CN112968544B - 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)，在转子铁芯(1)的横截面上，转子铁芯(1)上设置有狭缝槽(2)、q轴鼠笼槽(4)、d轴鼠笼槽(5)和永磁体(3)，永磁体(3)设置在狭缝槽(2)内，q轴鼠笼槽(4)设置在狭缝槽(2)的两端，d轴鼠笼槽(5)位于永磁体(3)的径向外侧，d轴鼠笼槽沿平行于d轴的方向延伸或沿转子铁芯的径向延伸，q轴鼠笼槽(4)和d轴鼠笼槽(5)的长度大于其自身宽度的2倍。根据本申请的转子组件，能够提高永磁转矩，增大鼠笼面积，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CN107994698A的中国发明专利提供一种自起动永磁同步磁阻电机，以降低永磁体成本，然而该专利中电机的端部鼠笼槽(d轴鼠笼槽)为长弧形槽，阻碍了永磁体的d轴磁通，使得永磁转矩减小，降低了电机的起动能力。

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，能够提高永磁转矩，增大鼠笼面积，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，在转子铁芯的横截面上，转子铁芯上设置有狭缝槽、q轴鼠笼槽、d轴鼠笼槽和永磁体，永磁体设置在狭缝槽内，q轴鼠笼槽设置在狭缝槽的两端，d轴鼠笼槽位于永磁体的径向外侧，d轴鼠笼槽沿平行于d轴的方向延伸或沿转子铁芯的径向延伸，q轴鼠笼槽和d轴鼠笼槽的长度大于其自身宽度的2倍。

优选地，沿着d轴径向向外的方向，永磁体至少布置两层。

优选地，沿着d轴径向向外的方向，永磁体的厚度递增；和/或，沿着d轴径向向外的方向，永磁体沿q轴方向的长度递增。

优选地，永磁体和狭缝槽相对于d轴或q轴对称；和/或，狭缝槽包括弧形段和平行段，平行段设置在弧形段的两端，弧形段沿径向向外突出，永磁体安装在弧形段内。

优选地，沿着d轴径向向外的方向，永磁体的极弧角递减，极弧角为永磁体的两端边缘与转子铁芯的中心轴线之间的连线所形成的夹角。

优选地，转子铁芯上还设置有独立鼠笼槽。

优选地，在同一极下，沿着转子铁芯的周向方向，独立鼠笼槽与q轴鼠笼槽交替排布；和/或，独立鼠笼槽沿平行于q轴的方向延伸。

优选地，q轴鼠笼槽和独立鼠笼槽相对于q轴对称分布。

优选地，独立鼠笼槽与两侧的q轴鼠笼槽之间的导磁通道的最小宽度之和大于该独立鼠笼槽所在的导磁通道的最小宽度。

优选地，相邻的狭缝槽之间的导磁通道的最小宽度为T23，与q轴相邻的两个q轴鼠笼槽之间的最小宽度为T1，其中T23＞T1。

优选地，d轴鼠笼槽设置在d轴与独立鼠笼槽之间；和/或，d轴鼠笼槽为多个，多个d轴鼠笼槽关于d轴对称分布。

优选地，q轴鼠笼槽沿d轴方向的最小宽度为m1，独立鼠笼槽沿d轴方向的最大宽度为m2，d轴鼠笼槽沿q轴方向的最大宽度为m3，其中m2＜m1，m3＜m1；和/或，d轴鼠笼槽沿q轴方向的最大宽度为m3，相邻的d轴鼠笼槽之间的最小间距为m4，其中m3＜m4。

优选地，独立鼠笼槽的长度大于其自身宽度的2倍。

优选地，q轴鼠笼槽、独立鼠笼槽和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端环，q轴鼠笼槽、d轴鼠笼槽和独立鼠笼槽通过端环进行短路连接，形成鼠笼结构。

优选地，永磁体两端端部位置的狭缝槽的至少一个侧边上设置有对永磁体进行限位的限位凸起。

优选地，转子铁芯的两端设置有不导磁挡板，不导磁挡板能够遮挡永磁体。

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，包括定子和转子组件，该转子组件为上述的转子组件。

优选地，当转子铁芯上设置有q轴鼠笼槽、独立鼠笼槽和d轴鼠笼槽时，q轴鼠笼槽、独立鼠笼槽和d轴鼠笼槽与转子外圆之间的磁桥宽度以及q轴鼠笼槽与狭缝槽之间的磁桥宽度为L，其中0.5σ≤L≤1.5σ，σ为定子和转子铁芯之间的气隙的径向宽度。

