CN111049296B - 电机转子和磁阻电机 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种电机转子和磁阻电机。该电机转子包括转子铁芯(1)，转子铁芯(1)包括沿周向设置的多个磁障组，每个磁障组包括至少两个沿径向间隔设置的磁通屏障(2)，相邻的磁通屏障(2)之间形成导磁通道(3)，转子铁芯(1)的外周壁上表贴有径向充磁的永磁体(4)，同一极下，永磁体(4)的d轴与磁阻q轴重合。根据本申请的电机转子，能够在电机双向旋转过程中均有效提高电机的输出转矩，提升电机工作性能，加大电机的使用范围。
Description
技术领域
本申请涉及电机设备技术领域，具体涉及一种电机转子和磁阻电机。
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。
同步磁阻电机可靠性高，因其转子上不带永磁体，不存在失磁风险，但是功率因数低是同步磁阻电机的一个主要缺点，对电机控制器的逆变器容量及控制性能要求较高。
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，大大减少稀土永磁体的用量，甚至可以用铁氧体完全替代稀土永磁体，使电机的空载反电动势大幅降低，提高了系统的可靠性，因此成为替代永磁电机和同步磁阻电机的最佳选择。
现有技术中提出了一种表贴式永磁辅助磁阻电机转子结构，该方案通过在转子外圆的扇形凹槽上放置永磁体，增加永磁转矩，提升转矩密度。然而对于该方案而言，由于永磁体偏置放置，因此导致永磁体提升的转矩密度形成偏置，当电机单向转动时，能够有效提升电机转矩输出，当电机为双向旋转时，在其中一个方向上，电机输出转矩的提升会大幅度下降，导致电机性能大幅下降，严重限制了电机的使用范围。
发明内容
因此，本申请要解决的技术问题在于提供一种电机转子和磁阻电机，能够在电机双向旋转过程中均有效提高电机的输出转矩，提升电机工作性能，加大电机的使用范围。
为了解决上述问题，本申请提供一种电机转子，包括转子铁芯，转子铁芯包括沿周向设置的多个磁障组，每个磁障组包括至少两个沿径向间隔设置的磁通屏障，相邻的磁通屏障之间形成导磁通道，转子铁芯的外周壁上表贴有径向充磁的永磁体，同一极下，永磁体的d轴与磁阻q轴重合。
优选地，永磁体的d轴处为电机转子的最小气隙处。
优选地，转子铁芯的外周壁在磁阻d轴处形成向外周侧凸出的径向凸起。
优选地，径向凸起的磁阻d轴处为电机转子的最小气隙处。
优选地，转子铁芯的外周壁上设置有沿轴向延伸的凹槽，永磁体嵌设在凹槽内，凹槽的周向宽度与永磁体的周向宽度一致；或，凹槽的周向宽度比永磁体的周向宽度大0.08mm～0.12mm。
优选地，凹槽的底面为平面，永磁体的底面为平面，永磁体的底面与凹槽的底面相贴合。
优选地，永磁体和/或径向凸起的截面为劣弧形。
优选地，永磁体在转子铁芯上所占圆弧的圆心角为α，
其中p为电机转子极对数。
优选地，凹槽的底面与转子铁芯的中心轴线之间的最小距离为Lm，转子铁芯的最小外圆直径为Dmin，其中0.45×Dmin≤Lm≤0.48×Dmin。
优选地，在永磁体的d轴上，位于径向最外侧的磁通屏障的径向外侧边与转子铁芯的中心轴线之间的距离为Bmax，转子铁芯的最小外圆直径为Dmin，其中0.4×Dmin≤Bmax≤0.43×Dmin。
优选地，转子铁芯的最小外圆直径为Dmin，转子铁芯的最大外圆直径为Dmax，沿着径向由外而内的方向，磁通屏障的径向厚度依次为W1，W2，…Wn，其中0.11×Dmin≤W1+W2+W3+...Wn≤0.13×Dmax。
根据本申请的另一方面，提供了一种磁阻电机，包括电机转子和电机定子，该电机转子为上述的电机转子。
