CN112968541A - 转子组件和自起动永磁同步磁阻电机 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种转子组件和自起动永磁同步磁阻电机。该转子组件包括转子铁芯(1)，在垂直于转子铁芯(1)的中心轴线的横向截面内，转子铁芯(1)的每极均包括至少两层沿径向间隔设置的安装槽(2)，安装槽(2)内安装有永磁体(3)，安装槽(2)的两端分别设置有q轴鼠笼槽(4)，q轴鼠笼槽(4)沿着靠近q轴的方向宽度递减，q轴鼠笼槽(4)沿着靠近q轴的方向长度递增。根据本申请的转子组件，能够使得鼠笼槽的面积差异减小，减小鼠笼电阻不平衡，改善电机起动同步能力。

Description

转子组件和自起动永磁同步磁阻电机

技术领域

本申请涉及电机技术领域，具体涉及一种转子组件和自起动永磁同步磁阻电机。

背景技术

自起动永磁同步磁阻电机结合了感应电机与同步永磁磁阻电机的结构特点，通过鼠笼感应产生力矩实现起动，通过转子d、q轴磁通差距及永磁体产生的转矩实现恒转速运行，能够直接通入电源实现起动运行。自起动永磁同步磁阻电机可以利用磁阻转矩提升电机输出转矩，与自起动永磁电机相比，永磁体用量减少，成本下降；与异步电机相比，自起动永磁同步磁阻电机效率高，而且转速恒定同步，转速不会随负载而变化。

传统的永磁电机及永磁同步磁阻电机需要驱动器进行起动和控制运行，成本高，控制复杂，而且驱动器占据一部分损耗，使整个电机系统效率下降。

专利公开号为CN 107834800 A的中国发明专利提供了一种无控制器自启动永磁辅助同步磁阻电机，减少了永磁材料的使用；但其铸铝鼠笼面积小，鼠笼设计不合理，导致鼠笼电阻不平衡，电机起动同步能力变差。

发明内容

因此，本申请要解决的技术问题在于提供一种转子组件和自起动永磁同步磁阻电机，能够使得鼠笼槽的面积差异减小，减小鼠笼电阻不平衡，改善电机起动同步能力。

为了解决上述问题，本申请提供一种转子组件，包括转子铁芯，在垂直于转子铁芯的中心轴线的横向截面内，转子铁芯的每极均包括至少两层沿径向间隔设置的安装槽，安装槽内安装有永磁体，安装槽的两端分别设置有q轴鼠笼槽，q轴鼠笼槽沿着靠近q轴的方向宽度递减，q轴鼠笼槽沿着靠近q轴的方向长度递增。

优选地，q轴鼠笼槽沿q轴方向延伸。

优选地，位于同一层的安装槽与其两端的q轴鼠笼槽共同组成磁障层。

优选地，安装槽、q轴鼠笼槽和永磁体相对于d轴对称分布。

优选地，沿着径向向外的方向，永磁体的长度依次为L11、L12……，其中L11≤L12……；和/或，沿着径向向外的方向，永磁体的宽度依次为W11、W12……，其中W11≤W12……。

优选地，同一极下所有永磁体的宽度之和W占转子铁芯的径向有效宽度W1的0.15～0.45，转子铁芯的径向有效宽度W1为转子铁芯的中心轴孔的外圆与转子铁芯的外圆之间的径向宽度。

