CN112104180A - 异步起动永磁辅助式同步磁阻电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种异步起动永磁辅助式同步磁阻电机，所述永磁辅助式同步磁阻电机包括同轴地布置的定子组件和转子组件，转子组件包括圆柱形转子铁芯以及第一端盖和第二端盖，在转子铁芯中形成有彼此平行的、沿轴向贯穿转子铁芯的多个第一隔磁槽，每个第一隔磁槽中安装有作为永磁体的磁钢，在邻近转子铁芯外边缘的区域形成有沿轴向贯穿转子铁芯的多个第二隔磁槽，其中，在每个第一隔磁槽的两端与转子铁芯的外边缘之间分别设置一个第二隔磁槽，每个第二隔磁槽中安装有第一非磁性导电条，第一端盖和第二端盖分别固定在转子铁芯的沿轴向的两端，电机轴设置在第一端盖和第二端盖上。

Description

异步起动永磁辅助式同步磁阻电机

技术领域

本发明属于永磁同步磁阻电机领域，具体地讲，本发明涉及一种成本低、结构安全可靠、起动性能好、转速稳定性能优异的异步起动永磁辅助式同步磁阻电机。

背景技术

永磁同步磁阻电机是一种永磁电机和同步磁阻电机的结合体，其节能效果显著、弱磁效果好、适合高中低速全速度段范围。

然而，现有的永磁同步磁阻电机通常采用铷铁硼磁钢材料，存在制造成本高、高温退磁等缺点。另外，现有的永磁同步磁阻电机凸极率较低。此外，现有的永磁同步磁阻电机通常在转子上直接设置电机轴(电机轴贯穿转子安装)，这种安装方式对于转子的磁路设计和永磁体的设置都有妨碍。

发明内容

本发明提供一种永磁辅助式同步磁阻电机，所述永磁辅助式同步磁阻电机包括同轴地布置的定子组件和转子组件，转子组件包括圆柱形转子铁芯以及第一端盖和第二端盖，在转子铁芯中形成有彼此平行的、沿轴向贯穿转子铁芯的多个第一隔磁槽，每个第一隔磁槽中安装有作为永磁体的磁钢，在邻近转子铁芯外边缘的区域形成有沿轴向贯穿转子铁芯的多个第二隔磁槽，其中，在每个第一隔磁槽的两端与转子铁芯的外边缘之间分别设置一个第二隔磁槽，每个第二隔磁槽中安装有第一非磁性导电条，第一端盖和第二端盖分别固定在转子铁芯的沿轴向的两端，电机轴设置在第一端盖和第二端盖上。

在最外侧的第一隔磁槽与转子铁芯外边缘之间形成沿轴向贯穿转子铁芯的多个第三隔磁槽，每个第三隔磁槽中安装有第二非磁性导电条。

最外侧的第一隔磁槽的邻近转子铁芯外边缘的一侧朝向转子铁芯外边缘突起。

所述多个第一隔磁槽的宽度彼此相等。

任意两个相邻第一隔磁槽之间的间距彼此相等；或者，两个相邻第一隔磁槽之间的间距从转子铁芯中央部分朝向转子铁芯边缘部分逐渐减小；或者，位于转子铁芯中央部分的相邻第一隔磁槽之间的间距大于其余相邻第一隔磁槽之间的间距，所述其余相邻第一隔磁槽之间的间距彼此相等。

所述多个第二隔磁槽和所述多个第三隔磁槽与转子铁芯的外周壁连通。

所述多个第二隔磁槽和所述多个第三隔磁槽整体上沿转子铁芯边缘部分均匀分布。

第一端盖和第二端盖由非磁性导电材料形成，所述多个第一非磁性导电条和所述多个第二非磁性导电条均连接到第一端盖和第二端盖，形成鼠笼式感应线圈。

所述多个第一隔磁槽的长度彼此基本相等，或者所述多个第一隔磁槽的长度从转子铁芯中央部分朝向转子铁芯边缘部分逐渐减小。

所述多个第一隔磁槽均为直线式的长条形。

所述多个第一隔磁槽关于转子铁芯的轴心对称地设置。

所述多个第一隔磁槽的数量为6、8或10的偶数，或者所述多个第一隔磁槽的数量为5、7或9的奇数。

所述永磁辅助式同步磁阻电机是二极异步起动永磁辅助式同步磁阻电机，所述永磁辅助式同步磁阻电机的电机轴安装结构也可以应用于四极、六极或更多极数的永磁辅助式同步磁阻电机。

