CN110932425A

CN110932425A - 一种高功率密度磁阻电机的定转子结构

Info

Publication number: CN110932425A
Application number: CN201911307590.1A
Authority: CN
Inventors: 王明轩; 方卫中; 晋兆海
Original assignee: YITAIDA SCIENCE AND TECHNOLOGY Co Ltd HANGZHOU
Current assignee: YITAIDA SCIENCE AND TECHNOLOGY Co Ltd HANGZHOU
Priority date: 2019-12-18
Filing date: 2019-12-18
Publication date: 2020-03-27
Anticipated expiration: 2039-12-18
Also published as: CN110932425B

Abstract

本发明公开了一种高功率密度磁阻电机的定转子结构，包括定子和转子，定子槽数与转子磁桥个数满足式(1)：Nr＝Ns‑4k(1)其中Ns为每对极对应的定子槽数，Nr为每对极下对应的转子磁桥的个数，K取正整数，每层转子磁障对应的转子磁桥个数为2；转子磁障的层数为：Nr/2后取整；转子的最外层磁桥的张角α满足公式(2)：

其中p为极对数。本发明可以减小电机的漏磁通，提高电机的凸极比，提高电机的转矩输出能力，还可以减小电机的转矩波动。

Description

一种高功率密度磁阻电机的定转子结构

技术领域

本发明属于电机技术领域，具体涉及一种高功率密度磁阻电机的定转子结构。

背景技术

同步磁阻电机与异步电机相比，转子上没有绕组不存在转子铜耗，基本上不存在转子发热问题，提高了电机的运行效率和安全性。与永磁同步电机相比，转子上没有永磁体，在同功率的条件下大大降低了电机的成本，同时调速范围宽，不存在高温失磁的问题。综上所述，同步磁阻电机其替换异步电机及永磁电机的应用市场潜力巨大。

定子结构对磁路的影响主要包括定子齿部和定子轭部的尺寸，转子结构对磁路的影响比较复杂，主要包括空气磁障对总导磁面积的占比和空气磁障的尺寸及类型以及转子磁桥尺寸。

针对同步磁阻电机的设计，现有的技术对于同步磁阻电机转矩的输出能力提高已经取不了不错的成果和进步。但是大多往往是把更多的精力放在了转子结构的设计层面上，通过不断的调整转子的设计来优化磁路获取更高的交/直轴电感的差值和比值。目前还没有相关的技术文章把同步磁阻电机定/转子相关结构尺寸进行耦合设计分析。

同步磁阻电机的转矩输出能力取决于电机交/直轴电感的比值及差值的大小，而交/直轴电感又受限于定子和转子磁路的影响，合理的设计定子和转子的磁路结构能够提高同步磁阻电机转矩输出能力。另外，同步磁阻电机交/直轴交叉饱和也是影响电机转矩输出能力的重要因素。

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足，本发明在于提供了一种提高同步磁阻电机转矩输出能力的高功率密度磁阻电机的定转子结构。

本发明采用的技术方案是：

一种高功率密度磁阻电机的定转子结构，包括定子和转子，其特征在于：所述定子槽数与转子磁桥个数满足式(1)：

Nr＝Ns-4k (1)

其中Ns为每对极对应的定子槽数，Nr为每对极下对应的转子磁桥的个数，K取正整数，每层转子磁障对应的转子磁桥个数为2；转子磁障的层数为：Nr/2后取整；

转子的最外层磁桥的张角α满足公式(2)：

其中p为极对数。

进一步，所述定子的齿部和定子轭部的尺寸满足公式(3)：

L1＝(Nc-1)L2/2 (3)

其中L1为定子冲片径向轭部长，Nc为定子绕组跨距，L2为定子齿部长度。当满足式(3)时，可以使得电机的定子磁密分布会相对的更均匀，从而不会产生局部饱和的不利因素，从而使得同步磁阻电机产生高磁阻转矩。

进一步，所述转子磁障之间的间距满足式(4)：

其中L3为第一层转子磁障与第二层转子磁障之间的间距；L4为第二层转子磁障与第三层转子磁障之间的间距；Li为最外两层转子磁障之间的间距。公式(4)是定子和转子相关尺寸相互配合的桥梁，方程的两端只要能够接近即可。这样一方面可以保证整个电机磁路饱和的一致性，不会使得电机因局部饱和而输出能力的下降，另外一方面可以使得电机在宽的调速范围内保持较高的交直轴电感比例，从而产生较大的磁阻转矩。