优选地，永磁体为稀土永磁体时，0.15*W1＜W＜0.25*W1；永磁体为铁氧体时，0.25*W1＜W＜0.45*W1。

优选地，相邻的q轴鼠笼槽之间的导磁通道宽度为W4，与该相邻的q轴鼠笼槽对应的两个安装槽之间的导磁通道宽度为W5，其中W4≥W5。

优选地，至少部分q轴鼠笼槽的至少一边具有切边，切边位于q轴鼠笼槽靠近转子外圆的一端。

优选地，切边与该切边对应的q轴鼠笼槽的槽边延长线之间的角度为a，其中10°≤a≤50°。

优选地，转子铁芯上还设置有d轴鼠笼槽，d轴鼠笼槽位于q轴鼠笼槽靠近d轴的一侧。

优选地，d轴鼠笼槽为多个，相邻的d轴鼠笼槽之间的最小距离大于位于径向最外侧的永磁体的径向厚度。

优选地，d轴鼠笼槽沿周向方向延伸。

优选地，q轴鼠笼槽和d轴鼠笼槽中填充有导电不导磁材料。

优选地，转子铁芯的两端设置有鼠笼端环，鼠笼端环覆盖所有鼠笼槽，并将鼠笼槽连通，形成鼠笼。

优选地，q轴鼠笼槽和d轴鼠笼槽的总面积为S1，所有鼠笼槽和所有安装槽的总面积为S，其中S1≥0.4*S。

优选地，0.5*S≤S1≤0.8*S。

优选地，q轴鼠笼槽和安装槽的截面形状为矩形或圆弧形。

根据本申请的另一方面，提供了一种自起动永磁同步磁阻电机，包括转子组件，该转子组件为上述的转子组件。

优选地，自起动永磁同步磁阻电机还包括定子，定子与转子组件之间形成气隙，q轴鼠笼槽与安装槽之间以及q轴鼠笼槽与转子外圆之间具有分割筋，分割筋的宽度为L6，气隙的径向宽度为δ，其中0.5δ≤L6≤1.5δ。

本申请提供的转子组件，包括转子铁芯，在垂直于转子铁芯的中心轴线的横向截面内，转子铁芯的每极均包括至少两层沿径向间隔设置的安装槽，安装槽内安装有永磁体，安装槽的两端分别设置有q轴鼠笼槽，q轴鼠笼槽沿着靠近q轴的方向宽度递减，q轴鼠笼槽沿着靠近q轴的方向长度递增。本申请的转子组件，q轴鼠笼槽沿着靠近q轴的方向宽度递减，q轴鼠笼槽沿着靠近q轴的方向长度递增，一方面可以增加鼠笼槽面积，增加高速下异步转矩；一方面使各q轴鼠笼槽的面积差异减小，减小鼠笼电阻不平衡，进一步减小负序异步转矩，增加电机起动过程中转矩和牵入转矩，有助于改善电机起动能力。

附图说明

图1为本申请一个实施例的转子组件的结构示意图；

图2为本申请一个实施例的转子组件的结构尺寸图；

图3为本申请一个实施例的转子组件的轴向视图；

图4为本申请一个实施例的转子组件的结构尺寸图；

图5为本申请实施例的电机与相关技术中的电机的转矩曲线对比图；

图6为本申请实施例的电机与相关技术中的电机的启动过程转速曲线图。

附图标记表示为：

1、转子铁芯；2、安装槽；3、永磁体；4、q轴鼠笼槽；5、d轴鼠笼槽；6、轴孔；7、分割筋；8、切边；9、鼠笼端环；10、铆钉孔；11、挡板；12、铆钉。

具体实施方式

结合参见图1至图6所示，根据本申请的实施例，转子组件包括转子铁芯1，在垂直于转子铁芯1的中心轴线的横向截面内，转子铁芯1的每极均包括至少两层沿径向间隔设置的安装槽2，安装槽2内安装有永磁体3，安装槽2的两端分别设置有q轴鼠笼槽4，q轴鼠笼槽4沿着靠近q轴的方向宽度递减，q轴鼠笼槽4沿着靠近q轴的方向长度递增。

本申请的转子组件，q轴鼠笼槽4沿着靠近q轴的方向宽度递减，因此越靠近q轴，q轴鼠笼槽4的宽度越小，而q轴鼠笼槽4沿着靠近q轴的方向长度递增，又会使得q轴鼠笼槽4越靠近q轴，往转子铁芯1的内部延伸越长，因此能够利用q轴鼠笼槽4的长度的增加来弥补宽度的减小，一方面可以增加鼠笼槽面积，增加高速下异步转矩；一方面使各q轴鼠笼槽4的面积差异减小，减小鼠笼电阻不平衡，进一步减小负序异步转矩，增加电机起动过程中转矩和牵入转矩，有助于改善电机起动能力。

