CN110635591A - 同步磁阻电机 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种同步磁阻电机。该同步磁阻电机包括定子铁芯(1)和转子铁芯(2)，定子铁芯(1)包括定子齿(3)，转子铁芯(2)包括多个沿周向排布的磁障组，每个磁障组包括多个沿径向间隔排布的磁通屏障(4)，同一极下相邻的磁通屏障(4)之间形成导磁通道(5)，其中定子齿数N_s、每个极下磁通屏障层数B_s和转子极数2p具有如下关系：N_s/2p＝B_s+1。根据本申请的同步磁阻电机，能够有效降低转矩脉动，提高电机性能。

Description

同步磁阻电机

技术领域

本申请涉及电机技术领域，具体涉及一种同步磁阻电机。

背景技术

工业电机广泛应用于风机、水泵、通用机械等领域，行业耗电量高达8000多亿千瓦时，节能潜力巨大。当前仍主要以IE2异步电机为主，其效率低、体积大、工艺复杂；部分高能效场合采用永磁同步电机(IPM)可达到IE4或以上能效，但高性能的永磁体通常含有稀土成分，难以节省能源、降低成本。

随着电磁和控制技术的不断进步，无永磁体、工艺简单的同步磁阻电机成为同步电机去永磁体化研究的新宠儿。但同步磁阻电机由于无任何永磁体，且转子结构具有多层磁通屏障结构，转矩脉动的抑制手段以及设计难度都较大。

发明内容

因此，本申请要解决的技术问题在于提供一种同步磁阻电机，能够有效降低转矩脉动，提高电机性能。

为了解决上述问题，本申请提供一种同步磁阻电机，包括定子铁芯和转子铁芯，定子铁芯包括定子齿，转子铁芯包括多个沿周向排布的磁障组，每个磁障组包括多个沿径向间隔排布的磁通屏障，同一极下相邻的磁通屏障之间形成导磁通道，其中定子齿数N_s、每个极下磁通屏障层数B_s和转子极数2p具有如下关系：N_s/2p＝B_s+1。

优选地，同一极的磁通屏障包括沿转子铁芯的切向延伸的第一部分和位于第一部分两端的第二部分，第二部分相对于第一部分沿径向向外弯折。

优选地，在垂直于转子铁芯的中心轴线的截面内，各磁通屏障的第二部分的两个侧壁的延长线与转子铁芯的外圆周相交，形成靠近Q轴的A类点和远离Q轴的B类点。

优选地，同一极下位于转子铁芯的径向最外侧的磁通屏障，其两个A类点与转子铁芯的中心轴线之间的连线所形成的夹角为A₀，其中0.27<A₀/(π/p)<0.3。

优选地，同一极下，在Q轴的同一侧，沿着远离Q轴的方向，相邻的两个A类点与转子铁芯的中心轴线之间的连线所形成的夹角依次为A_1-2、A_2-3、……A_(N-1)-N，相邻的两个B类点与转子铁芯的中心轴线之间的连线所形成的夹角依次为B_1-2、B_2-3、……B_(N-1)-N，其中|A_(i-1)-i/B_(i-1)-i-1|＜0.03，i＝2、3……N。

优选地，同一极下，在Q轴的同一侧，沿着远离Q轴的方向，相邻的两个A类点与转子铁芯的中心轴线之间的连线所形成的夹角依次为A_1-2、A_2-3、……A_(N-1)-N，其中|A_(i-2)-(i-1)/A_(i-1)-i-1|＜0.18，i＝3、4……N。

优选地，同一极下转子铁芯的凸极差最大值位置位于该极下Q轴和D轴之间的角平分线上，其中凸极差为L_d-L_q，L_d为D轴电感，L_q为Q轴电感。

优选地，沿着径向向内的方向，磁通屏障的第一部分的径向厚度呈正弦分布。

优选地，同一极下导磁通道位于Q轴同一侧的A类点和B类点之间具有C类点，C类点位于各导磁通道端部的A类点和B类点之间的圆周段的中点上，沿着远离Q轴的方向，C类点与转子铁芯的中心轴线之间的连线和Q轴与D轴的角平分线之间依次形成夹角α₁α₂…α_N，沿着径向向内的方向，磁通屏障的第一部分的径向厚度依次为W₁、W₂…W_N，其中

i＝2、3…N，a为调整裕量。

优选地，第二部分包括与第一部分连通的第一弯折段和位于第二部分远离第一部分一端的第二弯折段，在垂直于转子铁芯的中心轴线的截面内，各磁通屏障的第二弯折段末端的两个端点与转子铁芯的外圆周相交，形成靠近Q轴的A类点和远离Q轴的B类点，其中各端点与转子铁芯的外圆周的相交点之间的距离为该端点与转子铁芯的外圆周之间的最小距离。

