CN112968545B - 转子组件和自起动永磁同步磁阻电机 - Google Patents
转子组件和自起动永磁同步磁阻电机 Download PDFInfo
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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)，转子铁芯(1)的横截面上设置有轴孔(6)、安装槽、第一填充槽(2)和错位填充槽(3)，安装槽内设置有永磁体(5)，永磁体(5)沿d轴方向至少布置有两层，沿d轴方向位于径向最内侧的永磁体(5)延伸至转子铁芯(1)的转子外圆，第一填充槽(2)设置在沿d轴方向位于径向最外侧的永磁体(5)的两端，错位填充槽(3)设置在相邻的永磁体(5)之间的导磁通道两端，且位于第一填充槽(2)与永磁体(5)之间。根据本申请的转子组件，能够合理分配填充槽和永磁体的结构，增大永磁体的放置空间，提高电机永磁转矩和效率。
Description
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
自起动永磁辅助同步磁阻电机在永磁辅助同步磁阻电机的基础上，结合了异步电机的优点，通过转子导条产生的异步转矩实现自起动，通过永磁转矩和磁阻转矩实现恒速运行。与异步电机相比，电机可恒速运行且转子损耗低，效率高；与异步起动永磁同步电机相比，永磁体用量少，电机成本低。
但自起动永磁辅助同步磁阻电机的转子中同时设置填充槽和永磁体，两者面积相互制约，限制了电机永磁转矩和效率的提升。
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，能够合理分配填充槽和永磁体的结构，增大永磁体的放置空间，提高电机永磁转矩和效率。
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，转子铁芯的横截面上设置有轴孔、安装槽、第一填充槽和错位填充槽，安装槽内设置有永磁体，永磁体沿d轴方向至少布置有两层，沿d轴方向位于径向最内侧的永磁体延伸至转子铁芯的转子外圆，第一填充槽设置在沿d轴方向位于径向最外侧的永磁体的两端，错位填充槽设置在相邻的永磁体之间的导磁通道两端，且位于第一填充槽与永磁体之间。
优选地，错位填充槽在其所在的导磁通道内的位置偏向于形成该导磁通道并沿d轴方向位于径向外侧的永磁体。
优选地，错位填充槽沿d轴方向的最大宽度为L3，错位填充槽所在端部的导磁通道沿d轴方向的最小宽度为L2，其中0.2L2≤L3≤0.35L2。
优选地，错位填充槽的面积为S1，第一填充槽的面积为S2，其中S1≥40％S2。
优选地，位于同一层的永磁体填满安装槽，永磁体和第一填充槽之间通过磁桥间隔。
优选地，第一填充槽沿周向方向的最大宽度为L4，与第一填充槽位于同一层的永磁体沿充磁方向的最小厚度为h1，h1≤L4≤1.1h1。
优选地，转子铁芯上还设置有第二填充槽，第二填充槽位于最外侧永磁体的径向外侧，最外侧永磁体为沿d轴方向位于径向最外侧的永磁体，第二填充槽设置在d轴上。
优选地，第二填充槽沿周向方向的两端最外缘与转子铁芯的中心轴线的连线之间形成夹角α3，20°≤α3≤60°。
优选地，单个第二填充槽的面积S3为单个第一填充槽的最大面积的两倍以上。
优选地，永磁体关于d轴对称布置。
优选地，永磁体的两端与转子铁芯的中心轴线的连线之间的夹角为极弧角，沿d轴径向向外的方向，永磁体的极弧角变小。
优选地，沿d轴方向，永磁体沿充磁方向的最小厚度递增。
优选地，相邻层的永磁体之间的最小间距为h3，1.2min(h1，h2)≤h3≤2.5min(h1，h2)，其中h1为相邻的两个永磁体中沿d轴方向位于径向外侧的永磁体沿充磁方向的最小厚度，h2为相邻的两个永磁体中沿d轴方向位于径向外侧的永磁体沿充磁方向的最小厚度，min(h1，h2)表示h1和h2中较小的值。
优选地，轴孔为圆形或正方形；和/或，永磁体为矩形或弧形；和/或，永磁体为整体式结构或分块式结构。
优选地，永磁体为铁氧体。
优选地，转子铁芯的两端设置有端环，错位填充槽、第一填充槽和第二填充槽内填充有导电不导磁材料，错位填充槽、第一填充槽和第二填充槽通过转子铁芯两端的端环连接，形成鼠笼结构。