本申请提供的转子组件，包括转子铁芯，在转子铁芯的横截面上，转子铁芯上设置有狭缝槽、q轴鼠笼槽、d轴鼠笼槽和永磁体，永磁体设置在狭缝槽内，q轴鼠笼槽设置在狭缝槽的两端，d轴鼠笼槽位于永磁体的径向外侧，d轴鼠笼槽沿平行于d轴的方向延伸或沿转子铁芯的径向延伸，q轴鼠笼槽和d轴鼠笼槽的长度大于其自身宽度的2倍。该转子组件的d轴鼠笼槽沿平行于d轴的方向延伸或沿转子铁芯的径向延伸，能够避免d轴鼠笼槽对永磁体的d轴磁通造成阻碍，因此可以加大永磁转矩，此外，q轴鼠笼槽和d轴鼠笼槽的长度大于其自身宽度的2倍，能够增加鼠笼面积，进而减小转子组件的鼠笼电阻，改善电机起动同步能力。

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局部放大结构示意图；

图3为本申请一个实施例的转子组件的局部放大结构示意图；

图4为本申请一个实施例的转子组件的轴向视图；

图5为本申请一个实施例的转子组件的不导磁挡板的结构示意图；

图6为本申请一个实施例的转子组件的轴向视图；

图7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对比图。

附图标记表示为：

1、转子铁芯；2、狭缝槽；3、永磁体；4、q轴鼠笼槽；5、d轴鼠笼槽；6、独立鼠笼槽；7、轴孔；8、端环；9、限位凸起；10、不导磁挡板；11、铆钉。

具体实施方式

结合参见图1至图7所示，根据本申请的实施例，转子组件包括转子铁芯1，在转子铁芯1的横截面上，转子铁芯1上设置有轴孔7、狭缝槽2、q轴鼠笼槽4、d轴鼠笼槽5和永磁体3，永磁体3设置在狭缝槽2内，q轴鼠笼槽4设置在狭缝槽2的两端，d轴鼠笼槽5位于永磁体3的径向外侧，d轴鼠笼槽沿平行于d轴的方向延伸或沿转子铁芯的径向延伸，q轴鼠笼槽4和d轴鼠笼槽5的长度大于其自身宽度的2倍。

该转子组件的d轴鼠笼槽5沿平行于d轴的方向延伸或沿转子铁芯的径向延伸，能够避免d轴鼠笼槽5对永磁体3的d轴磁通造成阻碍，保证永磁体3的磁通顺利通过d轴进入定子，因此可以提升永磁转矩，提升电机性能。此外，q轴鼠笼槽4和d轴鼠笼槽5的长度大于其自身宽度的2倍，能够增加鼠笼面积，进而减小转子组件的鼠笼电阻，改善电机起动同步能力。

d轴鼠笼槽5为多个，多个d轴鼠笼槽5关于d轴对称分布。

以d轴鼠笼槽5为例，d轴鼠笼槽5沿q轴方向的最大宽度为m3，而d轴鼠笼槽5沿d轴方向的最小长度为m5，m5＞2*m3，从而使得d轴鼠笼槽5的长度与宽度之间的比例能够满足一定的限定，在避免d轴鼠笼槽5的宽度过大影响导磁通道的宽度，进而导致磁场饱和的问题的同时，能够通过增大d轴鼠笼槽5的长度的方式来保证一定的鼠笼槽面积，进而减小转子组件的鼠笼电阻，增加电机起动同步能力。

沿着d轴径向向外的方向，所述永磁体至少布置两层。

永磁体3例如为稀土永磁体。

在一个实施例中，沿着d轴径向向外的方向，永磁体3沿q轴方向的长度递增，永磁体3的极弧角递减，极弧角为永磁体3的两端边缘与转子铁芯1的中心轴线之间的连线所形成的夹角。

该转子组件通过对永磁体3沿d轴方向的长度变化和极弧角变化进行限定，能够对永磁体3的结构进行合理限定，从而能够保证内层永磁体3最大化利用，同时避免发生磁饱和现象，提高电机输出转矩和效率。

沿着d轴径向向外的方向，永磁体3沿q轴方向的长度递增，能够使得外层永磁体3的长度较长，提供足够的永磁体磁通，增加永磁转矩，提高电机效率。在一个实施例中，沿d轴方向布置两层永磁体3，位于内层的永磁体3沿q轴方向的长度为K1，位于外层的永磁体3沿q轴方向的长度为K2，K2＞K1。

