CN109245470A - 一种采用永磁辅助笼障转子的双定子同步电机 - Google Patents

Abstract

一种采用永磁辅助笼障转子的双定子同步电机，包括机壳，外定子，转子，内定子和转轴，其特征在于：外定子和内定子均嵌放三相对称绕组；与内外定子相对应的转子通过燕尾槽与隔磁环相连形成背靠背式的整体结构；转子主体采用沿轴向叠压而成的磁障式磁阻转子，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。该种新型双定子永磁辅助笼障同步电机具有性能优异、结构新颖、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

一种采用永磁辅助笼障转子的双定子同步电机

技术领域

本发明涉及一种转子采用永磁辅助笼障结构的双定子同步电机。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也是一个突出问题。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定、转子结构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：本发明提供一种双定子永磁辅助笼障转子同步电机，其目的在于提出了一种不仅可以节省电机有效材料，还可以提高电机功率密度，增大转子凸极率，从而提高电机转矩密度和优良稳态与动态性能的新型同步磁阻电机结构。

技术方案：本发明采用以下技术方案：

双定子永磁辅助笼障转子同步电机，包括机壳，外定子，转子，内定子和转轴，其特征在于：外定子和内定子均嵌放三相对称绕组；与内外定子相对应的转子通过燕尾槽与隔磁环相连形成背靠背式的整体结构；转子主体采用沿轴向叠压而成的磁障式磁阻转子，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。

所述电机采用双定子结构，外定子和内定子与转子之间都有气隙。

所述永磁辅助笼障转子共有N_r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跨距的短路笼条。

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径向对称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：

该种电机采用双定子结构，充分利用了电机转子内部的有效空间，不仅可以节省电机的有效材料利用率，而且还可以提高电机的功率密度。同时，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。

该种新型双定子永磁辅助笼障同步电机具有性能优异、结构新颖、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为本发明电机的整体结构示意图；

图2为本发明电机的外定子结构示意图；

图3为本发明电子的内定子结构示意图；

图4为本发明电机的转子结构示意图；

图5为本发明电机的辅助永磁体示意图；

图6为本发明电机的短路笼条示意图；

图7为本发明电机的短路笼条的整体示意图；

图中：1.机壳、2.外定子、3.永磁辅助笼障转子、4.内定子、5.转轴、6.定子绕组、7.隔磁环、8.永磁体、9.短路笼条、10.导磁层、11.非导磁层、12.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：

双定子永磁辅助笼障转子同步电机，包括机壳(1)，外定子(2)，永磁辅助笼障转子(3)，内定子(4)和转轴(5)，其特征在于：外定子(2)内侧和内定子(4)外侧均嵌放三相对称定子绕组(6)；与外定子(2)对应的永磁辅助笼障转子为外永磁辅助笼障转子，与内定子(4)对应的永磁辅助笼障转子为内永磁辅助笼障转子，外永磁辅助笼障转子与内永磁辅助笼障转子均通过燕尾槽与隔磁环(7)相连形成背靠背式的整体结构；永磁辅助笼障转子(3)主体采用沿轴向叠压而成的磁障式磁阻转子，叠片上设有导磁层(10)，相邻两导磁层(10)之间留有非导磁层(11)，非导磁层(11)采用U形结构；在非导磁层的U形结构的切向设置有分块异向充磁永磁体(8)，在两侧的非导磁层(11)中嵌放短路笼条(9)。

非导磁层的U形结构的切向，即U形结构底部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(8)，见图5。

外定子(2)和内定子(4)与转子(3)之间均有气隙。

所述永磁辅助笼障转子(3)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(10)与非导磁层(11)之间的宽度比，导磁层(10)之间通过连接筋(12)相连而形成一个整体。

所述各U形非导磁层(11)的两侧嵌放不同端部长度的短路笼条(9)。

所述短路笼条(9)采用不等宽结构(就是每层上的短路笼条(7)不等宽)，即靠近气隙的宽、靠近转轴的窄的不等宽结构，短路笼条(9)放置在转子轴线两侧的梯形非导磁层中，短路笼条(9)的端部以永磁辅助笼障转子(3)轴线两侧对称的导体连接之后，形成多组同心环形回路。(如图6和7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)

下面结合附图进行说明：

图1为本发明电机的截面示意图，如图所示，本发明双定子永磁辅助笼障转子同步电机沿径向方向依次是机壳1，外定子2，外定子绕组，永磁辅助笼障转子3，内定子4，内定子绕组，转轴5。内、外定子与永磁辅助笼障转子之间均有气隙。

