CN112510869A - 一种新型同步磁阻电机转子 - Google Patents

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黄新宇
雷晓林
陆磊
畅燕
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Abstract

本发明涉及同步磁阻电机的转子结构，具体为一种新型同步磁阻电机转子。本发明提出一种新型的同步磁阻电机转子结构，转子铁心上设n等分，n与电机极数相同。每一等分内由内至外设置多层磁障，多层磁障之间通过机械结构（隔磁桥）将磁通路连接起来，构成一个完整的转子铁心。在电机设计中，通过转子磁障层数的选择、转子磁障结构以及气隙长度的设计，解决同步磁阻电机转矩偏低、效率不高及功率因数偏低的问题。

Description

一种新型同步磁阻电机转子
技术领域
本发明涉及同步磁阻电机的转子结构，具体为一种新型同步磁阻电机转子。
背景技术
随着现代工业的不断革新和快速发展以及高性能稀土永磁材料价格越来越高，越来越多的科研院所、生产企业开始寻求永磁同步电机的可替代产品，希望利用铁氧体甚至去除永磁材料降低电机成本的同时获得良好的电机性能。
同步磁阻电机是具备以上特点的高性能电动机，其定子与三相异步电动机结构基本相同，绕组接通交流电源产生旋转磁场；转子由硅钢片叠压而成，铁心上设有多层磁障，没有启动绕组。电机因直、交轴磁阻存在差异而产生电磁转矩，从而实现机电能量转换。电机成本远低于稀土永磁同步电动机，不存在高温失磁问题。与异步电动机相比，同步磁阻电机不需要铸铝转子，无转子铜耗，效率较高，同时具有较宽的弱磁调速范围、同步特性特点，而且成本与三相异步电动机相当，所以同步磁阻电机在系统节能、提升系统可靠性和节约不可再生资源方面具有重要意义。
现有技术中同步磁阻电机磁密谐波含量较高，而较高的磁密谐波含量一方面会增加电机的杂散损耗，降低电机的效率，另一方面会增大电机的振动和噪声，现有技术中公开的一种同步磁阻电机转子，是通过调整转子表面的凹槽来降低电机的谐波含量和提高电机的转矩，但该设计方法并未给出凹槽的取值范围。由于同步磁阻电机的特殊结构，电机磁场全部通过定子绕组励磁电流产生，为了减小定子励磁电流对电机铜耗的不利影响，提高电机的功率因数，气隙需要设计的很小，但过小的气隙会引起电机杂散损耗的增加和转矩波动的增大，反而不利于电机效率的提升；在生产制造方面由于转子表面不能进行切削加工，只能通过冲剪工艺来实现气隙的设计值，过小的气隙增大了气隙的冲剪难度、工艺要求的提高和电机的生产成本。而气隙较大时，在同一电流下，电机的功率因数和转矩随着气隙的增大而减小。为了提高电机的功率因数需要增大电机的控制角，转矩会随之增加；而为了保持电机的转矩不变，必须增大电机的电流，电机铜耗增加，不利于高效电机设计。因此需要合理设计电机的气隙长度提升电机的性能。
发明内容
本发明提出一种新型的同步磁阻电机转子结构，转子铁心上设n等分，n与电机极数相同。每一等分内由内至外设置多层磁障，多层磁障之间通过机械结构(隔磁桥)将磁通路连接起来，构成一个完整的转子铁心。在电机设计中，通过转子磁障层数的选择、转子磁障结构以及气隙长度的设计，解决同步磁阻电机转矩偏低、效率不高及功率因数偏低的问题。
本发明是采用如下的技术方案实现的：一种新型同步磁阻电机转子，其转子铁心分为n等分，n与电机极数相同；转子铁心每等分内设置多层磁障；多层磁障之间通过隔磁桥将磁通路连接起来。
上述的一种新型同步磁阻电机转子，磁障为圆弧形磁障，转子铁心上每等分之间的磁障呈旋转对称。
上述的一种新型同步磁阻电机转子，隔磁桥分为径向隔磁桥和切向隔磁桥。
上述的一种新型同步磁阻电机转子，通过不同磁障层数对同步磁阻电机性能的影响，确定磁障层数。
上述的一种新型同步磁阻电机转子，同步磁阻电机的电磁转矩
Figure BDA0002797110470000021
式中p为电磁功率，当电流Im、控制角α一定时，电机的电磁转矩与交直轴电感之差成正比，而当电流Im、控制角α一定时，直轴电感Ld随着气隙长度的增加而下降，交轴电感Lq随着气隙长度的增加变化小，因此直轴电感的下降导致电机电磁转矩有明显的下降，由此合理设计电机的气隙长度。
上述的一种新型同步磁阻电机转子，电机功率因数随着气隙长度的增加而下降，因此合理设计电机的气隙长度。
上述的一种新型同步磁阻电机转子，转子铁心与两侧的转子挡板，通过转轴上的键与转轴连接在一起，再通过双头螺栓与紧固件共同组成转子。
上述的一种新型同步磁阻电机转子，转子挡板端部设计有凸起部位，可在动平衡时进行去重平衡，降低电机的振动噪声。
上述的一种新型同步磁阻电机转子，紧固件包括弹垫和螺母。
上述的一种新型同步磁阻电机转子，转轴一端还设置有挡圈。
本发明技术方案带来的有益效果为：本发明的一种同步磁阻电机转子，在不同转子磁障层数及气隙长度的设计上做了有益的探索。与现有技术相比，在保证转子机械强度的情况下，转子铁芯结构具有重量轻、效率高、可靠性高、噪音小的优点。
附图说明
图1为同步磁阻电机转子结构示意图。
图2为同步磁阻电机转子磁障结构示意图。
图3为隔磁桥结构示意图。
图4为不同磁障层数模型图。
图5为不同气隙的转矩和功率因数图。
图6为不同气隙的交直轴电感图。
图中：1-转轴；2-键；3-转子挡板；4-转子铁心；5-双头螺栓；6-弹垫；7-螺母；8-挡圈，9-磁障，10-磁通路，11-切向隔磁桥，12-径向隔磁桥。
具体实施方式
一种新型同步磁阻电机转子：
1)同步磁阻电机转子铁心4分为n等分，n与电机极数相同；每一等分内由内至外设置多层磁障；多层磁障9之间通过机械结构(隔磁桥)将磁通路10连接起来，构成一个完整的转子铁心；隔磁桥又分为径向隔磁桥12和切向隔磁桥11；
2)转子铁心4与转轴1之间通过过盈配合方式装配在一起，铁心两端设置有转子挡板3，通过双头螺栓5及紧固件将其紧固成一个整体；
3)同步磁阻电机依靠磁阻转矩驱动负载转动，而磁阻转矩来源于交、直轴电感的差值，通过合理设计电机的气隙长度、磁障层数、磁障结构提升电机的转矩。
以下结合附图对本发明作进一步说明。
1)同步磁阻电机转子由项4(转子铁心)与项3(转子挡板)，通过项2(键)与项1(转轴)连接在一起，再通过项5(双头螺栓)与紧固件共同组成转子。转子挡板端部设计有凸起部位，可在动平衡时进行去重平衡，降低电机的振动噪声。如上图1所示。
2)转子铁心4由多个无取向硅钢片通过冲件剪工艺而成的转子冲片叠压而成，转子铁心上设置多层呈旋转对称的圆弧形磁障；多层磁障之间通过机械结构(隔磁桥)将磁通路连接起来，构成一个完整的转子铁心。如图2、图3所示。
3)转子铁心分为4等分的情况下，通过不同磁障层数对同步磁阻电机性能的影响，确定磁障层数。这里以3层磁障和4层磁障两种结构进行方案对比计算，模型如4所示。通过计算得到两种磁障电机的性能参数如下表所示。
两种磁障的同步磁阻电机性能参数
磁障根数 转矩/Nm 功率因数 效率/％ 说明
4 346.08 0.8159 94.72 112.4A、67°
3 343.44 0.8145 94.66 112.4A、67°
通过比较，两者功率因数相当，4层磁障的输出转矩略高，在电机的电流和控制角相同的情况下，电机铜耗基本相同，铁耗4层磁障相比3层磁障低5％左右，所以4层磁障有更大的凸极比，在提升电机转矩和效率上更有优势。
4)合理设计电机的气隙长度：同步磁阻电机作为单边励磁的电机，不能采用永磁电机的方法用转子永磁体建立电机磁场，电机磁场需全部通过定子绕组励磁电流产生。过小的气隙增大了气隙的冲剪难度和工艺要求。
电机设计时考虑在相同电流有效值和控制角的情况下，对不同气隙长度对应的电机转矩、功率因数和交直轴电感进行计算分析，如下图5、图6所示。
根据同步磁阻电机的电磁转矩公式：
Figure BDA0002797110470000041
当电流、控制角一定时，电机的转矩与交直轴电感之差成正比，直轴电感的下降导致电机转矩有明显的下降。因此气隙长度对同步磁阻电机的功率因数、转矩影响非常明显。

