CN111082560B - 电机转子和电机 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种电机转子和电机。该电机转子包括转子铁芯(1)和沿转子铁芯(1)的周向排布的多个磁障组，每个磁障组包括沿径向排布的多个磁通屏障(2)，相邻的两个磁通屏障(2)之间形成导磁通道(3)，导磁通道(3)的两端分别设置有永磁体，永磁体径向充磁，位于径向最内侧磁通屏障(2)的径向外侧的各导磁通道(3)与其端部的永磁体之间存在如下关系：p＝(0.4～0.6)x，其中x为导磁通道(3)的径向宽度，p为该导磁通道(3)对应的永磁体的周向宽度。根据本申请的电机转子，能够使得电机运行处于增磁状态，有效降低磁路饱和程度，保证逆凸极永磁辅助同步磁阻电机的输出转矩能力。

Description

电机转子和电机
技术领域
本申请涉及电机技术领域，具体涉及一种电机转子和电机。
背景技术
永磁辅助同步磁阻电机，充分利用磁阻转矩，做到了与稀土永磁同步电机相近的功率密度和效率；但是，传统结构的永磁辅助同步磁阻电机凸极比为正，为利用磁阻转矩，电机须工作在弱磁状态；当电机直轴电流用来弱磁时，其将不产生永磁转矩，从而电机电流的有效利用率降低，单位电流输出转矩能力较差。
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电机，能够使得电机运行处于增磁状态，有效降低磁路饱和程度，保证逆凸极永磁辅助同步磁阻电机的输出转矩能力。
为了解决上述问题，本申请提供一种电机转子，包括转子铁芯和沿转子铁芯的周向排布的多个磁障组，每个磁障组包括沿径向排布的多个磁通屏障，相邻的两个磁通屏障之间形成导磁通道，导磁通道的两端分别设置有永磁体，永磁体径向充磁，位于径向最内侧磁通屏障的径向外侧的各导磁通道与其端部的永磁体之间存在如下关系：p＝(0.4～0.6)x，其中x为导磁通道的径向宽度，p为该导磁通道对应的永磁体的周向宽度。
优选地，位于径向最内侧磁通屏障的径向内侧的导磁通道的径向宽度为xn，该导磁通道两端的永磁体的周向宽度为pn，其中pn＝(0.9～1)xn。
优选地，位于径向最外侧的磁通屏障的径向宽度为y1，电机转子外周的气隙厚度为δ，其中y1≥1.5δ。
优选地，磁通屏障在两端形成尖端，径向最外侧的磁通屏障的径向外侧设置有永磁体，该磁通屏障的尖端设置在靠近该永磁体的一侧；和/或，径向最内侧的磁通屏障的径向内侧设置有永磁体，该磁通屏障的尖端设置在靠近该永磁体的一侧。
优选地，转子铁芯的外周壁上设置有永磁安装槽，永磁体安装在安装槽内，安装槽的两侧形成凸起部，磁通屏障延伸至凸起部内。
优选地，磁通屏障的边缘与其尖端所在侧的安装槽之间形成隔磁桥，隔磁桥的厚度为0.3～0.8mm。
优选地，转子铁芯包括多个磁极，每个磁极内的永磁体关于电机d轴对称。
优选地，在一个磁极内，每个磁障组包括两个磁通屏障，永磁体包括第一永磁体、第二永磁体和第三永磁体，其中第一永磁体位于磁障组的径向外周侧，第二永磁体位于两个磁通屏障之间，第三永磁体位于电机d轴两侧的两个磁通屏障之间，且第三永磁体自身关于电机d轴对称。
优选地，同一磁极的永磁体具有预设宽度，预设宽度的永磁体使永磁体的激励磁场形成正弦性磁场。
优选地，相邻的磁极在相交位置处的转子铁芯的外周壁上形成有凹槽。
根据本申请的另一方面，提供了一种电机，包括电机转子，概念电机转子为上述的电机转子。