沿着d轴径向向外的方向，永磁体3的极弧角逐渐递减，能够使得内层永磁体3的极弧角更大，增加内层磁通道磁通量，同时与外层永磁体串联，向d轴提供部分磁体，使永磁体利用率最大化。在一个实施例中，沿d轴方向布置两层永磁体3，位于内层的永磁体3的极弧角为A1，位于外层的永磁体3的极弧角为A2，A1＞A2。

在一个实施例中，沿着d轴径向向外的方向，永磁体3的厚度递增，可以使得外层永磁体3的厚度大于内层永磁体3的厚度。外层永磁体3更靠近气隙，通过增大外层永磁体3的厚度，可以增大外层永磁体3的抗退磁性能，同时提供更多的永磁体磁通，从而增加电机的转矩输出。在一个实施例中，沿d轴方向布置两层永磁体3，位于内层的永磁体3的厚度为L1，位于外层的永磁体3的极弧角为L2，L2＞L1。

在一个实施例中，永磁体3和狭缝槽2相对于d轴或q轴对称。参见图2所示，在本实施例中，狭缝槽2包括弧形段和平行段，平行段设置在弧形段的两端，弧形段沿径向向外突出，永磁体3安装在弧形段内。

永磁体3为弧形，结构与其所在位置处的狭缝槽2的结构相适配，可以方便进行永磁体3在狭缝槽2内的安装。

在其他的实施例中，狭缝槽2的中间凸出部分也可以为多个直线段组合形成，此种情况下，永磁体3也相应调整为与直线段狭缝槽2相适配的矩形块结构，参见图3所示。在一些实施例中，狭缝槽2可以为多个弧形段或者矩形段组成，整体形状沿径向向外突出。每层永磁体3可以为多段弧形段或者矩形段组合而成，每层永磁体3的整体形状沿径向向外突出。

q轴鼠笼槽4沿平行于q轴的方向延伸，能够减小q轴鼠笼槽4对q轴磁通的影响，增大q轴磁通，提升磁阻转矩。

在一个实施例中，转子铁芯1上还设置有独立鼠笼槽6，在同一极下，沿着转子铁芯1的周向方向，独立鼠笼槽6与q轴鼠笼槽4交替排布。通过增加独立鼠笼槽6，能够增加鼠笼槽的数量，降低转子组件的鼠笼电阻，改善电机的起动能力。

独立鼠笼槽6沿平行于q轴的方向延伸，能够减小独立鼠笼槽6对q轴磁通的影响，增大q轴磁通，提升磁阻转矩。

在一个实施例中，q轴鼠笼槽4和独立鼠笼槽6相对于q轴对称分布，能够优化q轴鼠笼槽4和独立鼠笼槽6在转子铁芯1上的分布结构，进一步提高电机起动能力。

独立鼠笼槽6与两侧的q轴鼠笼槽4之间的导磁通道的最小宽度之和大于该独立鼠笼槽6所在的导磁通道的最小宽度。在一个实施例中，沿d轴方向布置两层永磁体3，位于两层永磁体3之间的独立鼠笼槽6与沿d轴方向位于径向内侧的q轴鼠笼槽4之间的导磁通道的最小宽度为T21，位于两层永磁体3之间的独立鼠笼槽6与沿d轴方向位于径向外侧的q轴鼠笼槽4之间的导磁通道的最小宽度为T22，该独立鼠笼槽6所在的导磁通道的最小宽度为T23，T21+T22＞T23。通过对导磁通道的宽度关系进行限定，能够保证磁通顺利从独立鼠笼槽6两侧的导磁通道通过，避免发生磁饱和现象，提高电机磁阻转矩。

在一个实施例中，沿d轴方向布置两层永磁体3，相邻的狭缝槽2之间的导磁通道的最小宽度为T23，与q轴相邻的两个q轴鼠笼槽4之间的导磁通道的最小宽度为T1，其中T23＞T1，能够使得q轴相邻的两个q轴鼠笼槽4之间的导磁通道的宽度可以尽量变小，而相邻的永磁体3之间的导磁通道的宽度能够尽量加大，从而对导磁通道的宽度进行更加合理的布局，既能够保证永磁体3的磁通能够最大化地通过导磁通道，又能够提高磁通较大位置处的导磁通道的宽度，避免出现磁饱和现象，从而从整体上提高电机的转矩输出和电机效率。