本申请提供的同步磁阻电机，包括定子铁芯和转子铁芯，定子铁芯包括定子齿，转子铁芯包括多个沿周向排布的磁障组，每个磁障组包括多个沿径向间隔排布的磁通屏障，同一极下相邻的磁通屏障之间形成导磁通道，其中定子齿数N_s、每个极下磁通屏障层数B_s和转子极数2p具有如下关系：N_s/2p＝B_s+1。定子齿数、磁通屏障层数和转子极数之间相互存在着关联，这种关联影响着电机的工作性能，通过最优的定子齿数和转子导磁通道层数的拓扑研究，将三者之间的关系限定在上述公式中，能够合理设定定子齿数、磁通屏障次数和转子极数，从而降低电机转矩脉动，将同步磁阻电机的转矩脉动抑制在较低水平，减小电机转动噪音，提高电机性能。

附图说明

图1为本申请实施例的同步磁阻电机的结构示意图；

图2为本申请实施例的同步磁阻电机的第一尺寸结构示意图；

图3为本申请实施例的同步磁阻电机的第二尺寸结构示意图；

图4为本申请第一实施例的同步磁阻电机的A类点和B类点分布结构图；

图5为本申请第二实施例的同步磁阻电机的A类点和B类点分布结构图；

图6为本申请实施例的同步磁阻电机与现有技术的同步磁阻电机的转矩曲线比较图。

附图标记表示为：

1、定子铁芯；2、转子铁芯；3、定子齿；4、磁通屏障；5、导磁通道；6、第一部分；7、第二部分；8、第一弯折段；9、第二弯折段。

具体实施方式

结合参见图1至图6所示，根据本申请的实施例，同步磁阻电机包括定子铁芯1和转子铁芯2，定子铁芯1包括定子齿3，转子铁芯2包括多个沿周向排布的磁障组，每个磁障组包括多个沿径向间隔排布的磁通屏障4，同一极下相邻的磁通屏障4之间形成导磁通道5，其中定子齿数N_s、每个极下磁通屏障层数B_s和转子极数2p具有如下关系：N_s/2p＝B_s+1。

定子齿数、磁通屏障层数和转子极数之间相互存在着关联，这种关联影响着电机的工作性能，本申请通过最优的定子齿数和转子导磁通道层数的拓扑研究，将三者之间的关系限定在上述公式中，能够合理设定定子齿数、磁通屏障次数和转子极数，使得定子齿数、磁通屏障次数和转子极数能够合理匹配，从而降低电机转矩脉动，将同步磁阻电机的转矩脉动抑制在较低水平，减小电机转动噪音，提高电机性能。通过采用上述方案，能够将同步磁阻电机的转矩波动整体维持在10％以下。

通过转子拓扑结构研究发现，基于该定子齿数、转子极数、磁通屏障层数匹配下的转矩脉动相比其他结构匹配下的电机均可以取得较小转矩脉动水平，如24槽4极5层磁障、36槽6极5层磁障、48槽6极7层磁障等。

在本实施例中，定子铁芯1包括转子容纳腔，转子铁芯2设置在转子容纳腔内，并且能够相对于定子铁芯1的中心轴线旋转，定子铁芯1的内圆周和转子铁芯2的外圆周之间存在气隙。定子铁芯1的内周侧具有多个沿周向均匀设置的定子齿3和定子槽。

转子铁芯2上不设置永磁体，由导磁材料圆盘上镂空多个空气槽形成磁通屏障4，相邻磁通屏障之间形成导磁通道5，多个磁通屏障4和导磁通道5沿径向交替排布，形成一个极，偶数个极沿圆周均匀分布。

同一极的磁通屏障4包括沿转子铁芯2的切向延伸的第一部分6和位于第一部分6两端的第二部分7，第二部分7相对于第一部分6沿径向向外弯折。通过设置弯折部，能够加大直轴电感与交轴电感的差值，从而加大凸极比，改善同步磁阻电机的工作性能。