本申请提供的电机转子，包括转子铁芯和沿转子铁芯的周向排布的多个磁障组，每个磁障组包括沿径向排布的多个磁通屏障，相邻的两个磁通屏障之间形成导磁通道，导磁通道的两端分别设置有永磁体，永磁体径向充磁，位于径向最内侧磁通屏障的径向外侧的各导磁通道与其端部的永磁体之间存在如下关系：p＝(0.4～0.6)x，其中x为导磁通道的径向宽度，p为该导磁通道对应的永磁体的周向宽度。应用该电机转子的电机额定运行时，电枢反应处于增磁状态，电机交直轴电流均可以输出永磁转矩；电机直轴电流产生磁阻转矩，同时，直轴电流增加永磁体产生磁场，使得电机永磁转矩得到增强；交轴电流与永磁磁场作用产生永磁转矩；永磁转矩与磁阻转矩方向相同，从而提高了永磁辅助同步磁阻电机单位电流输出转矩能力，通过限定导磁通道宽度及其端部永磁体的宽度之间的关系，能够对永磁体宽度进行优化，有效降低磁路饱和程度，保证了逆凸极永磁辅助同步磁阻电机的输出转矩能力。
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磁极分布结构图；
图3为本申请实施例的电机转子的尺寸结构图；
图4为本申请实施例的电机的侧视图；
图5为本申请实施例的电机的结构示意图；
图6为现有技术中的常规永磁辅助同步磁阻电机矩角特性示意图；
图7为本申请实施例的逆凸极电机的矩角特性示意图；
图8为本申请实施例的电机与传统逆凸极电机输出转矩对比图。
附图标记表示为：
1、转子铁芯；2、磁通屏障；3、导磁通道；4、安装槽；5、第一永磁体；6、第二永磁体；7、第三永磁体；8、凸起部；9、凹槽；10、定子。
具体实施方式
永磁辅助同步磁阻电机的电磁转矩公式如下:
Te＝p(Ld-Lq)idiq+pψPMiq
其中，p为电机极对数，Ld为电机直轴，Lq为交轴电感，id、iq为定子电流空间向量在交直轴的分量，ψPM为永磁体产生磁链；传统永磁辅助同步磁阻电机Ld<Lq，仅当id<0，磁阻转矩与永磁转矩同向，此时，id对永磁磁场具有削弱作用，因此，电机输出转矩偏低。为了改变上述问题，特提出本申请。
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和沿转子铁芯1的周向排布的多个磁障组，每个磁障组包括沿径向排布的多个磁通屏障2，相邻的两个磁通屏障2之间形成导磁通道3，导磁通道3的两端分别设置有永磁体，永磁体径向充磁，位于径向最内侧磁通屏障2的径向外侧的各导磁通道3与其端部的永磁体之间存在如下关系：p＝(0.4～0.6)x，其中x为导磁通道3的径向宽度，p为该导磁通道3对应的永磁体的周向宽度。
应用该电机转子的电机额定运行时，电枢反应处于增磁状态，电机交直轴电流均可以输出永磁转矩；电机直轴电流产生磁阻转矩，同时，直轴电流增加永磁体产生磁场，使得电机永磁转矩得到增强；交轴电流与永磁磁场作用产生永磁转矩；永磁转矩与磁阻转矩方向相同，从而提高了永磁辅助同步磁阻电机单位电流输出转矩能力，通过限定导磁通道宽度及其端部永磁体的宽度之间的比例关系，能够利用导磁通道宽度对永磁体宽度进行优化，有效降低磁路饱和程度，保证了逆凸极永磁辅助同步磁阻电机的输出转矩能力。多个磁通屏障2沿电机交轴方向排布，从而能够加大交轴磁阻，降低电机交轴电感。
结合参见图6和图7所示，图中，Temb为永磁转矩，Ta为磁阻转矩，Tem为合成转矩；图6中所示当转矩角大于90°时，合成转矩Tem最大，电机在达到最大转矩时电枢反应削弱永磁体磁场，电机处于弱磁状态，图7所示最大转矩时转矩角小于90°，最大转矩运行时，电机电枢磁场增强转子永磁磁场，电机处于增磁状态。
本申请优化了电机转子结构，使电机工作时，直轴电流增强永磁体磁场，用于产生有效永磁转矩，同时，磁阻转矩与永磁转矩方向相同，从而使电机单位电流产生更大转矩，此时，电机直轴电感大于交轴电感，电机凸极比为负，此种电机称为逆凸极永磁辅助同步磁阻电机。逆凸极永磁辅助同步磁阻电机Ld>Lq，当id>0时，磁阻转矩与永磁转矩同向，此时，id增强永磁体磁场，从而可以提高电机单位电流输出转矩。
此外，与传统永磁辅助同步磁阻电机不同的是，应用本申请电机转子的电机运行时，逆凸极永磁辅助同步磁阻电机结构使得磁阻转矩与永磁转矩在转矩角小于90度电角度时方向相同，从而电机直轴电流分量产生磁阻转矩同时增加永磁转矩，电机输出转矩能力提高。由于电机直轴电流对永磁磁场为增强作用，直轴电枢反应磁场方向与永磁体磁化方向相同，因此可以降低电机因电枢反应退磁的风险，提高电机运行可靠性。当电机运行在相同负载转矩时，相同反电势条件下，因为本申请电机单位电流可以输出更大的转矩，电机运行电流可以更小，从而可以有效降低电机铜损，提高电机运行效率。
