CN110048530B - 一种永磁辅助同步磁阻电机的转子结构及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于永磁电机技术领域，涉及一种永磁辅助同步磁阻电机的转子结构及设计方法。所述的转子结构包括转轴、转子铁心和永磁体块，所述转子铁心设有中心孔，所述转轴穿过转子铁心的中心孔并与转子铁心固接；所述的转子铁心均匀分割成偶数个极，每个极内设有不少于两层U形磁障。每个极内的U形磁障构成的外圆的圆心O₁与转子铁心外圆圆心O₂相距为h，h＞0，每个极内的U形磁障形成的磁极中心线过圆心O₁和圆心O₂。由此构建不均匀气隙和非等宽磁桥转子结构。本发明提高了电机中气隙磁密的正弦度，优化了气隙磁密波形，解决了永磁辅助同步磁阻电机转矩脉动问题，转矩脉动明显减小，能够保证电机在电气传动系统中更加平稳、高效地运行。

Description

一种永磁辅助同步磁阻电机的转子结构及设计方法

技术领域

本发明属于永磁电机技术领域，涉及一种永磁辅助同步磁阻电机的转子结构及设计方法。

背景技术

目前，电气传动领域大多采用异步电机系统，相对于异步电机系统，永磁电机系统具有低损耗、高效率的特点，是下一代传动系统的发展趋势。由于普通的永磁同步电机反电动势高，高速运行时存在损坏逆变器的危险，因此永磁辅助同步磁阻电机受到青睐。

永磁辅助同步磁阻电机兼具永磁同步电机和同步磁阻电机的特点，除具有转矩密度高、可靠性高、体积小、重量轻等显著优点外，还能够充分利用电机的磁阻转矩，大大减少永磁体的用量，使电机的反电动势大大降低，提高了系统的可靠性，因此成为替代永磁电机和磁阻电机的最佳选择，被越来越多地应用于电动汽车等电气传动系统中。

但是转矩脉动大是永磁辅助同步磁阻电机的一个主要缺点，在应用于某些高性能传动系统时，难以满足系统平稳运行的要求，成为限制其应用和发展的一个技术难题。近年来，国内外对抑制永磁辅助同步磁阻电机的转矩脉动进行了大量的研究，但是其效果并不理想，因此需要发明一种有效抑制永磁辅助同步磁阻电机转矩脉动的方法。

发明内容

本发明的目的是提出一种永磁辅助同步磁阻电机的转子结构及设计方法，以解决现有永磁辅助同步磁阻电机在运行过程中转矩脉动较大的难题，提高电机控制精度，从而实现电机的平稳、高效运行，更好的应用于电气传动系统。

本发明的技术方案：

一种永磁辅助同步磁阻电机的转子结构，包括转轴、转子铁心和永磁体块，所述转子铁心设有中心孔，所述转轴穿过转子铁心的中心孔并与转子铁心固接；所述的转子铁心均匀分割成偶数个极，每个极内设有不少于两层U形磁障，每层U形磁障中心设有永磁体槽，永磁体槽内置永磁体块。每个极内的U形磁障构成的外圆的圆心O₁与转子铁心外圆圆心O₂相距为h，h＞0，每个极内的永磁体块形成的磁极中心线过圆心O₁和圆心O₂。

一种永磁辅助同步磁阻电机的转子结构的设计方法，步骤如下：

定转子间最小气隙与最大气隙的比值为气隙比，通过不同气隙比和非均匀磁桥宽度相配合可有效抑制电机的转矩脉动。

第一步：构建不等宽磁桥

转子结构的每个极内U形磁障对应的磁桥宽度不等，通过转子铁心外圆弧与U形磁障外圆弧设计成非同心圆结构，实现构建不等宽磁桥；各U形磁障对应的磁桥宽度随两圆弧偏心距离变化而变化，两圆弧间最小距离AB根据最小磁桥宽度及电机要求的机械强度选取，U形磁障层数不少于两层。

第二步：转子结构的每个极下的转子铁心外圆弧为以偏移转轴中心O₁距离h的点O₂为圆心的圆弧线，h＞0，偏心圆圆心O₂在磁极中心线上，则转子铁心外圆弧半径长度(O₂A)R₃：

