电机的辅助永磁体示意图，嵌放在同一转子凸极U形非导磁层底部的永磁体7由于非导磁层厚度的限制，厚度确定但可以宽度不等，且以转子凸极中线为对称轴。永磁体7应与非导磁层6过盈配合，以防止电机旋转过程中，将永磁体甩出。将永磁体7嵌放在各U形非导磁层6底部，嵌放后形成的永磁辅助磁阻电机的转矩表达式如公式(1)所示，通过公式可知，添加的辅助永磁体7会增加电机的永磁转矩，从而提高电机的转矩密度。永磁体7采用宽度和充磁方向呈正弦变化的排布方式，即将永磁体分成宽度不等的永磁体块，各块永磁体充磁方向根据所产生正弦磁场需要的方向充磁，其目的是使得靠近气隙处的永磁磁场更为集中，提高电机的凸极率，进而提升电磁转矩输出能力和永磁利用率；同时，不同充磁方向、不同宽度的永磁体可以使电机气隙磁通密度分布更加接近正弦，另外，永磁体磁场的偏移也可以增加转子侧的d-q轴磁场的垂直度，降低磁场局部饱程度，而且靠近非导磁层边缘的永磁体7具有更强的抗去磁能力。
式中，p为电机极对数，ψf为永磁体产生的磁链，Ld与Lq分别为定子直、交轴电感，α为电流矢量is与d轴夹角。
图4为本发明电机的短路笼条示意图，嵌放在各U形非导磁层6两侧的短路笼条8通过端部连接成环形回路，环形回路组数应小于或等于非导磁层数，即非导磁层6中可以部分或全部嵌放短路笼条8。嵌放的短路笼条8可以增加转子的交轴磁阻，减小转子的直轴磁阻，从而更加规范电机转子中的磁通路径，提高电机转子凸极率，提升电机的磁阻转矩。同时，所添加的短路笼条8类似于永磁电机的阻尼笼，加入笼条后，电机带载能力提高、输出转矩增加、转矩脉动减小、动态特性得以改善，电机的运行性能得到显著提高。非导磁层6中靠近气隙的非导磁层宽度大于或者等于靠近转轴的非导磁层宽度，即使非导磁层形成梯形的槽型，其目的是为了使感应电流的集肤效应造成的短路笼条8中电流分布不均匀的影响减小；非导磁层6内的笼条层数可以为单层或者多层，各层之间、笼条与转子之间均相互绝缘，笼条通过端部连接在一起形成回路，其目的是降低笼条中感应电流的集肤效应的影响，减小电机的损耗，提高效率，同时可以改善电机气隙磁密分布，使气隙更加趋近于正弦，进一步提高永磁辅助笼障电机转子的耦合能力。
综上所述，发明提出的永磁辅助笼障转子能够显著增强转子的耦合能力，不仅可以提高电机的转矩密度，增强电机的稳态与动态特性，而且具有结构新颖，成本低廉，便于产业化等优点。

Claims (5)

1.一种永磁辅助笼障转子同步电机，包括转轴（11），转轴外侧的永磁辅助笼障转子（4），永磁辅助笼障转子外侧的定子（2）和机壳（1），其特征在于：定子上嵌放三相对称定子绕组（3）；转轴（11）与永磁辅助笼障转子（4）之间通过钢套（10）连接，永磁辅助笼障转子（4）与钢套（10）之间通过燕尾槽相连，钢套（10）与转轴（11）通过定位销（12）固定在一起；永磁辅助笼障转子（4）采用沿轴向叠压而成的永磁辅助笼障转子，叠片上设有导磁层（5），导磁层采用梯形结构，相邻两个导磁层（5）之间留有非导磁层（6），永磁辅助笼障转子的非导磁层（6）采用U形结构，在非导磁层（6）的U形结构的切向，U形结构底部添加异向充磁永磁体（7），在两侧的非导磁层（6）中嵌放短路笼条（8）；
转子采用凸极结构，相应地转子外表面有凹槽，导磁层（5）的形状是围绕凹槽在转子上形成，由相邻凸极上的两条边和两个相邻凸极连接部分上的底部，共同组成的呈U形的结构；
所述的两侧是在U形非导磁层（6）的两条侧边中嵌放短路笼条（8）。
2.根据权利要求1所述一种永磁辅助笼障转子同步电机，其特征在于：异向充磁永磁体（7）采用宽度和充磁方向呈正弦变化的分块异向充磁永磁体（7）。
3.根据权利要求1所述一种永磁辅助笼障转子同步电机，其特征在于：所述转子（4）采用由硅钢片材料沿轴向叠压而制成的叠片;根据对磁场调制能力的影响选择合适的导磁层（5）与非导磁层（6）之间的宽度比，导磁层之间通过连接筋（13）相连而形成一个整体。
4.根据权利要求1所述一种永磁辅助笼障转子同步电机，其特征在于：各U形非导磁层（6）的两侧嵌放不同端部长度的短路笼条（8）。
5.根据权利要求1所述一种永磁辅助笼障转子同步电机，其特征在于：所述短路笼条（8）采用不等宽结构，靠近气隙宽、靠近转轴窄的不等宽结构，放置在转子轴线两侧的梯形非导磁层中，短路笼条（8）的端部以永磁辅助笼障转子（4）轴线两侧对称的导体连接，形成多组同心环形回路。
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