通过本申请电机转子结构，使得电机直轴电感大于交轴电感，当永磁转矩与磁阻转矩同方向时，电机处于增磁状态，可以提高电机最大转矩，提高电机运行效率。
对于本申请而言，位于径向最内侧磁通屏障2的径向外侧的导磁通道3数量可以为一个，也可以为两个或者两个以上，各导磁通道3的宽度可以一样，也可以不一样，各导磁通道3与其两端的永磁体的宽度之比均为p＝(0.4～0.6)x，例如，当位于径向最内侧磁通屏障2的径向外侧的导磁通道3数量为两个时，位于径向最外侧的导磁通道3的径向宽度为x1，两端的永磁体的周向宽度为p1，则有p1＝(0.4～0.6)x1；位于径向最外侧导磁通道3径向内侧的导磁通道3的径向宽度为x2，两端的永磁体的周向宽度为p2，则有p2＝(0.4～0.6)x2。
该种设计有效保证了永磁体的宽度与其相应的导磁通道3的宽度之间的比例，从而使得导磁通道3所能通过的磁通量与永磁体和定子所产生的经过该导磁通道3的磁通量能够相匹配，从而防止发生磁饱和现象，有效降低磁路饱和程度，保证了逆凸极永磁辅助同步磁阻电机的输出转矩能力。
优选地，位于径向最内侧磁通屏障2的径向内侧的导磁通道3的径向宽度为xn，该导磁通道3两端的永磁体的周向宽度为pn，其中pn＝(0.9～1)xn。其中n为导磁通道3的层数。通过这种方式，电机中的磁通路径可以更加均匀，可以有效避免局部磁路饱和现象，提升磁路导磁效率，增加电机交直轴电感差值，提高电机输出转矩能力，从而降低相同负载下电流，提高电机效率。
位于径向最外侧的磁通屏障2的径向宽度为y1，电机转子外周的气隙厚度为δ，其中y1≥1.5δ。其它磁通屏障2的径向宽度可以与径向最外侧的磁通屏障2的径向宽度相同为y1，也可以为不同的y2。通过限定径向最外侧的磁通屏障2的径向宽度与定转子之间的气隙厚度δ的关系，能够有效阻止漏磁，提高电机运行效率。
磁通屏障2在两端形成尖端，径向最外侧的磁通屏障2的径向外侧设置有永磁体，该磁通屏障2的尖端设置在靠近该永磁体的一侧；和/或，径向最内侧的磁通屏障2的径向内侧设置有永磁体，该磁通屏障2的尖端设置在靠近该永磁体的一侧。
当径向最外侧的磁通屏障2的尖端向径向外侧的永磁体靠近，径向最内侧的磁通屏障2的尖端向径向内侧的永磁体靠近时，能够使得径向最外侧的磁通屏障2和径向最内侧的磁通屏障2之间形成渐增的间距，也即形成渐增的导磁通道3，从而在靠近转子铁芯1的外圆的位置形成较宽的导磁通道3，能够加大磁路通道，更加有效地降低气隙位置处的磁路局部饱和程度，提升电机交直轴电感差值的作用，提高电机的输出转矩能力。
转子铁芯1的外周壁上设置有永磁安装槽4，永磁体安装在安装槽4内，安装槽4的两侧形成凸起部8，磁通屏障2延伸至凸起部8内。磁通屏障2延伸至凸起部8内，能够通过磁通屏障2改变导磁通道3的结构，从而减小凸起部8处的漏磁，提高磁通屏障2对于直轴磁通方向的限定效果。
优选地，磁通屏障2的边缘与其尖端所在侧的安装槽4之间形成隔磁桥，隔磁桥的厚度为0.3～0.8mm。具体而言，在本实施例中，由于磁通屏障2的尖端延伸至凸起部8内，因此隔磁桥位于尖端的侧边与安装槽4的侧边之间。通过此种实施方式，可以有效降低漏磁，使得电机磁通大部分通过所设计的主磁路通过，从而使的磁钢以及电枢反应电流得以更加有效的利用，提升电机效率。
优选地，永磁体的充磁方向与电机直轴方向一致，或者永磁体的充磁方向为沿磁通屏障两端边沿的延长线方向。当永磁体的充磁方向与其所在位置处的电机直轴方向一致时，或者永磁体的充磁方向为沿磁通屏障两端边沿的延长线方向时，磁化方向的选择使得电机沿直轴方向可以产生更多磁通。