进一步，所述转子磁桥的长度满足式(5)：

L9>L8>L11 (5)

其中L8为第一层转子磁桥的长度；L9为第二层转子磁桥的长度；L11为最外层转子磁桥的长度。转子磁桥的类型分为三个部分。转子外磁桥指的是面对电机气隙的磁桥，如第一层转子磁桥，转子内部磁桥指的是电机转子铁芯内部的磁桥，比如第二层转子磁桥、第三层转子磁桥，转子极间磁桥指的是最外侧空气磁障内部磁桥，如最外层转子磁桥。不同的磁桥类型对应的尺寸有区别，对电机性能的影响也不一样。第一层转子磁桥和最外层转子磁桥之间的为内部磁桥，比如第二层转子磁桥、第三层转子磁桥，其对转子漏磁的影响较小，反而对保证足够的转子机械强度的贡献较大，由此内部磁桥取相对较大的尺寸。转子空气隔磁两端的磁桥如第一层转子磁桥选用较小的尺寸一方面是考虑漏磁的影响，另一方满这里的过饱和可以增大电机的交直轴电感的比例。

进一步，每层转子磁障的内部磁桥到转子磁障中心线的角度β对应区间：

β∈(30°/P，45°/P)，P为极数。

进一步，每层转子磁障的内部磁桥是错开设置或同一直线设置。

进一步，每层转子磁障的内部磁桥是倾斜设置。

本发明的有益效果：

1、可以减小电机的漏磁通，提高电机的凸极比，提高电机的转矩输出能力，还可以减小电机的转矩波动。

2、可以使得电机的定子磁密分布会相对的更均匀，从而不会产生局部饱和的不利因素，从而使得同步磁阻电机产生高磁阻转矩。

3、可以保证整个电机磁路饱和的一致性，不会使得电机因局部饱和而输出能力的下降，另外一方面可以使得电机在宽的调速范围内保持较高的交直轴电感比例，从而产生较大的磁阻转矩。

附图说明

图1是本发明的部分结构示意图。

图2是本发明的转子磁障的4层结构示意图。

图3是本发明的转子磁障的5层结构示意图。

图4是本发明的转子张角的结构示意图。

图5是图1中部分结构放大示意图。

图6是本发明的转子磁障对应的β角度的结构示意图。

图7是本发明的磁密云图。

图8是本发明的对比分析图。

图9、图10是本发明的不同类型磁桥的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例来对本发明进行进一步说明，但并不将本发明局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本发明涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

参照图1-4，本实施例提供了一种高功率密度磁阻电机的定转子结构，包括定子和转子，定子槽数与转子磁桥个数满足式(1)：

Nr＝Ns-4k (1)

其中Ns为每对极对应的定子槽数，Nr为每对极下对应的转子磁桥的个数，K取正整数，每层转子磁障对应的转子磁桥个数为2；转子磁障的层数为：Nr/2后取整；比如当选用36槽4极的同步磁阻电机槽极配合的时，

Nr＝18-4＝14，k取1

即每对极对应的磁桥个数为14，每极下磁桥个数为7，由于每层转子磁障对应2个磁桥，所以取整后转子应选用4层的转子磁障结构，见图2所示。

当选用48槽4极的同步磁阻电机槽极配合时，转子应选用5层的转子磁障，见图3所示。

转子的最外层磁桥的张角α满足公式(2)：

其中p为极对数。

本实施例所述定子的齿部和定子轭部的尺寸满足公式(3)：

L1＝(Nc-1)L2/2 (3)

本实施例所述转子磁障之间的间距满足式(4)：

其中L3为第一层转子磁障与第二层转子磁障之间的间距；L4为第二层转子磁障与第三层转子磁障之间的间距；Li为最外两层转子磁障之间的间距。公式(4)是定子和转子相关尺寸相互配合的桥梁，方程的两端只要能够接近即可。这样一方面可以保证整个电机磁路饱和的一致性，不会使得电机因局部饱和而输出能力的下降，另外一方面可以使得电机在宽的调速范围内保持较高的交直轴电感比例，从而产生较大的磁阻转矩。以5层转子磁障为例，转子磁障之间的间距满足下式