所述永磁辅助式同步磁阻电机可适用于开环控制的永磁辅助式同步磁阻电机，也可适用于闭环控制的永磁辅助式同步磁阻电机。

附图说明

图1是根据本发明的异步起动永磁辅助式同步磁阻电机的转子组件的分解示意图；

图2是根据本发明第一实施例的转子组件的径向截面；

图3示出了根据本发明的形成鼠笼式感应线圈的分解示意图；

图4是根据本发明第二实施例的转子组件的径向截面；

图5是根据本发明第三实施例的转子组件的径向截面；

图6是根据本发明第四实施例的转子组件的径向截面。

具体实施方式

为了解决现有技术的上述问题，本发明采用了新的电机转子结构。在新的转子结构中，去掉转子上的用于安装电机轴的通孔，在转子两端设置端盖，将电机轴设置在端盖上，电机轴不贯穿转子。这样从根本上解决了永磁同步磁阻电机的设计难度，可大幅提高永磁体设置容量。

为了使本领域技术人员能够更好的理解本发明，下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。

图1是根据本发明的异步起动永磁辅助式同步磁阻电机的转子组件的分解示意图，图2是根据本发明第一实施例的转子组件的径向截面图，图3示出了根据本发明的形成鼠笼式感应线圈的分解示意图。

参照图1至图3，异步起动永磁辅助式同步磁阻电机可包括同轴地布置的转子组件100和定子组件200。转子组件100和定子组件200之间沿周向间隔预定距离。

定子组件200可包括中空的圆筒形定子铁芯201，定子铁芯201包括沿周向均匀分布的多个定子磁极202，定子磁极202可朝向转子组件100延伸，在相邻定子磁极202之间形成定子线圈槽203，可在每个定子磁极202上均缠绕有线圈(未示出)，线圈可容纳在定子线圈槽203中，可对线圈进行通电/断电操作。定子组件200可采用现有的定子组件，这里不再详细描述。

转子组件100包括圆柱形转子铁芯101以及第一端盖102和第二端盖103。在转子铁芯101中形成有彼此平行的、沿轴向贯穿转子铁芯101的多个第一隔磁槽104，每个第一隔磁槽104中安装有作为永磁体的磁钢105。磁钢105可以是价格相对低廉的铁氧体磁钢。

转子铁芯101和定子铁芯201均可由多层硅钢片叠置而成。

多个第一隔磁槽104的宽度可彼此相等。由于每个第一隔磁槽104中安装有作为永磁体的磁钢105，因此转子铁芯101的位于任意两个相邻第一隔磁槽104之间的区域可形成磁力线通路106。任意两个相邻第一隔磁槽104之间的间距(磁力线通路106的宽度)可彼此相等。或者，考虑到转子铁芯101的中央部分的磁通量相对大一些，位于转子铁芯101的中央部分的相邻第一隔磁槽104之间的间距最大，相邻第一隔磁槽104之间的间距从转子铁芯101的中央部分朝向转子铁芯101的边缘部分逐渐减小。这是根据仿真设计确定每个磁力线通路106所通过的磁通量来设计磁力线通路106的宽度，利用节省的空间尽可能多地设置第一隔磁槽104的宽度，这样的好处是磁钢105的厚度得到加强，在采用铁氧体磁钢的情况下，这样可以弥补铁氧体磁能积不足的缺点。

在邻近转子铁芯101的外边缘的区域形成有沿轴向贯穿转子铁芯101的多个第二隔磁槽107，每个第二隔磁槽107位于相应的第一隔磁槽104的一端和转子铁芯101的外边缘之间(即，在每个第一隔磁槽104的两端与转子铁芯101的外边缘之间分别设置一个第二隔磁槽107)，每个第二隔磁槽107中安装有第一非磁性导电条108。即，在每个第一隔磁槽104的两端的预定距离处各布置一个第二隔磁槽107，一个第一隔磁槽104与其两端预定距离处的两个第二隔磁槽107形成三段式隔磁槽；类似地，在每个磁钢105的两端的预定距离处各布置一个第一非磁性导电条108，一个磁钢105与其两端预定距离处的两个第一非磁性导电条108形成三段式结构。

在最外侧的第一隔磁槽104与转子铁芯101的外边缘之间形成沿轴向贯穿转子铁芯101的多个第三隔磁槽109，每个第三隔磁槽109中安装有第二非磁性导电条110。多个第三隔磁槽109可沿转子铁芯101的周向设置于最外侧的第一隔磁槽104与转子铁芯101的外边缘之间。第三隔磁槽109可以是椭圆形、圆形、长方形、正方形或梯形等形状。相应地，安装在第三隔磁槽109中的第二非磁性导电条110的形状与可第三隔磁槽109的形状匹配。