本申请提供的电机转子，包括转子铁芯，转子铁芯包括沿周向设置的多个磁障组，每个磁障组包括至少两个沿径向间隔设置的磁通屏障，相邻的磁通屏障之间形成导磁通道，转子铁芯的外周壁上表贴有径向充磁的永磁体，同一极下，永磁体的d轴与磁阻q轴重合。本申请中将设置在转子铁芯外周壁上的永磁体的位置进行优化，使得永磁体的d轴与磁阻q轴重合，从而使得永磁体能够位于磁极的中心线上，使得磁阻q轴能够对永磁体形成平分，这样一来，就能够使得磁阻q轴两侧所受到的永磁体的影响更加均衡，能够同时增加磁阻q轴两侧的永磁转矩，并使得磁阻q轴两侧的永磁转矩的分配均衡，不会发生偏置现象，在电机转动过程中，不管是正向旋转或者是反向旋转，永磁体所提供的永磁转矩均能够起到有效的转矩增加作用，转动能力更加均衡，能够在电机双向旋转过程中均有效提高电机的输出转矩，提升电机工作性能，加大电机的使用范围。
附图说明
图1为本申请实施例的电机转子的结构示意图；
图2为本申请实施例的电机转子的第一尺寸结构图；
图3为本申请实施例的电机转子的第二尺寸结构图；
图4为本申请实施例的电机转子的永磁d轴和磁阻d轴的结构示意图；
图5为本申请实施例的电机转子与现有技术的转矩脉动对比图。
附图标记表示为：
1、转子铁芯；2、磁通屏障；3、导磁通道；4、永磁体；5、径向凸起；6、凹槽。
具体实施方式
结合参见图1至图5所示，根据本申请的实施例，电机转子包括转子铁芯1，转子铁芯1包括沿周向设置的多个磁障组，每个磁障组包括至少两个沿径向间隔设置的磁通屏障2，相邻的磁通屏障2之间形成导磁通道3，转子铁芯1的外周壁上表贴有径向充磁的永磁体4，同一极下，永磁体4的d轴与磁阻q轴重合。
本申请中将设置在转子铁芯1外周壁上的永磁体4的位置进行优化，使得永磁体4的d轴与磁阻q轴重合，从而使得永磁体4能够位于磁极的中心线上，使得磁阻q轴能够对永磁体4形成平分，这样一来，就能够使得磁阻q轴两侧所受到的永磁体4的影响更加均衡，能够同时增加磁阻q轴两侧的永磁转矩，并使得磁阻q轴两侧的永磁转矩的分配均衡，不会发生偏置现象，在电机转动过程中，不管是正向旋转或者是反向旋转，永磁体4所提供的永磁转矩均能够起到有效的转矩增加作用，转动能力更加均衡，能够在电机双向旋转过程中均有效提高电机的输出转矩，提升电机工作性能，加大电机的使用范围。
普通同步磁阻电机的运行原理是，在给定子绕组接入三相电源时，定子上会产生一个旋转磁场，通过气隙进入转子，同时分配一部分无功功率给转子励磁，磁力线沿着转子上的导磁通道回到定子铁芯，形成闭合回路，改变电流角可以使该磁力线路径发生变化，而磁力线总是沿着磁阻最小路径闭合，依据这一原理就会产生磁阻转矩，对外做功。
本申请的表贴式永磁辅助磁阻电机是在上面的基础上加入了永磁转矩，通过调整电流角，可以在充分利用磁阻转矩的同时，增加永磁转矩，使电机的整体转矩密度得到提升，功率因数较普通同步磁阻电机得到提高。由于本申请的永磁体d轴与磁阻q轴重合，因此能够在磁阻q轴两侧均分磁力线，使得永磁体对电机转矩输出的提高不受电机转动方向的影响，适应性更好，保证了永磁体对电机性能的有效提升。
优选地，永磁体4的d轴处为电机转子的最小气隙处。永磁体4凸出于转子铁芯1的最小外圆，且沿转子铁芯1的外周均匀设置，从而能够在转子铁芯1的外周形成非均匀气隙的设计，将永磁d轴处设计成最小气隙位置，可以有效抑制电机的转矩脉动，降低电机运转时的噪音。
优选地，转子铁芯1的最小外圆在磁阻d轴处形成向外周侧凸出的径向凸起5，能够利用径向凸起5使得电机转子形成一定的凸极性，可以充分利用磁阻转矩，进一步提升点击的转矩密度，提高电机的工作性能。