Claims (10)

1.一种新型同步磁阻电机转子，其特征在于：其转子铁心(4)分为n等分，n与电机极数相同；转子铁心每等分内设置多层磁障(9)；多层磁障(9)之间通过隔磁桥将磁通路(10)连接起来。
2.根据权利要求1所述的一种新型同步磁阻电机转子，其特征在于：磁障为圆弧形磁障，转子铁心上每等分之间的磁障呈旋转对称。
3.根据权要求1或2所述的一种新型同步磁阻电机转子，其特征在于：隔磁桥分为径向隔磁桥(12)和切向隔磁桥(11)。
4.根据权要求1或2所述的一种新型同步磁阻电机转子，其特征在于：通过不同磁障层数对同步磁阻电机性能的影响，确定磁障层数。
5.根据权要求2所述的一种新型同步磁阻电机转子，其特征在于：同步磁阻电机的电磁转矩
Figure FDA0002797110460000011
当电流Im、控制角α一定时，电机的电磁转矩与交直轴电感之差成正比，而当电流Im、控制角α一定时，直轴电感Ld随着气隙长度的增加而下降，交轴电感Lq随着气隙长度的增加变化小，因此直轴电感的下降导致电机电磁转矩有明显的下降，由此合理设计电机的气隙长度。
6.根据权要求5所述的一种新型同步磁阻电机转子，其特征在于：电机功率因数随着气隙长度的增加而下降，因此合理设计电机的气隙长度。
7.根据权要求6所述的一种新型同步磁阻电机转子，其特征在于：转子铁心(4)与两侧的转子挡板(3)，通过转轴上的键(2)与转轴(1)连接在一起，再通过双头螺栓(5)与紧固件共同组成转子。
8.根据权要求7所述的一种新型同步磁阻电机转子，其特征在于：转子挡板端部设计有凸起部位。
9.根据权要求8所述的一种新型同步磁阻电机转子，其特征在于：紧固件包括弹垫(6)和螺母(7)。
10.根据权要求8或9所述的一种新型同步磁阻电机转子，其特征在于：转轴(1)一端还设置有挡圈(8)。
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