R₃＝R₂-h-g_min

式中：R₂为定子内径；g_min为最小气隙长度；h为偏心距；

第三步：所述U形磁障的外圆弧为以转轴中心O₁为圆心的圆弧线，U形磁障外圆弧的半径长度O₁B：

O₁B＝R₂-g_max-AB

R₂为定子内径；g_max为最大气隙长度；AB为转子外侧圆弧与U形磁障外侧圆弧间最小距离。

本发明的有益效果：

1、电机采用不均匀气隙和不等宽磁桥结构，提高了电机中气隙磁密的正弦度，优化了气隙磁密波形。

2、有效地解决了永磁辅助同步磁阻电机转矩脉动问题，转矩脉动明显减小，能够保证电机在电气传动系统中更加平稳、高效地运行。

3、通过采用不均匀磁桥结构，有效提高了转子的机械强度，使电机运行速度范围更宽。

附图说明

图1为本发明的永磁电机转子结构图。

图2为本发明的永磁电机四分之一转子结构图。

图中：1电机定转子间气隙；2第一磁桥；3第二磁桥；4永磁体块；5第二磁障；6第一磁障；O₁为转轴中心；O₂为偏心圆圆心；R₁为采用均匀气隙结构时转子外径，R₂为电机定子内径；R₃为偏心圆半径；g_min、g_max分别为采用不均匀气隙结构时电机的最小气隙长度与最大气隙长度；O₁B为磁障外侧圆弧半径，AB为转子外圆弧与磁障外圆弧间最小距离。

具体实施方式

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

传统永磁电机为4极36槽永磁辅助同步磁阻电机，电机定子内径R₂＝162mm，转子外径R₁＝160.4mm，电机气隙长度为g＝1.6mm，磁桥宽度为bg0＝2mm。

当电机采用传统的均匀气隙加等宽磁桥结构时，定子绕组通以190A的电流，在内功率因数角＝60°的条件下，电磁转矩最大值为1436.43N·m，最小值为1217.02N·m，平均转矩为1339.12N·m，转矩脉动高达16.38％。

如图1和图2所示，本发明的永磁电机为4极36槽永磁辅助同步磁阻电机，其中每个极内设有第二磁障5和第一磁障6，第二磁障5和第一磁障6构成第二磁桥3和第一磁桥2；永磁体块4分别置于第二磁障5和第一磁障6的中心；电机定子内径R₂＝162mm，选取电机最小气隙长度g_min＝1.6mm，根据电机机械强度要求及电机相关参数确定转子外侧圆弧与磁障外侧圆弧间最小距离AB＝2mm。通过计算确定最优气隙比为1：1.63，由此确定电机其它参数如下：

最大气隙长度g_max＝g_min×1.63＝2.608mm

由几何关系计算出偏心距h＝3.394mm

偏心圆半径R₃＝162-1.6-3.394＝157.006mm

磁障外圆弧半径O₁B＝162-2.608-2＝157.392mm

同样在定子绕组通以190A的电流，且在内功率因数角＝60°的条件下，电磁转矩最大值为1314.09N·m，最小值为1203.68N·m，平均转矩为1267.31N·m，转矩脉动降到8.71％。

表1为采用传统转子结构和采用本发明转子结构时的电机性能对比，可见，采用本发明的转子结构时，转矩平均值有所下降，但转矩最小值基本不变，即转矩平均值下降是由于转矩脉动峰值被削弱导致的，转矩脉动实际值降低了108.99N·m，转矩脉动的百分比下降了7.67％，电机的转矩特性有明显的改善。

表1两种转子结构转矩主要性能对比

本发明的永磁辅助同步磁阻电机转子结构可有效地抑制电机的转矩脉动，对于提高电机的控制精度、更好的应用于电动汽车等电气传动系统具有重要的意义。

Claims (1)

1.一种永磁辅助同步磁阻电机的转子结构的设计方法，其特征在于，该转子结构包括转轴、转子铁心和永磁体块，所述转子铁心设有中心孔，所述转轴穿过转子铁心的中心孔并与转子铁心固接；所述的转子铁心均匀分割成偶数个极，每个极内设有不少于两层U形磁障，每层U形磁障中心设有永磁体槽，永磁体槽内置永磁体块；每个极内的U形磁障构成的外圆的圆心O₁与转子铁心外圆圆心O₂相距为h，h＞0，每个极内的永磁体块形成的磁极中心线过圆心O₁和圆心O₂；

所述的转子结构的设计方法，步骤如下：

第一步：构建不等宽磁桥

通过转子铁心外圆弧与U形磁障外圆弧设计成非同心圆结构，实现构建不等宽磁桥，各U形磁障对应的磁桥宽度随两圆弧偏心距离变化而变化，U形磁障层数不少于两层；

第二步：转子结构的每个极下的转子铁心外圆弧为以偏移转轴中心O₁距离h的点O₂为圆心的圆弧线，h＞0，偏心圆圆心O₂在磁极中心线上，则转子铁心外圆弧半径长度R₃：

R₃＝R₂-h-g_min

式中：R₂为定子内径；g_min为最小气隙长度；h为偏心距；

第三步：所述U形磁障的外圆弧为以转轴中心O₁为圆心的圆弧线，U形磁障外圆弧的半径长度O₁B：

O₁B＝R₂-g_max-AB

R₂为定子内径；g_max为最大气隙长度；AB为转子外侧圆弧与U形磁障外侧圆弧间最小距离。

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