此外，通过增加径向凸起5，可以使得磁通屏障2的末端与转子铁芯1的外圆周之间形成非均匀厚度的隔磁桥。磁通屏障2的末端与转子铁芯1的外圆周之间的隔磁桥厚度是非均匀设计的，目的是在保证转子结构强度的同时，减少漏磁以及抑制电机的转矩脉动，降低电机的运行噪音。
电机最小气隙处设计在磁阻d轴处与永磁d轴处，可以减少落在电机气隙的磁压降，根据安培环路定律以及磁路的欧姆定律得：
F＝Hl＝Ni
F是磁动势，H是磁场强度，l是气隙长度，N为绕组匝数，i为电机电流，当电机的电磁方案(绕组匝数、铁芯叠高)确定时，F为定值，气隙越小，磁场强度越大，气隙磁密越高，电机输出能力越强。
优选地，径向凸起5的磁阻d轴处为电机转子的最小气隙处。将磁阻d轴处设计成最小气隙处，可以减少电机定子磁场落在气隙的磁压降，可以更加有效的利用磁阻转矩。
在本实施例中，永磁体4凸出于转子铁芯1的径向高度与径向凸起5凸出于转子铁芯1的径向高度相同。
转子铁芯1的最小外圆上设置有沿轴向延伸的凹槽6，永磁体4嵌设在凹槽6内。
凹槽6的周向宽度与永磁体4的周向宽度一致，能够对永磁体4的安装形成周向限位，有效防止永磁体发生偏移，同时还可以利用凹槽6所形成的凹陷加大永磁体4的厚度，提高永磁体4的永磁转矩。由于凹槽6与永磁体4之间的周向宽度一致，因此能够使得位于凹槽6外侧的转子铁芯1的直径可以设计的更加合理，受到永磁体4影响的转子铁芯1的结构较少，能够使得转子铁芯1整体上形成的气隙更加合理，不至于受到永磁体4的设计深度的影响而导致气隙厚度过大，保证电机的转矩输出。
凹槽6的周向宽度比永磁体4的周向宽度大0.08mm～0.12mm。在本实施例中，凹槽6的周向宽度比永磁体4的周向宽度大0.1mm，既能够方便实现永磁体4在凹槽6内的安装，又能够通过凹槽6与永磁体4的安装位置进行限定，防止永磁体4发生偏移，提高永磁体4安装结构的稳定性和可靠性，使得永磁体4稳定为电机提供永磁转矩，进一步提升电机的转矩密度和功率因数。
凹槽6的底面为平面，永磁体4的底面为平面，永磁体4的底面与凹槽6的底面相贴合。将凹槽6的底面以及永磁体4的底面均设置为平面，不仅能够降低永磁体4以及凹槽6的加工难度，提高加工效率，而且能够保证永磁体4与凹槽6之间的贴合面积，进一步保证永磁体4在凹槽6内安装结构的稳定性和可靠性。
在本实施例中，转子铁芯1的外圆上设置有2p组凹槽6，p是电机转子极对数，永磁体4放置在凹槽6上，相邻两种永磁体4极性相反。
永磁体4和/或径向凸起5的截面为劣弧形。永磁体4和/或径向凸起5的截面也可以为梯形或者是双弧形等。
图3中的gmin是表示最小气隙，gmax表示最大气隙。
永磁体4在转子铁芯1上所占圆弧的圆心角为α，
其中p为电机转子极对数。通过限定永磁体4的圆心角范围，能够更加有效地利用磁阻转矩，圆心角过小会使得永磁转矩占比小，无法起到提升转矩出力以及功率因数的效果。
凹槽6的底面与转子铁芯1的中心轴线之间的最小距离为Lm，转子铁芯1的最小外圆直径为Dmin，其中0.45×Dmin≤Lm≤0.48×Dmin。通过限定凹槽底面到轴线的最小距离，能够有效保证铁芯内部有足够的空间去设计空气磁障，从而引导磁力线走向，高效利用磁阻转矩。
在永磁体4的d轴上，位于径向最外侧的磁通屏障2的径向外侧边与转子铁芯1的中心轴线之间的距离为Bmax，转子铁芯1的最小外圆直径为Dmin，其中0.4×Dmin≤Bmax≤0.43×Dmin。通过限定最外侧磁通屏障与轴线的最大距离，能够保证永磁体4在径向上的空间足够，避免因永磁体4用量的限制而无法达到提升转矩出力以及功率因数的效果。