可通过冲压等方式在转子铁芯101形成贯穿转子铁芯101的多个第一隔磁槽104、多个第二隔磁槽107以及多个第三隔磁槽109。

第一非磁性导电条108和第二非磁性导电条110可以由铝(例如铸铝)或铜制成，有利于加强转子组件100的机械强度。

第一端盖102和第二端盖103分别固定在转子铁芯101的沿轴向的两端，电机轴111设置在第一端盖102和第二端盖103上，而不穿过转子铁芯101(转子铁芯101没有设置用于安装电机轴111的通孔)。可沿转子铁芯101的周向在邻近转子铁芯101的外边缘的区域间隔地设置多个端盖固定孔112，第一端盖102和第二端盖103通过端盖固定孔112分别固定在转子铁芯101的沿轴向的两端。

因此，在转子铁芯101中没有设置用于安装电机轴111的通孔，电机轴111不穿过转子铁芯101。由此，多个第一隔磁槽104可均为直线式的长条形。

多个第一隔磁槽104可关于转子铁芯101的轴心对称地设置。当多个第一隔磁槽104的数量为偶数(例如6、8或10)时，转子铁芯101的轴心穿过位于转子铁芯101的中央部分的两个相邻第一隔磁槽104之间的区域(转子铁芯101的轴心不穿过任何一个第一隔磁槽104)。当多个第一隔磁槽104的数量为奇数(例如5、7或9)时，转子铁芯101的轴心穿过位于转子铁芯101的中央部分的一个第一隔磁槽104。多个第一隔磁槽104的长度可彼此基本相等，或者多个第一隔磁槽104的长度从转子铁芯101的中央部分朝向转子铁芯101的边缘部分逐渐减小。

第一端盖102和第二端盖103由非磁性导电材料(铝或铜)形成，第一非磁性导电条108和第二非磁性导电条110均连接到第一端盖102和第二端盖103，由此第一非磁性导电条108、第二非磁性导电条110、第一端盖102和第二端盖103形成鼠笼式感应线圈。图3示出了由第一非磁性导电条108、第二非磁性导电条110、第一端盖102和第二端盖103形成的鼠笼式感应线圈的分解示意图。

下面描述根据本发明其他实施例的转子组件。

图4是根据本发明第二实施例的转子组件的径向截面图。

参照图4，根据本发明第二实施例的转子组件与根据本发明第一实施例的转子组件在结构上类似，不同之处主要在于：位于转子铁芯101的中央部分的相邻第一隔磁槽104之间的间距最大，大于其余相邻第一隔磁槽104之间的间距，所述其余相邻第一隔磁槽104之间的间距可彼此相等。

图5是根据本发明第三实施例的转子组件的径向截面图。

参照图5，根据本发明第三实施例的转子组件与根据本发明第一实施例的转子组件在结构上类似，不同之处主要在于：多个第二隔磁槽107和多个第三隔磁槽109与转子铁芯101的外周壁连通(即，第二隔磁槽107和第三隔磁槽109可沿径向朝外开口)；多个第二隔磁槽107和多个第三隔磁槽109在形状和尺寸上彼此相同，多个第二隔磁槽107和多个第三隔磁槽109整体上沿转子铁芯101的边缘部分均匀分布。任意两个相邻第一隔磁槽104之间的间距(磁力线通路106的宽度)可彼此相等。

有些磁阻电机需带负载起动，所以对起动扭矩的要求相对高一些。异步起动永磁同步磁阻电机的起动扭矩基本上依靠鼠笼线圈的性能。第二隔磁槽107和第三隔磁槽109的开口设置有助于磁阻电机异步起动，同时对永磁同步磁阻电机的凸极率有更好的提升。

图6是根据本发明第四实施例的转子组件的径向截面图。

参照图6，根据本发明第四实施例的转子组件与根据本发明第一实施例的转子组件在结构上类似，不同之处主要在于：最外侧的第一隔磁槽104的邻近转子铁芯外边缘的一侧朝向转子铁芯101的外边缘突起(例如，可呈圆弧形)。由于最外侧的第一隔磁槽104占据了转子铁芯101的一部分外边缘区域，因此与第一实施例至第三实施例相比，没有设置第三隔磁槽109以及第二非磁性导电条110。安装在最外侧的第一隔磁槽104中的磁钢105具有加大的厚度(形成超厚的异形磁钢)，可增强永磁力。在多个第一隔磁槽104中，除了最外侧的第一隔磁槽104之外的其余第一隔磁槽104均为直线式的长条形。图6所示的转子组件结构的磁钢用量显著大于图2、图4、图5所示的转子组件结构的磁钢用量。