优选地，在垂直于转子铁芯2的中心轴线的截面内，各磁通屏障4的第二部分7的两个侧壁的延长线与转子铁芯2的外圆周相交，形成靠近Q轴的A类点和远离Q轴的B类点。

转子铁芯2上的磁通屏障4沿着径向由外而内的方向依次定义为磁通屏障a₁、磁通屏障a₂…磁通屏障a_N。其中各个磁通屏障4具有沿切向水平的第一部分6以及沿径向弯折的第二部分7。沿径向弯折的第二部分7靠近转子圆周侧的部分为磁通屏障末端，该末端同气隙之间并不是相通的，具有沿切向分布的薄壁结构，形成切向肋，切向肋由第二部分7的两个侧壁的延长线与转子铁芯2的外圆周相交形成，通常该肋的厚度为0.3-1.0mm。每个肋的两端在转子铁芯2的外圆周形成2个记号点，其中每个极下靠近该极轴线Qaxis的统称为A类点，远离Qaxis轴的统称为B类点。

在本实施例中，上述的各个切向肋均具有1个A类点和1个B类点，其中同一极下位于Q轴同一侧的磁通屏障a₁和磁通屏障a₂的A类点和以转子铁芯2的圆心为原点所呈现的角度为A_1-2，磁通屏障a₂和磁通屏障a₃的A类点和以转子铁芯2的圆心为原点所呈现的角度为A_2-3，磁通屏障a₁和磁通屏障a₂的B类点和以转子铁芯2的圆心为原点所呈现的角度为B_1-2，磁通屏障a₂和磁通屏障a₃的B类点和以转子铁芯2的圆心为原点所呈现的角度为B_2-3…。

优选地，同一极下位于转子铁芯2的径向最外侧的磁通屏障4，其位于Q轴两侧的两个A类点与转子铁芯2的中心轴线之间的连线所形成的夹角为A₀，其中0.27<A₀/(π/p)<0.3，此时，电机转矩出力可以维持在较高的水平。

当A₀/(π/P)小于0.27时，其最外层导磁通道5的跨距过小，无法有效的利用磁拉力产生磁阻转矩。当A₀/(π/p)大于0.3时，最外层的导磁通道5跨距过大，不仅挤压其余层导磁通道5的结构空间，其跨距增加部分亦不产生有效的磁阻转矩。

同一极下，在Q轴的同一侧，沿着远离Q轴的方向，相邻的两个A类点与转子铁芯2的中心轴线之间的连线所形成的夹角依次为A_1-2、A_2-3、……A_(N-1)-N，相邻的两个B类点与转子铁芯2的中心轴线之间的连线所形成的夹角依次为B_1-2、B_2-3、……B_(N-1)-N，其中|A_(i-1)-i/B_(i-1)-i-1|＜0.03，i＝2、3……N。

任意相邻两磁通屏障4末端肋部的A类点和B类点所形成的角度是接近的，其角度相差在3％的范围内。如下：

|A_1-2/B_1-2-1|＜0.03

|A_2-3/B_2-3-1|＜0.03

…

|A_(N-1)-N/B_(N-1)-N-1|＜0.03

结合转子结构可以发现，通过上式的限制，其各层相邻导磁通道5末端的角度是基本相当的，并维持在一个较小的波动范围内。由于定子开槽是均布的，且各槽口的宽度是固定的，转子采用同定子槽口原理相同的设计，有利于避开某个转子开槽结构不一致导致的转矩脉动谐波产生。

同一极下，在Q轴的同一侧，沿着远离Q轴的方向，相邻的两个A类点与转子铁芯2的中心轴线之间的连线所形成的夹角依次为A_1-2、A_2-3、……A_(N-1)-N，其中|A_(i-2)-(i-1)/A_(i-1)-i-1|＜0.18，i＝3、4……N。

当转子逆时针旋转时，依次相邻的磁通屏障末端肋部的A类点角度存在一定的差值，且其比值差在0.1～0.18范围内取得转矩脉动最小值。

0.1＜|A_1-2/A_2-3-1|＜0.18

0.1＜|A_2-3/A_3-4-1|＜0.18

…

0.1＜|A_(N-2)-(N-1)/A_(N-1)-N-1|＜0.18

基于转子磁通屏障末端开口角度基本相当的设计，通过上式的限制，等效调整各导磁通道5末端的宽度，从而调整各个导磁通道5在产生磁阻转矩时具备相位差，使得转子各导磁通道实现交错出力，抑制转矩脉动。