转子铁芯1的最小外圆直径为Dmin，转子铁芯1的最大外圆直径为Dmax，沿着径向由外而内的方向，磁通屏障2的径向厚度依次为W1，W2，…Wn，n为大于1的整数，其中0.11×Dmin≤W1+W2+W3+...Wn≤0.13×Dmax。通过对磁通屏障的厚度进行限制，能够更好的引导铁芯内部的磁力线走向，厚度过大会使得磁桥处的磁密饱和严重，不利于电机的长期运行，厚度过小会使得内部的漏磁大，不能充分利用磁阻转矩。
根据本申请的实施例，磁阻电机包括电机转子和电机定子，该电机转子为上述的电机转子。
从图5可以看出，对比同功率的传统永磁电机，采用本申请的磁阻电机可以明显的降低转矩脉动。
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)
1.一种电机转子，其特征在于，包括转子铁芯(1)，所述转子铁芯(1)包括沿周向设置的多个磁障组，每个所述磁障组包括至少两个沿径向间隔设置的磁通屏障(2)，相邻的所述磁通屏障(2)之间形成导磁通道(3)，所述转子铁芯(1)的外周壁上表贴有径向充磁的永磁体(4)，所述转子铁芯(1)的最小外圆上设置有沿轴向延伸的凹槽(6)，所述永磁体(4)嵌设在所述凹槽(6)内，同一极下，所述永磁体(4)的d轴与磁阻q轴重合；所述转子铁芯(1)的最小外圆在磁阻d轴处形成向外周侧凸出的径向凸起(5)；所述最小外圆位于所述径向凸起(5)的径向外边缘与所述凹槽(6)的槽底之间，所述永磁体(4)和/或所述径向凸起(5)的截面为劣弧形，所述磁通屏障(2)的端部均朝向所述最小外圆延伸。
2.根据权利要求1所述的电机转子，其特征在于，所述永磁体(4)的d轴处为所述电机转子的最小气隙处。
3.根据权利要求1所述的电机转子，其特征在于，所述径向凸起(5)的磁阻d轴处为所述电机转子的最小气隙处。
4.根据权利要求1所述的电机转子，其特征在于，所述凹槽(6)的周向宽度与所述永磁体(4)的周向宽度一致；或，所述凹槽(6)的周向宽度比所述永磁体(4)的周向宽度大0.08mm～0.12mm。
5.根据权利要求4所述的电机转子，其特征在于，所述凹槽(6)的底面为平面，所述永磁体(4)的底面为平面，所述永磁体(4)的底面与所述凹槽(6)的底面相贴合。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的电机转子，其特征在于，所述永磁体(4)在所述转子铁芯(1)上所占圆弧的圆心角为α，
其中p为电机转子极对数。
7.根据权利要求4或5所述的电机转子，其特征在于，所述凹槽(6)的底面与所述转子铁芯(1)的中心轴线之间的最小距离为Lm，所述转子铁芯(1)的最小外圆直径为Dmin，其中0.45×Dmin≤Lm≤0.48×Dmin。
8.根据权利要求7所述的电机转子，其特征在于，在永磁体(4)的d轴上，位于径向最外侧的所述磁通屏障(2)的径向外侧边与所述转子铁芯(1)的中心轴线之间的距离为Bmax，所述转子铁芯(1)的最小外圆直径为Dmin，其中0.4×Dmin≤Bmax≤0.43×Dmin。
9.根据权利要求1至5中任一项所述的电机转子，其特征在于，所述转子铁芯(1)的最小外圆直径为Dmin，所述转子铁芯(1)的最大外圆直径为Dmax，沿着径向由外而内的方向，所述磁通屏障(2)的径向厚度依次为W1，W2，…Wn，n为大于1的整数，其中0.11×Dmin≤W1+W2+W3+...Wn≤0.13×Dmax。
10.一种磁阻电机，包括电机转子和电机定子，其特征在于，所述电机转子为权利要求1至9中任一项所述的电机转子。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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