优选地，错位填充槽的形状为矩形、梯形、圆形或椭圆形。
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，包括定子和转子组件，该转子组件为上述的转子组件。
优选地，转子组件包括磁桥时，磁桥的宽度L1满足0.8σ≤L1≤2σ，其中σ为定子和转子组件之间的气隙的径向宽度；和/或，沿d轴方向远离转子铁芯的转子外圆的最内层永磁体与轴孔的外圆最小距离为h4，4σ≤h4≤10σ，其中σ为定子和转子组件之间的气隙的径向宽度；和/或，转子铁芯包括错位填充槽、第一填充槽和第二填充槽时，错位填充槽、第一填充槽和第二填充槽与转子铁芯的转子外圆之间的最小距离为L1，L1≥σ，其中σ为定子和转子组件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，转子铁芯的横截面上设置有轴孔、安装槽、第一填充槽和错位填充槽，安装槽内设置有永磁体，永磁体沿d轴方向至少布置有两层，沿d轴方向位于径向最内侧的永磁体延伸至转子铁芯的转子外圆，沿d轴方向位于径向最外侧的永磁体的两端设置有第一填充槽，错位填充槽设置在相邻的永磁体之间的导磁通道两端，且位于第一填充槽与永磁体之间该转子组件将错位填充槽与永磁体错位设置，能够将与内层永磁体同层布置的填充槽移至两层永磁体之间，避免错位填充槽设置在永磁体的两端对永磁体的设置面积造成影响，同时错位填充槽设置在导磁通道的两端，能够充分利用导磁通道内空间，不会占用永磁体的径向尺寸，因此能够增大永磁体的放置空间，增大永磁体的径向宽度，沿d轴方向位于径向最内侧的永磁体延伸至转子铁芯的转子外圆能够增大永磁体的极弧角，增大永磁体的用量，提升电机的永磁转矩，提升电机效率。
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示意图；
图3为本申请实施例的电机与相关技术中的电机的转矩对比图；
图4为本申请实施例的电机与相关技术中的电机的永磁体磁密对比图。
附图标记表示为：
1、转子铁芯；2、第一填充槽；3、错位填充槽；4、第二填充槽；5、永磁体；6、轴孔。
具体实施方式
结合参见图1至图4所示，根据本申请的实施例，转子组件包括转子铁芯1，转子铁芯1的横截面上设置有轴孔6、安装槽、第一填充槽2和错位填充槽3，安装槽内设置有永磁体5，永磁体5沿d轴方向至少布置有两层，沿d轴方向位于径向最内侧的永磁体5延伸至转子铁芯1的转子外圆，第一填充槽2设置在沿d轴方向位于径向最外侧的永磁体5的两端，错位填充槽3设置在相邻的永磁体5之间的导磁通道两端，且位于第一填充槽2与永磁体5之间。
该转子组件将错位填充槽3与永磁体5错位设置，能够将与内层永磁体5同层布置的填充槽移至两层永磁体5之间，避免错位填充槽3设置在永磁体5的两端对永磁体5的设置面积造成影响，同时错位填充槽3设置在导磁通道的两端，能够充分利用导磁通道内空间，不会占用永磁体5的径向尺寸，因此能够增大永磁体5的放置空间，增大永磁体5的径向宽度，沿d轴方向位于径向最内侧的永磁体5延伸至转子铁芯1的转子外圆能够增大永磁体5的极弧角，增大永磁体5的用量，提升电机的永磁转矩，提升电机出力及效率。
沿d轴方向位于径向最内侧的永磁体5沿着q轴方向延伸至转子铁芯1的转子外圆处，并与转子外圆之间形成具有一定厚度的磁桥，能够最大化永磁体5的径向宽度，使得永磁体5的面积能够最大化，进而利用永磁体5的面积的增加来提升电机的永磁转矩，提升电机效率。
错位填充槽3为转子铁芯1上的所有填充槽中最靠近q轴放置的填充槽，错位填充槽3在其所在的导磁通道内的位置偏向于形成该导磁通道并沿d轴方向位于径向外侧的永磁体5。这样设置的目的是保证靠近径向最内侧永磁体侧的导磁通道的顺畅，使磁力线能够顺利进入气隙。
错位填充槽3沿d轴方向的最大宽度为L3，错位填充槽3所在端部的导磁通道沿d轴方向的最小宽度为L2，其中0.2L2≤L3≤0.35L2。限制错位填充槽3的最大宽度，可以保证永磁体层之间具有一定宽度的导磁通道，使得转子磁力线能够顺畅进入气隙，增大电机的出力。
错位填充槽3的面积为S1，第一填充槽2的面积为S2，其中S1≥40％S2，能够保证错位填充槽3的面积，可以使电机具有一定的带载起动能力。