为了方便对转子组件的结构进行说明，以下各实施例以每极包括三层安装槽2为例进行说明。

在本实施例中，沿着远离q轴的方向，q轴鼠笼槽4的宽度依次为W21、W22、W23，长度依次为L21、L22、L23，其中W21＜W22＜W23，L21＞L22＞L23，q轴鼠笼槽4的截面积依次为S11、S12、S13，其中S11≈L21*W21，S12≈L22*W22，S13≈L23*W23，由于三层q轴鼠笼槽4的宽度越小，长度越长，因此S11、S12、S13相对而言较为接近，面积差异较小，鼠笼电阻不平衡也较小，有效提高了电机起动性能。

q轴鼠笼槽4沿q轴方向延伸，也即，q轴鼠笼槽的延伸方向与q轴方向相平行。q轴鼠笼槽4的延伸方向大体沿q轴，能够减小其对q轴磁通的阻碍，磁通更容易进入定子，可以有效增加磁阻转矩。

位于同一层的安装槽2与其两端的q轴鼠笼槽4共同组成磁障层。在本实施例中，磁障层在转子铁芯1的径向上至少布置两层以上，可以保证磁障层能够达到足够的层数，使得电机的d轴磁阻增大，更多永磁体磁场往q轴流通，d轴电感和q轴电感差距增大，增加电机凸极差，增加磁阻转矩。

在一个实施例中，安装槽2、q轴鼠笼槽4和永磁体3相对于d轴或q轴对称分布。

在一个实施例中，沿着径向向外的方向，永磁体3的长度依次为L11、L12……，其中L11≤L12……。以三层安装槽2为例，永磁体3也为三层，永磁体3的长度依次为L11、L12、L13，其中L11≤L12≤L13，也即外层永磁体3的长度要大于等于相邻内层永磁体3的长度。

沿着径向向外的方向，永磁体3的宽度依次为W11、W12……，其中W11≤W12……。以三层安装槽2为例，永磁体3也为三层，永磁体3的宽度依次为W11、W12、W13，其中W11≤W12≤W13。

通过对沿着径向方向的永磁体3的长度和宽度的关系的限定，在有效利用永磁体3提升电机转矩的同时，能够提升永磁体3的抗退磁能力。

同一极下所有永磁体3的宽度之和W占转子铁芯1的径向有效宽度W1的0.15～0.45，转子铁芯1的径向有效宽度W1为转子铁芯1的中心轴孔6的外圆与转子铁芯1的外圆之间的径向宽度。以三层安装槽2为例，所有永磁体3的宽度之和W＝W13+W12+W11。

永磁体3为稀土永磁体3时，0.15*W1＜W＜0.25*W1；永磁体3为铁氧体时，0.25*W1＜W＜0.45*W1。

稀土永磁体剩磁强，抗退磁强，因此厚度较小，可以减少永磁体的用量；铁氧体永磁体剩磁低抗退磁差，因此厚度较大，在保证电机效率的同时，提高电机抗退磁能力。

相邻的q轴鼠笼槽4之间的导磁通道宽度为W4，与该相邻的q轴鼠笼槽4对应的两个安装槽2之间的导磁通道宽度为W5，其中W4≥W5，从而能够使得导磁通道的宽度与其所在位置相匹配，避免导磁通道过度饱和，提高电机效率。