图2为本发明电机的外定子结构示意图，外定子2放置于机壳1内。外定子2内表面均匀开槽，槽内嵌放三相对称定子绕组6，每个槽内嵌放多层绕组，每层绕组之间相互绝缘。定子绕组6均采用短距分布绕组，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3为本发明电机的内定子结构示意图，内定子置于永磁辅助笼障转子3内侧，与转轴5相连。内定子4外表面均匀开槽，槽内嵌放三相对称定子绕组6，每个槽内嵌放多层绕组，每层绕组之间相互绝缘。定子绕组6均采用短距分布绕组，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4为本发明电机的永磁辅助笼障转子结构示意图，转子4位于外定子2与内定子4之间。与内、外定子相对应的转子通过燕尾槽与隔磁环7相连，从而形成一个整体。所述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3中的涡流损耗，提高电机的效率。

图中以12极电机为例，与内、外定子相对应的磁障转子各设有12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9，开设的梯形槽会使永磁辅助笼障转子3内、外两部分各形成若干个导磁层10，由于导磁层10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10的宽度可以相等，并且保证各导磁层10与梯形槽之间的宽度比相等，此时厚度均匀的导磁层10与梯形槽便会在12个转子凸极上均匀间隔分布。为使各个间隔分布的导磁层10连接成一个整体，转子内、外各两侧的导磁层10之间各自通过连接筋12相连，连接筋12应保证足够的机械强度。以内、外磁障转子各自的凸极中线为对称轴，沿轴向方向在转子3上开设多组梯形隔磁层，隔磁层将分别与嵌放短路笼条9的梯形槽组合形成多组U形的非导磁层11。

图5为本发明电机的辅助永磁体示意图，永磁体8嵌放在转子3内、外两侧同一转子凸极U形非导磁层底部，永磁体8宽度相等但长度不等，且以转子凸极中线为对称轴。永磁体8应与非导磁层11过盈配合，以防止电机旋转过程中，将永磁体甩出。将永磁体8嵌放在各U形非导磁层11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8会增加电机的永磁转矩，从而提高电机的转矩密度。永磁体8采用分块异向充磁的排布方式，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8具有更强的抗去磁能力。

式中，p为电机极对数，ψ_f为永磁体产生的磁链，L_d与L_q分别为定子直、交轴电感，α为电流矢量i_s与d轴夹角。

图6为本发明电机的短路笼条示意图，嵌放在各U形非导磁层11两侧的短路笼条9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11中可以部分或全部嵌放短路笼条9。嵌放的短路笼条9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9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11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，即使轴线两侧的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9中电流分布不均匀的影响减小；非导磁层11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，发明提出的双定子永磁辅助笼障转子结构够显著增强转子的耦合能力，不仅可以提高电机的功率密度与转矩密度，增强电机的稳态与动态特性，而且可以节省电机有效材料，具有结构新颖，成本低廉，便于产业化等优点。

Claims (6)

1.一种采用永磁辅助笼障转子的双定子同步电机，包括机壳(1)，外定子(2)，永磁辅助笼障转子(3)，内定子(4)和转轴(5)，其特征在于：外定子(2)内侧和内定子(4)外侧均嵌放三相对称定子绕组(6)；与外定子(2)对应的永磁辅助笼障转子为外永磁辅助笼障转子，与内定子(4)对应的永磁辅助笼障转子为内永磁辅助笼障转子，外永磁辅助笼障转子与内永磁辅助笼障转子均通过燕尾槽与隔磁环(7)相连形成背靠背式的整体结构；永磁辅助笼障转子(3)主体采用沿轴向叠压而成的磁障式磁阻转子，叠片上设有导磁层(10)，相邻两导磁层(10)之间留有非导磁层(11)，非导磁层(11)采用U形结构；在非导磁层的U形结构的切向设置有分块异向充磁永磁体(8)，在两侧的非导磁层(11)中嵌放短路笼条(9)。

2.根据权利要求1所述的一种采用永磁辅助笼障转子的双定子同步电机，其特征在于：非导磁层的U形结构的切向，即U形结构底部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(8)。

3.根据权利要求1所述的一种采用永磁辅助笼障转子的双定子同步电机，其特征在于：外定子(2)和内定子(4)与转子(3)之间均有气隙。

4.根据权利要求1所述的一种采用永磁辅助笼障转子的双定子同步电机，其特征在于：所述永磁辅助笼障转子(3)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(10)与非导磁层(11)之间的宽度比，导磁层(10)之间通过连接筋(12)相连而形成一个整体。

5.根据权利要求1所述的一种采用永磁辅助笼障转子的双定子同步电机，其特征在于：所述各U形非导磁层(11)的两侧嵌放不同端部长度的短路笼条(9)。

6.根据权利要求1所述的一种采用永磁辅助笼障转子的双定子同步电机，其特征在于：所述短路笼条(9)采用不等宽结构，即靠近气隙的部分宽、靠近转轴的部分窄的不等宽结构，短路笼条(9)放置在非导磁层中，短路笼条(9)的端部以永磁辅助笼障转子(3)轴线两侧对称的导体连接，形成多组同心环形回路。