CN110994828B - 一种提高同步磁阻电机运行特性的转子斜极结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高同步磁阻电机运行特性的转子斜极结构，包括转子，所述转子采用多层磁桥式结构，所述转子斜极结构的最优的转子斜极角度值接近定子斜‑槽的角度值且不等于定子斜‑槽的角度值。本发明的转子斜极的角度同时考虑定子相带谐波及转子磁桥饱和点导致的谐波，对两者同时都有削弱的作用，采用最优的斜极角度能够很大程度上降低同步磁阻电机的转矩波动。

Description

一种提高同步磁阻电机运行特性的转子斜极结构

技术领域

本发明属于电机技术领域，具体涉及一种提高同步磁阻电机运行特性的转子斜极结构。

背景技术

同步磁阻电机具有加工工艺简单、成本低、转子损耗小等优势，从而替代异步电机工业应用具有强大的潜力。同步磁阻电机的转矩全部来源于磁阻转矩，其转子结构的复杂性导致其转矩波动的优化较为困难。转矩波动又会影响电机的运行性能，会带来电机震动及噪音的潜在问题。目前虽有很多针对降低同步磁阻电机转矩波动的方法，都是针对电机运行的某单一工况针对的削弱某次谐波来达到降低转矩波动效果，但同步磁阻电机不同运行工况其电机的饱和特性不同，导致电机转矩波动的谐波的组成也会不同，没有能够在电机运行的全工况内解决电机转矩波动的问题。

转子分段错极是减小电机转矩波动最有效的措施之一。但转子错极从原理上是和定子斜槽基本一致，传统的斜极方式都是斜一个定子槽来削弱电机的齿谐波来达到削弱转矩波动的效果。对于同步磁阻电机来讲此斜极方式存在两种弊端，一是采用斜极方式必会带来转矩系数的降低，当采用较少的定子槽配合时对电机转矩输出的削弱较严重。二是同步磁阻电机的特殊性转矩波动的来源较复杂，此斜极方式仅是考虑了定子相带谐波的影响，忽略了转子结构的影响。

同步磁阻的转矩波动有两个来源：一是定子磁动势和转子磁动势的相互作用，另一个是定转子开槽引起的磁阻变化不均匀导致。所以在优化同步磁阻电机的转矩波动时，应把转子的特殊结构带来的转矩波动也要考虑进来。同步磁阻电机的转子磁障分布可以等效为转子开槽的模式，定义转子开槽磁障的末端为转子的开槽标识。每极下等效槽数为6进而可以等效成定子36槽/转子24虚拟槽的等效异步电机。同步磁阻电机由于其转子的特殊性，根据实际的经验及运行特性一般选用比较固定的槽极配合。当选用定子槽数为24槽转子一般3层，定子槽数为36槽，转子一般选用4层，定子槽数为48槽转子一般选用5层结构。而且，当选用上述的槽极配合时，电机会有比较好的转矩波动的特性。

转子分段等效斜极的方式能够降低电机的谐波从而降低转矩波动，但不同的转子分段数对转矩的输出和转矩波动的的影响比较大，较少的分段数虽对电机的转矩损失较少，但对谐波的削弱作用不明显。较多的分段数对电机的谐波削弱明显，但带来的加工成本和装配工艺性要求较高。因此采用分段斜极的策略时要综合考虑转矩输出和转矩波动的降低以及工艺成本。

发明内容

为降低同步磁阻电机的转矩波动及削弱斜极带来的转矩损失，本发明提供了一种提高同步磁阻电机运行特性的转子斜极结构，针对不同槽极配合的同步磁阻电机的转子通用的斜极方式以减小同步磁阻电机的转矩波动。

本发明采用的技术方案是：

一种提高同步磁阻电机运行特性的转子斜极结构，包括转子，所述转子采用多层磁桥式结构，其特征在于：所述转子斜极结构的最优的转子斜极角度值接近定子斜-槽的角度值且不等于定子斜-槽的角度值。

本发明的转子斜极的角度同时考虑定子相带谐波及转子磁桥饱和点导致的谐波，对两者同时都有削弱的作用，采用最优的斜极角度能够很大程度上降低同步磁阻电机的转矩波动。

进一步，所述定子斜-槽的角度θ为：

θ＝360°/Ns

其中Ns为定子槽数；

最优的转子斜极角度θ1为

θ1＝k(360/N)