至少部分q轴鼠笼槽4的至少一边具有切边8，切边8位于q轴鼠笼槽4靠近转子外圆的一端。

切边8与该切边8对应的q轴鼠笼槽4的槽边延长线之间的角度为a，其中10°≤a≤50°。切边8可以使得磁通循序渐进地进入定子，减小磁通突变，减小电机转矩脉动。

转子铁芯1上还设置有d轴鼠笼槽5，d轴鼠笼槽5位于q轴鼠笼槽4靠近d轴的一侧。在本实施例中，d轴鼠笼槽5位于径向最外侧的q轴鼠笼槽4与安装槽2所形成的凹槽内，该凹槽的开口朝向转子外圆，d轴鼠笼槽5相对于q轴鼠笼槽4更加靠近d轴。

在一个实施例中，d轴鼠笼槽5为多个，相邻的d轴鼠笼槽5之间的最小距离W3大于位于径向最外侧的永磁体3的径向厚度，当安装槽2为三层时，径向最外侧的永磁体3的径向厚度为W13，W3＞W13。此种限定可以有效避免永磁体3在相邻的d轴鼠笼槽5之间的导磁通道处发生过度饱和的问题。

在一个实施例中，d轴鼠笼槽5沿周向方向延伸。

q轴鼠笼槽4和d轴鼠笼槽5中填充有导电不导磁材料，在一个实施例中，导电不导磁材料例如为铝或者铝合金。

鼠笼槽包括q轴鼠笼槽4和d轴鼠笼槽5，填充导电不导磁材料的鼠笼槽总面积为S1，也即q轴鼠笼槽4和d轴鼠笼槽5的总面积为S1，所有鼠笼槽和所有安装槽2的总面积为S，其中S1≥0.4*S。

作为一个优选的实施例，0.5*S≤S1≤0.8*S。

转子铁芯1的两端设置有鼠笼端环9，鼠笼端环9覆盖所有鼠笼槽，并将鼠笼槽连通，形成鼠笼。上述的鼠笼端环9例如为压铸鼠笼端环。所有鼠笼槽是指所有的q轴鼠笼槽4和所有的d轴鼠笼槽5。

鼠笼可以帮助电机起动，较大的鼠笼槽面积，能够有效改善电机起动同步能力。

结合参见图6所示，相关技术的电机在接近同步速度时牵入转矩不足，转速失步，而采用本申请技术的自起动永磁同步磁阻电机则能够顺利牵入同步。

转子铁芯1的两端设置有不导磁的挡板11，通过铆钉孔10插入铆钉12将挡板11固定在转子铁芯1上，遮挡固定永磁体3；也可通过在安装槽2中注入注塑材料，凝固固定永磁体3，注塑材料为不导电不导磁材料。

从图5中可以看出，相比于相关技术的电机，采用本申请技术的自起动永磁同步磁阻电机，在相同定子及电流下，平均转矩提升，转矩脉动减小，技术效果较好。

q轴鼠笼槽4和安装槽2的截面形状为矩形或圆弧形。此处的矩形或者圆弧形均为近似图形，例如，为了方便两端q轴鼠笼槽4的设置，安装槽2会被设计为梯形，但是整体的结构均与矩形类似，均采用直边结构。

根据本申请的实施例，自起动永磁同步磁阻电机包括转子组件，该转子组件为上述的转子组件。

自起动永磁同步磁阻电机还包括定子，定子与转子组件之间形成气隙，q轴鼠笼槽4与安装槽2之间以及q轴鼠笼槽4与转子外圆之间具有分割筋7，分割筋7的宽度为L6，气隙的径向宽度为δ，其中0.5δ≤L6≤1.5δ。

通过合理设置分割筋7的宽度，能够在保证机械强度的同时，尽量减小漏磁，提高电机性能。

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 (20)

1.一种转子组件，其特征在于，包括转子铁芯(1)，在垂直于所述转子铁芯(1)的中心轴线的横向截面内，所述转子铁芯(1)的每极均包括至少两层沿径向间隔设置的安装槽(2)，所述安装槽(2)内安装有永磁体(3)，所述安装槽(2)的两端分别设置有q轴鼠笼槽(4)，所述q轴鼠笼槽(4)沿着靠近q轴的方向宽度递减，所述q轴鼠笼槽(4)沿着靠近q轴的方向长度递增。