下面描述根据本发明的异步起动永磁辅助式同步磁阻电机的运行原理。

根据本发明的异步起动永磁辅助式同步磁阻电机的电机转矩包括三个部分，即感应转矩、永磁同步转矩、同步磁阻转矩，下面具体说明。

(1)感应转矩

感应转矩是由转子铁芯101的周边分布的第一非磁性导电条108、第二非磁性导电条110以及第一端盖102和第二端盖103共同构成的鼠笼式感应线圈产生的，鼠笼式感应线圈在旋转磁场的作用下产生感应转矩，这与一般的交流感应异步电机是相同的。如果起动负载较大，则应该加强鼠笼式感应线圈，第二隔磁槽107和第三隔磁槽109的开口设置有利于鼠笼式感应线圈产生感应电流。

(2)同步磁阻转矩

本发明的设计思路中重要的部分是磁阻转矩部分。根据磁力线要通过磁阻最小路径的原理和磁路的磁饱和原理，上世纪90年代就已出现了同步磁阻电机理论。磁路中设置多条三段式隔磁槽(也称为磁障)有利于产生磁阻转矩。以三段式隔磁槽的数量(或第一隔磁槽的数量)为偶数为例，以Lq轴为中心，两侧分别设置3～4个三段式隔磁槽时，磁阻凸极率增加最显著，凸极率可超过12，但是当每侧设置超过4个三段式隔磁槽时凸极率提高不明显。所以根据本发明的转子铁芯上设置的三段式隔磁槽的总数可不超过8个(单侧的三段式隔磁槽不超过4个)。当凸极率达到10以上时，同步磁阻电机的效率最高可达到90％～95％以上。对于三段式隔磁槽的数量(或第一隔磁槽的数量)为奇数的情况，三段式隔磁槽的总数可为5、7、9，可增大磁阻凸极率。此外，如果需要进一步提高电阻转矩，转子铁芯上设置的三段式隔磁槽的数量可为10个以上，但是三段式隔磁槽的数量超过10个可能会导致加工和安装成本增加，所以三段式隔磁槽的数量可优选为10个。另一方面，同步磁阻电机在转速较低时，其电机效率也比较低，低于永磁同步电机。因此，本发明也关注永磁同步电机。

(3)永磁转矩

同步磁阻电机的第一隔磁槽104用于设置/容纳作为永磁体的磁钢105。在本发明中，磁钢105都是按照同一个方向设置，N极和S极以串联的方式叠加起来，这样的布局在中间q轴的位置上不体现磁性，而d轴两端分别体现出很强的永磁力。单从永磁力考虑，这是一个二极永磁同步电机结构。因为是隐藏式布置，所以电机的抗退磁能力得到提高，高速运转的时候弱磁效果好。

上述三种转矩并不是同时作用。在电机起动过程中感应转矩为主导，在逐渐接近同步转速时永磁转矩和磁阻转矩替代感应转矩。当达到同步转速时，感应转矩为零。因此，根据本发明的电机很适合于开环控制，不需要位置控制器，控制系统很简单。当电机转速脱离同步转速时感应转矩再次启动，迫使电机回归同步转速区。这个功能同样可以适用于闭环控制系统的电机。

根据本发明的转子结构凸显了磁阻转矩，q轴方向的电感远大于d轴方向的电感，这样永磁转矩就不那么重要。也就是说，永磁转矩是起辅助作用的。永磁电机当前主要采用铷铁硼磁钢和铁氧体磁钢两种作为永磁体。目前的永磁同步磁阻电机多数采用铷铁硼磁钢，铷铁硼磁钢具有成本高、高温退磁等缺点。铁氧体磁钢的材料成本是铷铁硼磁钢的1/30～1/60，耐热温度是铷铁硼磁钢的两倍以上，但是铁氧体磁钢的磁能积是铷铁硼磁钢的磁能积的1/10，这就需要更大体积和面积的铁氧体磁钢。根据本发明的转子结构正好可以满足这种需要。

大多数电机的工作转速变化不很频繁，对变速反应时间的要求不很高，为此本发明采用异步起动结构，充分利用从转子铁芯去掉电机轴穿通的结构而得到的空间。这是一种新的二极异步起动永磁辅助式同步磁阻电机，非常适合开环控制甚至工频工作，可节省电机成本20％～30％，节省控制器成本50％～90％。