其中L3为第一层转子磁障与第二层转子磁障之间的间距；L4为第二层转子磁障与第三层转子磁障之间的间距；L5为第三层转子磁障与第四层转子磁障之间的间距；L6为第四层转子磁障与第五层转子磁障之间的间距，见图1所示。

本实施例在保证足够的机械强度的前提下所述转子磁桥的长度满足式(5)：

L9>L8>L11 (5)

其中L8为第一层转子磁桥的长度；L9为第二层转子磁桥的长度；L11为最外层转子磁桥的长度，见图5所示。转子磁桥的类型分为三个部分。转子外磁桥指的是面对电机气隙的磁桥，如第一层转子磁桥8，转子内部磁桥指的是电机转子铁芯内部的磁桥，比如第二层转子磁桥9、第三层转子磁桥10，转子极间磁桥指的是最外侧空气磁障内部磁桥，如最外层转子磁桥11。不同的磁桥类型对应的尺寸有区别，对电机性能的影响也不一样。第一层转子磁桥8和最外层转子磁桥11之间的为内部磁桥，比如第二层转子磁桥9、第三层转子磁桥10，其对转子漏磁的影响较小，反而对保证足够的转子机械强度的贡献较大，由此内部磁桥取相对较大的尺寸。转子空气隔磁两端的磁桥如第一层转子磁桥8选用较小的尺寸一方面是考虑漏磁的影响，另一方满这里的过饱和可以增大电机的交直轴电感的比例。

本实施例在满足的指标的同时，其结构形式也要满足图6中β角度的设置。即不同的转子级数、不同的转子磁障的层数对应的β角度也不同，每层转子磁障的内部磁桥到转子磁障中心线的角度β对应区间：

β∈(30°/P，45°/P)，P为极数。

本发明借助于电机有限元分析软件Easimotor获得的电机的有限元磁场图，见图7。图中磁力线的数目可以看出整体磁力线分布比较均匀。另外，本发明与传统异步电机的定子结构制造的同步磁阻电机相比，同电流下转矩系数明显升高，优化前后的转矩65牛米上升到69牛米，见图8。

本发明由于同步磁阻电机转子的磁路相对复杂，在保证转子足够强度的，以及满足上述约束同时转子可以使用不同类型的磁桥的形式来满足同步电机较高的输出特性，如每层转子磁障的内部磁桥是倾斜设置，从而内部磁桥是错开设置，见图9；也可以是每层转子磁障的内部磁桥本身是错开间隔设置，见图10。

Claims

1.一种高功率密度磁阻电机的定转子结构，包括定子和转子，其特征在于：所述定子槽数与转子磁桥个数满足式(1)：

Nr＝Ns-4k (1)

转子的最外层磁桥的张角α满足公式(2)：

其中p为极对数。

2.根据权利要求1所述的一种高功率密度磁阻电机的定转子结构，其特征在于：所述定子的齿部和定子轭部的尺寸满足公式(3)：

L1＝(Nc-1)L2/2 (3)

其中L1为定子冲片径向轭部长，Nc为定子绕组跨距，L2为定子齿部长度。

3.根据权利要求2所述的一种高功率密度磁阻电机的定转子结构，其特征在于：所述转子磁障之间的间距满足式(4)：

其中L3为第一层转子磁障与第二层转子磁障之间的间距；L4为第二层转子磁障与第三层转子磁障之间的间距；Li为最外两层转子磁障之间的间距。

4.根据权利要求3所述的一种高功率密度磁阻电机的定转子结构，其特征在于：所述转子磁桥的长度满足式(5)：

L9>L8>L11 (5)

其中L8为第一层转子磁桥的长度；L9为第二层转子磁桥的长度；L11为最外层转子磁桥的长度。

5.根据权利要求4所述的一种高功率密度磁阻电机的定转子结构，其特征在于：每层转子磁障的内部磁桥到转子磁障中心线的角度β对应区间：

β∈(30°/P，45°/P)，P为极数。

6.根据权利要求1所述的一种高功率密度磁阻电机的定转子结构，其特征在于：每层转子磁障的内部磁桥是错开设置或同一直线设置。

7.根据权利要求6所述的一种高功率密度磁阻电机的定转子结构，其特征在于：每层转子磁障的内部磁桥是倾斜设置。