2.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，所述q轴鼠笼槽(4)沿q轴方向延伸。

3.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，位于同一层的所述安装槽(2)与其两端的所述q轴鼠笼槽(4)共同组成磁障层。

4.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，所述安装槽(2)、所述q轴鼠笼槽(4)和所述永磁体(3)相对于d轴对称分布。

5.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，沿着径向向外的方向，所述永磁体(3)的长度依次为L11、L12……，其中L11≤L12……；和/或，沿着径向向外的方向，所述永磁体(3)的宽度依次为W11、W12……，其中W11≤W12……。

6.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，同一极下所有永磁体(3)的宽度之和W占所述转子铁芯(1)的径向有效宽度W1的0.15～0.45，所述转子铁芯(1)的径向有效宽度W1为所述转子铁芯(1)的中心轴孔(6)的外圆与所述转子铁芯(1)的外圆之间的径向宽度。

7.根据权利要求6所述的转子组件，其特征在于，所述永磁体(3)为稀土永磁体(3)时，0.15*W1＜W＜0.25*W1；所述永磁体(3)为铁氧体时，0.25*W1＜W＜0.45*W1。

8.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，相邻的q轴鼠笼槽(4)之间的导磁通道宽度为W4，与该相邻的q轴鼠笼槽(4)对应的两个所述安装槽(2)之间的导磁通道宽度为W5，其中W4≥W5。

9.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，至少部分所述q轴鼠笼槽(4)的至少一边具有切边(8)，所述切边(8)位于所述q轴鼠笼槽(4)靠近转子外圆的一端。

10.根据权利要求9所述的转子组件，其特征在于，所述切边(8)与该切边(8)对应的q轴鼠笼槽(4)的槽边延长线之间的角度为a，其中10°≤a≤50°。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的转子组件，其特征在于，所述转子铁芯(1)上还设置有d轴鼠笼槽(5)，所述d轴鼠笼槽(5)位于所述q轴鼠笼槽(4)靠近d轴的一侧。

12.根据权利要求11所述的转子组件，其特征在于，所述d轴鼠笼槽(5)为多个，相邻的所述d轴鼠笼槽(5)之间的最小距离大于位于径向最外侧的所述永磁体(3)的径向厚度。

13.根据权利要求11所述的转子组件，其特征在于，所述d轴鼠笼槽(5)沿周向方向延伸。

14.根据权利要求11所述的转子组件，其特征在于，所述q轴鼠笼槽(4)和所述d轴鼠笼槽(5)中填充有导电不导磁材料。

15.根据权利要求14所述的转子组件，其特征在于，所述转子铁芯(1)的两端设置有鼠笼端环(9)，所述鼠笼端环(9)覆盖所有鼠笼槽，并将所述鼠笼槽连通，形成鼠笼。

16.根据权利要求11所述的转子组件，其特征在于，所述q轴鼠笼槽(4)和所述d轴鼠笼槽(5)的总面积为S1，所有鼠笼槽和所有安装槽(2)的总面积为S，其中S1≥0.4*S。

17.根据权利要求16所述的转子组件，其特征在于，0.5*S≤S1≤0.8*S。

18.根据权利要求1至10中任一项所述的转子组件，其特征在于，所述q轴鼠笼槽(4)和所述安装槽(2)的截面形状为矩形或圆弧形。

19.一种自起动永磁同步磁阻电机，包括转子组件，其特征在于，所述转子组件为权利要求1至18中任一项所述的转子组件。

20.根据权利要求19所述的自起动永磁同步磁阻电机，其特征在于，所述自起动永磁同步磁阻电机还包括定子，所述定子与所述转子组件之间形成气隙，所述q轴鼠笼槽(4)与所述安装槽(2)之间以及所述q轴鼠笼槽(4)与转子外圆之间具有分割筋(7)，所述分割筋(7)的宽度为L6，所述气隙的径向宽度为δ，其中0.5δ≤L6≤1.5δ。

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