因此，根据本发明的电机是异步起动+永磁辅助+同步磁阻电机，合并成异步起动永磁辅助式同步磁阻电机。

根据本发明的电机具有如下优点：1、转子铁芯上可以设置数量适当的三段式隔磁槽(例如5、6、7、8或9个)，使得磁阻凸极率显著提高；2、电机的磁阻转矩大于永磁转矩，可以实现以磁阻转矩为主、以永磁转矩为辅的铁氧体辅助式同步磁阻电机；3、转子铁芯上的隔磁槽面积明显增大，安装在隔磁槽中的磁钢用量明显增加，可以用低价位的铁氧体磁钢来替代昂贵的铷铁硼磁钢；4、开环控制很方便，电机起动性能好，转速稳定性能优异；5、成本低、结构安全可靠、性价比高。

根据本发明的转子结构也可以应用在永磁同步磁阻电机，在克服转矩脉动方面有好处，因为当同步电机脱离同步区的时候转子周边设置的导电条系统(相当于异步电机的鼠笼式感应线圈)开始起作用。

虽然本发明结合附图描述了二极异步起动永磁辅助式同步磁阻电机，但是根据本发明的永磁辅助式同步磁阻电机的电机轴安装结构也可以应用于四极、六极或更多极数的异步起动永磁辅助式同步磁阻电机。根据本发明的永磁辅助式同步磁阻电机也可以适用于闭环控制的永磁辅助式同步磁阻电机。

上面对本发明的具体实施方式进行了详细描述，虽然已表示和描述了一些实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可以对不同实施例的特征进行修改和变型以及进一步组合，这些修改、变型以及进一步组合也应在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种永磁辅助式同步磁阻电机，包括同轴地布置的定子组件和转子组件，其特征在于，

转子组件包括圆柱形转子铁芯以及第一端盖和第二端盖，在转子铁芯中形成有彼此平行的、沿轴向贯穿转子铁芯的多个第一隔磁槽，每个第一隔磁槽中安装有作为永磁体的磁钢，

在邻近转子铁芯外边缘的区域形成有沿轴向贯穿转子铁芯的多个第二隔磁槽，其中，在每个第一隔磁槽的两端与转子铁芯的外边缘之间分别设置一个第二隔磁槽，每个第二隔磁槽中安装有第一非磁性导电条，

第一端盖和第二端盖分别固定在转子铁芯的沿轴向的两端，电机轴设置在第一端盖和第二端盖上。

2.根据权利要求1所述的永磁辅助式同步磁阻电机，其特征在于，在最外侧的第一隔磁槽与转子铁芯外边缘之间形成沿轴向贯穿转子铁芯的多个第三隔磁槽，每个第三隔磁槽中安装有第二非磁性导电条。

3.根据权利要求1所述的永磁辅助式同步磁阻电机，其特征在于，最外侧的第一隔磁槽的邻近转子铁芯外边缘的一侧朝向转子铁芯外边缘突起。

4.根据权利要求1所述的永磁辅助式同步磁阻电机，其特征在于，任意两个相邻第一隔磁槽之间的间距彼此相等；

或者，两个相邻第一隔磁槽之间的间距从转子铁芯中央部分朝向转子铁芯边缘部分逐渐减小；

或者，位于转子铁芯中央部分的相邻第一隔磁槽之间的间距大于其余相邻第一隔磁槽之间的间距，所述其余相邻第一隔磁槽之间的间距彼此相等。

5.根据权利要求2所述的永磁辅助式同步磁阻电机，其特征在于，所述多个第二隔磁槽和所述多个第三隔磁槽与转子铁芯的外周壁连通。

6.根据权利要求5所述的永磁辅助式同步磁阻电机，其特征在于，所述多个第二隔磁槽和所述多个第三隔磁槽整体上沿转子铁芯边缘部分均匀分布。

7.根据权利要求2所述的永磁辅助式同步磁阻电机，其特征在于，第一端盖和第二端盖由非磁性导电材料形成，所述多个第一非磁性导电条和所述多个第二非磁性导电条均连接到第一端盖和第二端盖，形成鼠笼式感应线圈。

8.根据权利要求1所述的永磁辅助式同步磁阻电机，其特征在于，所述多个第一隔磁槽均为直线式的长条形。

9.根据权利要求1所述的永磁辅助式同步磁阻电机，其特征在于，所述多个第一隔磁槽关于转子铁芯的轴心对称地设置。

10.根据权利要求9所述的永磁辅助式同步磁阻电机，其特征在于，所述多个第一隔磁槽的数量为6、8或10的偶数，或者所述多个第一隔磁槽的数量为5、7或9的奇数。

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