优选地，多个永磁体沿转子铁芯1的周向间隔排布，每一个永磁体对应于一个导磁通道3的一端，从而可以形成合理的磁通宽度和磁障宽度，使得电机转子的磁场分布更加符合正弦化分布曲线。
转子铁芯1的外周壁上设置有安装槽4，永磁体安装在安装槽4内。在同一磁极下，永磁体的磁化方向相同，相邻的两个磁极的永磁体磁化方向相反。
转子铁芯1包括多个磁极，每个磁极内的永磁体关于电机d轴对称，可以在该磁极的电机d轴两侧形成均衡的磁阻转矩，提高电机磁阻转矩输出的稳定性。
在本实施例中为了便于说明，以电机转子四极，每极五个永磁体为例进行说明。
在一个磁极内，每个磁障组包括两个磁通屏障2，永磁体包括第一永磁体5、第二永磁体6和第三永磁体7，其中第一永磁体5位于磁障组的径向外周侧，第二永磁体6位于两个磁通屏障2之间，第三永磁体7位于电机d轴两侧的两个磁通屏障2之间。因此，在一个磁极内，包括两个第一永磁体5、两个第二永磁体6以及一个第三永磁体7共五个永磁体，其中两个第一永磁体5、两个第二永磁体6均关于电机d轴对称，且第三永磁体7自身关于电机d轴对称。其他极数及每极永磁体个数和结构类似；铁芯截面包括二十个安装槽4，永磁体通过粘贴或其他方式固定于安装槽4内，永磁体在安装槽4内的位置固定；转子相邻N、S极之间铁芯部位通过磁障组相连接，磁障组保证电机转子的直轴磁通方向。
优选地，同一磁极的永磁体具有预设宽度，预设宽度的永磁体使永磁体的激励磁场形成正弦性磁场。
优选地，p1：p2：p3＝2:3.5:4。
优选地，安装槽4的两侧形成凸起部8，永磁体的周向总宽度与凸起部8的周向总宽度之间的比值范围为0.9～1.1。
同一极下的永磁体宽度设计需保证毎极下永磁体激励磁场的正弦性；而永磁体与转子铁芯的凸起部8相对宽度的大小，则决定了本申请的电机在运行过程中磁阻转矩与永磁转矩的大小。具体而言，为保证每极永磁磁场的正弦性，优选地可以采用p1：p2：p3＝2:3.5:4的比例，本申请不对此比例作具体限定，只要能够保证毎极下永磁体激励磁场的正弦性即可。
永磁体周向总宽度的选择与磁阻转矩的大小有关，永磁体宽度越宽，永磁转矩越大，磁阻转矩越小，反之，永磁体宽度越窄，永磁转矩越小，磁阻转矩越大。当永磁体总宽度与转子铁芯凸起部总宽度相近或相等时，电机输出总转矩最大。
上述的永磁体数量和设置方式仅为距离说明，并不对永磁体的数量以及磁通屏障2的数量形成限制，永磁体的数量可以根据磁通屏障2以及导磁通道3的数量进行调整。
优选地，相邻的磁极在相交位置处的转子铁芯1的外周壁上形成有凹槽9。该凹槽9位于转子铁芯1的外周侧，能够形成隔磁槽，因此也可以形成磁障，从而能够进一步对凸起部8的周向宽度进行调节，使得永磁体的宽度与凸起部8的周向宽度分布更加合理，提高电机的输出总转矩。优选地，磁通屏障3为圆弧形，凹槽9与磁通屏障3同心设置。
通过本申请的电机转子磁障以及极与极之间的凹槽9，可以极大提高电机凸极比，提高电机运行时磁阻转矩，从而在提高电枢反应永磁转矩的同时，提高了电机磁阻转矩，使得电机输出能力提高。
上述的永磁体例如为磁钢。
结合参见图8所示，相对于传统同步磁阻电机而言，采用本申请的上述方案后，在相同电磁负荷条件下，电机平均输出转矩较传统逆凸极永磁辅助同步磁阻电机输出转矩提高2Nm，约提高10％。
根据本申请的实施例，电机包括电机转子，该电机转子为上述的电机转子。
电机还包括定子10，定子10包括定子铁芯和嵌绕在定子铁芯中的绕组，定子铁芯由硅钢片叠压而成。电机转子套设在定子10内，电机转子的转子铁芯1由不同厚度的硅钢片叠压而成，转子铁芯外圆周上开有磁钢槽，磁钢槽按一定规律分布在电机转子铁芯圆周。
本申请的电机具有如下优点：
1.本申请所述电机额定运行时，电枢反应处于增磁状态，电机直轴磁场对永磁磁场具有增磁作用，从而电机磁路易于饱和；本申请从磁障宽度，导磁通道宽度，以及永磁体宽度优化角度出发，有效降低磁路饱和程度，保证了逆凸极永磁辅助同步磁阻电机的输出转矩能力。