其中N为定子槽数和转子虚拟槽数的最小公倍数，k取正整数使得θ1为接近θ的值且不等于θ。

进一步，最优的转子斜极角度保留2位有效数字。

本发明的有益效果：最优的转子斜极的角度同时考虑定子相带谐波及转子磁桥饱和点导致的谐波，这样才能更准确的降低电机的转矩波动。

附图说明

图1是本发明的部分结构示意图。

图2是本发明分段斜极的结构示意图。

图3是本发明连续斜极的结构示意图。

图4是本发明的不同的转子斜极角度产生转矩波动的对比示意图。

图5是本发明的36槽4极同步磁阻电机不同斜极角度转矩波动百分比示意图。

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，本实施例提供了一种提高同步磁阻电机运行特性的转子斜极结构，包括转子，所述转子采用多层磁桥式结构，所述转子斜极结构的最优的转子斜极角度值接近定子斜-槽的角度值且不等于定子斜-槽1的角度值。亦可以采用定子等效斜槽，其斜槽的角度和转子斜极的角度一致，但是定子斜槽及转子斜极不能同时使用。由于同步磁阻电机的转子一般都采用的是多层的磁桥式结构，电机运行时转子磁桥必存在相对饱和点，其特征类似开槽的效应，同时由于饱和产生的谐波对电机的转矩波动产生影响。传统的转子斜极方式，等效斜一个定子槽来削弱电机的定子磁动势齿谐波从而减小电机的转矩波动的方式已经不能满足同步磁阻电机的需求。因此，斜极的角度需要同时考虑定子相带谐波及转子磁桥饱和点导致的谐波，这样才能更准确的降低电机的转矩波动。

本实施例考虑定子槽数及转子虚拟槽的个数以及产生谐波的相互关系，根据常用的槽极配合提出了对削弱转矩波动的最佳的斜极角度。

所述定子斜-槽的角度θ为：

θ＝360°/Ns

其中Ns为定子槽数；

最优的转子斜极角度θ1为

θ1＝k(360/N)

其中N为定子槽数和转子虚拟槽数的最小公倍数，k取正整数使得θ1为接近θ的值且不等于θ。从电机的生产及制造工艺上讲，最优的转子斜极角度保留2位有效数字。

本实施例对于斜极的方式可以分段斜极和连续斜极等斜极方式，分段斜极即相邻两段转子冲片异向错开排列，第奇数段转子冲片和第偶数段转子冲片的磁极中心分别位于同一直线上，见图2；连续斜极即转子冲片同向错开相同的角度排列，第一段与最后一段的角度为上述的斜极角度θ1，见图3。

本发明与一般的斜极方式不同的地方是所述斜极的角度同时考虑定子相带谐波及转子磁桥饱和点导致的谐波，对两者同时都有削弱的作用。然而，导致同步磁阻电机的转矩波动大的主要原因就是定子槽极配合产生的定子相带谐波以及转子磁极结构上高饱和点的畸变。从而，利用上述的斜极角度能够很大程度上降低同步磁阻电机的转矩波动。

以36槽4极同步磁阻电机为例，假设定子采用36槽，转子4层磁障也就是转子一周32磁障，等效的来讲转子虚拟槽数32槽。根据上述的公式：定子斜一槽的角度θ＝10°，定子槽数和转子虚拟槽数的最小公倍数N＝288，转子斜极角度θ1＝1.25k，k取正整数且θ1为接近10°的值且不等于10°。那么考虑到电机的制造工艺斜极角度精度取2位有效数字及性能最佳，最优的转子斜极角度采用上述推导公式为7.5°。

利用Easimotor电磁有限元软件对同步磁阻电机的模型进行不同斜极角度参数化求解，来获取不同的斜极角度下电机的输出特性及转矩的波动。如表1给出了36槽4层磁障电机的不同斜极角度转矩波动的对比。从表中以及图4、图5中可以看出斜7.5度是电机转矩波动及输出能力的最佳值，其电机输出转矩及转矩波动值均优于传统的电机斜一个定子槽的设置。

表1

本发明适用于同步磁阻电机，同样也适用于磁阻转矩占比较大的铁氧体助磁的同步磁阻电机和铷铁硼助磁的同步磁阻电机。

Claims (2)

1.一种提高同步磁阻电机运行特性的转子斜极结构，包括转子，所述转子采用多层磁桥式结构，其特征在于：所述转子斜极结构的最优的转子斜极角度值接近定子斜槽的角度值且不等于定子斜槽的角度值；

所述定子斜槽的角度θ为：

θ＝360°/Ns

其中Ns为定子槽数；

最优的转子斜极角度θ1为

θ1＝k(360° /N)

其中N为定子槽数和转子虚拟槽数的最小公倍数，转子虚拟槽数为转子磁桥的个数，每极下转子虚拟槽的个数等于转子磁障层数的2倍，转子虚拟槽数等于极数乘以每极下转子虚拟槽的个数；k取正整数使得θ1为接近θ的值且不等于θ。

2.根据权利要求1所述的一种提高同步磁阻电机运行特性的转子斜极结构，其特征在于：最优的转子斜极角度保留2位有效数字。

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