在一个实施例中，d轴鼠笼槽5位于沿d轴方向径向最外侧的永磁体3靠近转子外圆的一侧，且设置在d轴与独立鼠笼槽6之间。

在一个实施例中，q轴鼠笼槽4沿d轴方向的最小宽度为m1，独立鼠笼槽6沿d轴方向的最大宽度为m2，d轴鼠笼槽5沿q轴方向的最大宽度为m3，其中m2＜m1，m3＜m1；d轴鼠笼槽5沿q轴方向的最大宽度为m3，相邻的d轴鼠笼槽5之间的最小间距为m4，其中m3＜m4，从而能够避免独立鼠笼槽6和d轴鼠笼槽5占用过多转子铁芯1的空间，导致磁场饱和的问题。

在一个实施例中，独立鼠笼槽6中的各个鼠笼槽的长度大于其自身宽度的2倍，能够进一步增加鼠笼面积，进而减小转子组件的鼠笼电阻，改善电机起动同步能力。

狭缝槽2与其两端对应的q轴鼠笼槽4组合成形成磁障层，磁障层在转子铁芯1的径向方向上的层数至少设置两层以上。转子铁芯1上形成一定层数磁障，能够保证一定凸极差，增加电机磁阻转矩，提升电机输出能力及效率。从而能够增加电机d、q轴磁通之差，增加磁阻转矩。

q轴鼠笼槽4、独立鼠笼槽6和d轴鼠笼槽5中填充有导电不导磁材料。导电不导磁材料例如为铝或者铝合金。

转子铁芯1的两端设置有端环8，q轴鼠笼槽4、d轴鼠笼槽5和独立鼠笼槽6共同组成沿转子铁芯1的周向排布的鼠笼槽，各个鼠笼槽通过端环8进行短路连接，形成鼠笼结构。端环8的材料与鼠笼槽内的填充材料相同。自行短路的鼠笼结构在电机起动阶段提供异步转矩，以实现电机的自起动。狭缝槽2、鼠笼槽和永磁体3组成的转子多层永磁磁障结构为电机提供永磁转矩和磁阻转矩，以实现电机的同步运行。

在一个实施例中，永磁体3两端端部位置的狭缝槽2的至少一个侧边上设置有对永磁体3进行限位的限位凸起9，限位凸起9朝向对侧的侧边凸出，能够从永磁体3的两端对永磁体3进行限位，防止永磁体3滑动，提高永磁体3安装位置的稳定性和可靠性。

转子铁芯1的两端设置有不导磁挡板10，不导磁挡板10能够遮挡永磁体3，但是不遮挡所有的狭缝槽2。不导磁挡板10能够对永磁体3沿转子铁芯1的轴向方向的两端形成固定，而狭缝槽2的未被遮挡的部分能够在转子铁芯1的轴向方向形成通孔，有助于空气或冷媒流动，改善转子散热，提升电机效率。

转子铁芯1上还设有铆钉孔，转子组件通过铆钉11将转子铁芯1两端的不导磁挡板10沿轴向压紧，从而组成转子组件。不导磁挡板10能够对永磁体3起到轴向固定作用，防止永磁体3掉出。

结合参见图7所示，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对比图，从图中可以看出，在相同负载及惯量下，相关技术的电机在接近同步速度时牵入转矩不足，转速无法牵入同步速度，而本申请实施例的电机则能够顺利牵入同步速度。

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

在一个实施例中，当转子铁芯1上设置有q轴鼠笼槽4、独立鼠笼槽6和d轴鼠笼槽5时，q轴鼠笼槽4、独立鼠笼槽6和d轴鼠笼槽5与转子外圆之间的磁桥宽度以及q轴鼠笼槽4和狭缝槽2之间的磁桥宽度为L，其中0.5σ≤L≤1.5σ，σ为定子和转子铁芯1之间的气隙的径向宽度。通过对磁桥宽度与气隙宽度之间的关系进行限定，既能够避免磁桥的宽度过小，从而提高转子组件的机械强度，又能够避免磁桥的宽度过大，从而减小漏磁。

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 (18)