2.降低电机运行时磁路饱和情况，使得逆凸极电机可以更多运行在直轴电流对永磁磁场增强作用，从而降低电机因电枢反应退磁的风险，提高电机运行可靠性。
3.电机磁路饱和程度降低，可以降低工作磁密，从而降低铁损；同时，磁密的降低，可以使激磁电流降低，从而降低电机铜损；电机铜损、铁损降低，进而可以提高电机效率。
4.通过本申请所述的电机转子磁障以及永磁体结构，可以有效避免饱和，提高电机交直轴电感差值，提高电机运行时磁阻转矩，从而在提高电枢反应永磁转矩的同时，提高了电机磁阻转矩，使得电机输出能力提高。
5.本申请所述的电机，可以有效避免磁路局部饱和，降低饱和引起的磁场谐波，从而降低由谐波引起的电机振动噪音。
本实施例不对具体磁钢形状、位置以及磁障形状、位置做具体限定，总体磁障设置目的可以增加交轴磁阻，引导直轴磁通，永磁体作用为产生电机直轴永磁磁通，其磁化方向沿电机直轴方向；同时，电机极数可以根据具体需要灵活选取，本实施例作为本申请一种实施方式，不作唯一限定。
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 (9)

1.一种电机转子，其特征在于，包括转子铁芯(1)和沿所述转子铁芯(1)的周向排布的多个磁障组，每个磁障组包括沿径向排布的多个磁通屏障(2)，相邻的两个磁通屏障(2)之间形成导磁通道(3)，所述导磁通道(3)的两端分别设置有永磁体，所述永磁体径向充磁，位于径向最内侧所述磁通屏障(2)的径向外侧的各导磁通道(3)与其端部的永磁体之间存在如下关系：p＝(0.4～0.6)x，其中x为导磁通道(3)的径向宽度，p为该导磁通道(3)对应的永磁体的周向宽度；
位于径向最内侧所述磁通屏障(2)的径向内侧的导磁通道(3)的径向宽度为xn，该导磁通道(3)两端的永磁体的周向宽度为pn，其中pn＝(0.9～1)xn；
位于径向最外侧的所述磁通屏障(2)的径向宽度为y1，所述电机转子外周的气隙厚度为δ，其中y1≥1.5δ。
2.根据权利要求1所述的电机转子，其特征在于，所述磁通屏障(2)在两端形成尖端，径向最外侧的所述磁通屏障(2)的径向外侧设置有所述永磁体，该磁通屏障(2)的尖端设置在靠近该永磁体的一侧；和/或，径向最内侧的所述磁通屏障(2)的径向内侧设置有所述永磁体，该磁通屏障(2)的尖端设置在靠近该永磁体的一侧。
3.根据权利要求2所述的电机转子，其特征在于，所述转子铁芯(1)的外周壁上设置有永磁安装槽(4)，所述永磁体安装在所述安装槽(4)内，所述安装槽(4)的两侧形成凸起部(8)，所述磁通屏障(2)延伸至所述凸起部(8)内。
4.根据权利要求3所述的电机转子，其特征在于，所述磁通屏障(2)的边缘与其尖端所在侧的所述安装槽(4)之间形成隔磁桥，所述隔磁桥的厚度为0.3～0.8mm。
5.根据权利要求1所述的电机转子，其特征在于，所述转子铁芯(1)包括多个磁极，每个磁极内的所述永磁体关于电机d轴对称。
6.根据权利要求5所述的电机转子，其特征在于，在一个磁极内，每个所述磁障组包括两个磁通屏障(2)，所述永磁体包括第一永磁体(5)、第二永磁体(6)和第三永磁体(7)，其中第一永磁体(5)位于所述磁障组的径向外周侧，第二永磁体(6)位于两个磁通屏障(2)之间，第三永磁体(7)位于电机d轴两侧的两个磁通屏障(2)之间，且第三永磁体(7)自身关于电机d轴对称。
7.根据权利要求6所述的电机转子，其特征在于，同一磁极的所述永磁体具有预设宽度，预设宽度的所述永磁体使所述永磁体的激励磁场形成正弦性磁场。
8.根据权利要求5所述的电机转子，其特征在于，相邻的磁极在相交位置处的转子铁芯(1)的外周壁上形成有凹槽(9)。
9.一种电机，包括电机转子，其特征在于，所述电机转子为权利要求1至8中任一项所述的电机转子。
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