通过上述设计，可以使得各层相邻导磁通道5末端的角度是基本相当的，且维持在一个较小的波动范围内。由于定子开槽是均布的，且各槽口的宽度是固定的，因此当转子槽口采用同定子槽口原理相同的设计，有利于避开某个转子开槽结构不一致导致的转矩脉动谐波的产生。

由于转子槽口的存在，使得连续的外圆变得有缺口。以齿轮作为类比，比如定子槽口形成一个齿轮，那么转子槽口同定子槽口形成的结构相匹配，才能更好的啮合，这样输出的转矩更加平稳。

通过上述的三个公式限定各个导磁通道5的末端角度，能够在确保转矩出力的情况下，使得转矩脉动可以抑制到4％～5％水平。

同一极下转子铁芯2的凸极差最大值位置位于该极下Q轴和D轴之间的角平分线上，其中凸极差为L_d-L_q，L_d为D轴电感，L_q为Q轴电感。

电机转矩出力公式：

其中T_e为电磁转矩；p为电机极对数；L_d为D轴电感；L_q为Q轴电感；θ为转矩控制角度

当θ取值为45°(电角度)时，其sin(2θ)变量可以获得最大值，因此在结构设计上，将凸极差L_d-L_q的位置设计在Qaxis和Daxis的角平分线上可以实现转矩最大化。通过设计导磁通道大致呈正弦分布的结构，和磁场分布相匹配，有利于缓解磁路饱和，提升输出转矩。因此，沿着径向向内的方向，上述的转子导磁通道5沿切向水平的第一部分6沿径向的厚度具有正弦分布的特点，通过该设计，可以降转子结构上的最佳转矩控制角控制在45°(电角度)。其中W₁为第一层导磁通道厚度，W₆为第六层导磁通道厚度。

通过上述设计，能够缓解磁路饱和，等效于增加L_d的电感值，这样凸极差就增加了，进而提高了电机性能。

同一极下导磁通道5位于Q轴同一侧的A类点和B类点之间具有C类点，C类点位于各导磁通道5端部的A类点和B类点之间的圆周段的中点上，沿着远离Q轴的方向，C类点与转子铁芯2的中心轴线之间的连线和Q轴与D轴的角平分线之间依次形成夹角α₁ α₂ … α_N，沿着径向向内的方向，磁通屏障4的第一部分6的径向厚度依次为W₁、W₂…W_N，其中

i＝2、3…N，a为调整裕量。

上述的a例如为5，a％为根据空间排布等问题对磁通屏障4的第一部分6的厚度比进行适当调整的裕量。

基于转子磁通屏障末端开口角度基本相当的设计，等效优化各导磁通道末端的宽度，从而调整各个导磁通道5在产生磁阻转矩时具备相位差，使得转矩实现峰-谷的互补作用，转子各导磁通道5实现交错出力，有效抑制转矩脉动。

图6中的粗线为本申请的同步磁阻电机的转矩曲线图，细线为现有技术中的同步磁阻电机的转矩曲线图，从图中可以看出，本申请的同步磁阻电机的转矩脉动相比于现有技术大幅度降低。

优选地，在本申请的另一个实施例中，第二部分7包括与第一部分6连通的第一弯折段8和位于第二部分7远离第一部分6一端的第二弯折段9，在垂直于转子铁芯2的中心轴线的截面内，各磁通屏障4的第二弯折段9末端的两个端点与转子铁芯2的外圆周相交，形成靠近Q轴的A类点和远离Q轴的B类点，其中各端点与转子铁芯2的外圆周的相交点之间的距离为该端点与转子铁芯2的外圆周之间的最小距离。

在本实施例中，虽然导磁通道5两臂结构上出现至少两次弯折，但是其分割各个导磁通道的点仍然是薄壁结构的末端，其肋部的有效部分为薄壁结构等厚段的部分，或从最薄处沿周向向两端拓展时，开始变后的部分的点，因此仍然可以适用于上述的A类点和B类点的划分，进而使得磁通屏障4的设计能够满足上述公式的限定，保证转子磁通屏障末端开口角度基本相当。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。