1.一种转子组件，其特征在于，包括转子铁芯(1)，在所述转子铁芯(1)的横截面上，所述转子铁芯(1)上设置有狭缝槽(2)、q轴鼠笼槽(4)、d轴鼠笼槽(5)和永磁体(3)，所述永磁体(3)设置在所述狭缝槽(2)内，所述q轴鼠笼槽(4)设置在所述狭缝槽(2)的两端，所述d轴鼠笼槽(5)位于所述永磁体(3)的径向外侧，所述d轴鼠笼槽沿平行于d轴的方向延伸或沿所述转子铁芯的径向延伸，所述q轴鼠笼槽(4)和所述d轴鼠笼槽(5)的长度大于其自身宽度的2倍，所述转子铁芯(1)上还设置有独立鼠笼槽(6)。

2.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，沿着d轴径向向外的方向，所述永磁体至少布置两层。

3.根据权利要求2所述的转子组件，其特征在于，沿着d轴径向向外的方向，所述永磁体(3)的厚度递增；和/或，沿着d轴径向向外的方向，所述永磁体(3)沿q轴方向的长度递增。

4.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，所述永磁体(3)和所述狭缝槽(2)相对于d轴或q轴对称；和/或，所述狭缝槽(2)包括弧形段和平行段，所述平行段设置在所述弧形段的两端，所述弧形段沿径向向外突出，所述永磁体(3)安装在所述弧形段内。

5.根据权利要求2所述的转子组件，其特征在于，沿着d轴径向向外的方向，所述永磁体(3)的极弧角递减，所述极弧角为所述永磁体(3)的两端边缘与所述转子铁芯(1)的中心轴线之间的连线所形成的夹角。

6.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，在同一极下，沿着所述转子铁芯(1)的周向方向，所述独立鼠笼槽(6)与所述q轴鼠笼槽(4)交替排布；和/或，所述独立鼠笼槽(6)沿平行于q轴的方向延伸。

7.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)和所述独立鼠笼槽(6)相对于q轴对称分布。

8.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，所述独立鼠笼槽(6)与两侧的所述q轴鼠笼槽(4)之间的导磁通道的最小宽度之和大于该独立鼠笼槽(6)所在的导磁通道的最小宽度。

9.根据权利要求2所述的转子组件，其特征在于，相邻的所述狭缝槽(2)之间的导磁通道的最小宽度为T23，与q轴相邻的两个所述q轴鼠笼槽(4)之间的最小宽度为T1，其中T23＞T1。

10.根据权利要求1至8中任一项所述的转子组件，其特征在于，所述d轴鼠笼槽(5)设置在d轴与所述独立鼠笼槽(6)之间；和/或，所述d轴鼠笼槽(5)为多个，多个所述d轴鼠笼槽(5)关于d轴对称分布。

11.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d轴方向的最小宽度为m1，所述独立鼠笼槽(6)沿d轴方向的最大宽度为m2，所述d轴鼠笼槽(5)沿q轴方向的最大宽度为m3，其中m2＜m1，m3＜m1；和/或，所述d轴鼠笼槽(5)沿q轴方向的最大宽度为m3，相邻的所述d轴鼠笼槽(5)之间的最小间距为m4，其中m3＜m4。

12.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，所述独立鼠笼槽(6)的长度大于其自身宽度的2倍。

13.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)、所述独立鼠笼槽(6)和所述d轴鼠笼槽(5)中填充有导电不导磁材料。

14.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，所述转子铁芯(1)的两端设置有端环(8)，所述q轴鼠笼槽(4)、所述d轴鼠笼槽(5)和所述独立鼠笼槽(6)通过所述端环(8)进行短路连接，形成鼠笼结构。

15.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，所述永磁体(3)两端端部位置的所述狭缝槽(2)的至少一个侧边上设置有对所述永磁体(3)进行限位的限位凸起(9)。

16.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，所述转子铁芯(1)的两端设置有不导磁挡板(10)，所述不导磁挡板(10)能够遮挡所述永磁体(3)。

17.一种自起动永磁同步磁阻电机，包括定子和转子组件，其特征在于，所述转子组件为权利要求1至16中任一项所述的转子组件。

18.根据权利要求17所述的自起动永磁同步磁阻电机，其特征在于，当所述转子铁芯(1)上设置有q轴鼠笼槽(4)、独立鼠笼槽(6)和d轴鼠笼槽(5)时，所述q轴鼠笼槽(4)、所述独立鼠笼槽(6)和所述d轴鼠笼槽(5)与转子外圆之间的磁桥宽度以及所述q轴鼠笼槽(4)和所述狭缝槽(2)之间的磁桥宽度为L，其中0.5σ≤L≤1.5σ，σ为所述定子和所述转子铁芯(1)之间的气隙的径向宽度。

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