以上仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。以上仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种同步磁阻电机，其特征在于，包括定子铁芯(1)和转子铁芯(2)，所述定子铁芯(1)包括定子齿(3)，所述转子铁芯(2)包括多个沿周向排布的磁障组，每个所述磁障组包括多个沿径向间隔排布的磁通屏障(4)，同一极下相邻的所述磁通屏障(4)之间形成导磁通道(5)，其中定子齿数N_s、每个极下磁通屏障层数B_s和转子极数2p具有如下关系：N_s/2p＝B_s+1。

2.根据权利要求1所述的同步磁阻电机，其特征在于，同一极的所述磁通屏障(4)包括沿所述转子铁芯(2)的切向延伸的第一部分(6)和位于所述第一部分(6)两端的第二部分(7)，所述第二部分(7)相对于所述第一部分(6)沿径向向外弯折。

3.根据权利要求2所述的同步磁阻电机，其特征在于，在垂直于所述转子铁芯(2)的中心轴线的截面内，各所述磁通屏障(4)的第二部分(7)的两个侧壁的延长线与所述转子铁芯(2)的外圆周相交，形成靠近Q轴的A类点和远离Q轴的B类点。

4.根据权利要求3所述的同步磁阻电机，其特征在于，同一极下位于所述转子铁芯(2)的径向最外侧的所述磁通屏障(4)，其两个A类点与转子铁芯(2)的中心轴线之间的连线所形成的夹角为A₀，其中0.27<A₀/(π/p)<0.3。

5.根据权利要求3所述的同步磁阻电机，其特征在于，同一极下，在Q轴的同一侧，沿着远离Q轴的方向，相邻的两个A类点与转子铁芯(2)的中心轴线之间的连线所形成的夹角依次为A_1-2、A_2-3、……A_(N-1)-N，相邻的两个B类点与转子铁芯(2)的中心轴线之间的连线所形成的夹角依次为B_1-2、B_2-3、……B_(N-1)-N，其中|A_(i-1)-i/B_(i-1)-i-1|＜0.03，i＝2、3……N。

6.根据权利要求3所述的同步磁阻电机，其特征在于，同一极下，在Q轴的同一侧，沿着远离Q轴的方向，相邻的两个A类点与转子铁芯(2)的中心轴线之间的连线所形成的夹角依次为A_1-2、A_2-3、……A_(N-1)-N，其中|A_(i-2)-(i-1)/A_(i-1)-i-1|＜0.18，i＝3、4……N。

7.根据权利要求1所述的同步磁阻电机，其特征在于，同一极下所述转子铁芯(2)的凸极差最大值位置位于该极下Q轴和D轴之间的角平分线上，其中凸极差为L_d-L_q，L_d为D轴电感，L_q为Q轴电感。

8.根据权利要求2所述的同步磁阻电机，其特征在于，沿着径向向内的方向，所述磁通屏障(4)的第一部分(6)的径向厚度呈正弦分布。

9.根据权利要求3所述的同步磁阻电机，其特征在于，同一极下所述导磁通道(5)位于Q轴同一侧的A类点和B类点之间具有C类点，C类点位于各所述导磁通道(5)端部的A类点和B类点之间的圆周段的中点上，沿着远离Q轴的方向，C类点与转子铁芯(2)的中心轴线之间的连线和Q轴与D轴的角平分线之间依次形成夹角α₁α₂…α_N，沿着径向向内的方向，所述磁通屏障(4)的第一部分(6)的径向厚度依次为W₁、W₂…W_N，其中

i＝2、3…N，a为调整裕量。

10.根据权利要求2所述的同步磁阻电机，其特征在于，所述第二部分(7)包括与所述第一部分(6)连通的第一弯折段(8)和位于所述第二部分(7)远离所述第一部分(6)一端的第二弯折段(9)，在垂直于所述转子铁芯(2)的中心轴线的截面内，各所述磁通屏障(4)的第二弯折段(9)末端的两个端点与所述转子铁芯(2)的外圆周相交，形成靠近Q轴的A类点和远离Q轴的B类点，其中各端点与所述转子铁芯(2)的外圆周的相交点之间的距离为该端点与所述转子铁芯(2)的外圆周之间的最小距离。

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