位于同一层的永磁体5填满安装槽，永磁体5和第一填充槽2之间通过磁桥间隔，使得第一填充槽2与所述永磁体5之间不设隔磁槽。本实施例中，永磁体5填充至安装槽靠近第一填充槽2一侧的侧边，且在安装槽的两端不设置隔磁槽，从而使得永磁体5填满安装槽，第一填充槽2向着安装槽延伸，使得第一填充槽2与永磁体5之间相邻设置，中间不设置隔磁槽，只保留一定宽度的磁桥，利用磁桥来增加转子组件的机械强度。
第一填充槽2产生的鼠笼异步磁场对电枢绕组的退磁磁场有屏蔽作用，即鼠笼磁场对永磁体5有保护作用。在沿d轴方向位于径向最外侧的第一填充槽2与永磁体5之间不设隔磁槽，可以减少对鼠笼异步磁场的阻碍作用，使得鼠笼磁场能够直接作用于最外层永磁体5上，提升最外层永磁体5的抗退磁能力。
第一填充槽2沿周向方向的最大宽度为L4，与第一填充槽2位于同一层的永磁体5沿充磁方向的最小厚度为h1，h1≤L4≤1.1h1，能够限制第一填充槽2的最大宽度，一方面，不会因第一填充槽2的宽度过小而使永磁体5的边缘部分直接承受电枢磁场的退磁作用而发生局部退磁，另一方面，不会因永磁体5的宽度过大而导致导磁通道过窄，进而导致电机效率下降。
转子铁芯1上还设置有第二填充槽4，第二填充槽4位于最外侧永磁体5的径向外侧，最外侧永磁体5为沿d轴方向位于径向最外侧的永磁体5，第二填充槽4设置在d轴上。在本实施例中，第二填充槽4没有与其配合的永磁体，是单独存在作为鼠笼槽使用，因此也可以称为独立填充槽。独立填充槽为最靠近转子外圆的永磁磁障层。通过设置该独立填充槽，一方面可以增大电机鼠笼槽的面积，提升电机的起动能力，另一方面，独立填充槽位于d轴方向上靠近转子外圆的位置，可以削弱电枢绕组的退磁磁场，提升最外层永磁体5的抗退磁能力。
第二填充槽4沿周向方向的两端最外缘与转子铁芯1的中心轴线的连线之间形成夹角α3，20°≤α3≤60°。
单个第二填充槽4的面积S3为单个第一填充槽2的最大面积的两倍以上。
如此设置，可以使得第二填充槽4沿转子铁芯1的周向延伸形成弧形磁障，既可当做磁障层，增大电机的磁阻转矩，又可当做起动鼠笼，用于改善电机起动性能。第二填充槽4可以为一个整块结构，也可以为多块分块结构。
在本实施例中，错位填充槽3、第一填充槽2、第二填充槽4和永磁体共同组成了转子组件的多层永磁磁障层结构。
永磁体5为铁氧体，铁氧体具有成本低、无高温退磁风险的优点。
永磁体5关于d轴对称布置，永磁体5沿d轴方向布置有两层或两层以上，从而形成具有多层永磁磁障层结构的电机，可以同时利用永磁转矩和磁阻转矩来增大电机出力，提升电机效率。
为增大转子空间的利用率，永磁体形状不限于弧形或矩形，永磁体布置方式不限于同层整块布置或同层分块布置。
在一个实施例中，永磁体5的两端与转子铁芯1的中心轴线的连线之间的夹角为极弧角，沿d轴径向向外的方向，永磁体5的极弧角变小。以两层永磁体5为例，沿d轴方向，位于径向外侧的永磁体5的极弧角为α1，位于径向内侧的永磁体5的极弧角为α2，α1＜α2，从而使得多层永磁体5的磁力线能够串联之后进入气隙，提升永磁体5的利用率。
在一个实施例中，沿d轴方向，永磁体5沿充磁方向的最小厚度递增。以两层永磁体5为例，沿d轴方向，位于径向最外侧的永磁体5沿充磁方向的最小厚度为h1，沿d轴方向位于径向最内侧的永磁体5沿充磁方向的最小厚度为h2，其中h1＞h2。最外层永磁体5直接承受电枢绕组的退磁磁场作用，外层永磁体5的厚度较大，目的是使内外层永磁体5的退磁一致性较好。
在一个实施例中，相邻层的永磁体5之间的最小间距为h3，1.2min(h1，h2)≤h3≤2.5min(h1，h2)，其中h1为相邻的两个永磁体5中沿d轴方向位于径向外侧的永磁体5沿充磁方向的最小厚度，h2为相邻的两个永磁体5中沿d轴方向位于径向内侧的永磁体5沿充磁方向的最小厚度，min(h1，h2)表示h1和h2中较小的值，这样设置可以降低转子加工难度，同时保证转子磁密分布的均匀度和不饱和度。
轴孔6为圆形或正方形。轴孔6也可以为圆弧和直线组合形成的类圆形或者类正方形，这样设置可以增大转子空间，方便永磁体5的布置。
永磁体5可以为整体式结构或分块式结构。在一个实施例中，当同一层的永磁体5为沿d轴径向向内凸出的弧形结构时，永磁体5为整体式弧形结构。
在一个实施例中，当同一层的永磁体5为多个矩形块的组合时，永磁体5包括多个矩形分块结构，多个矩形分块结构组合在一起，形成向内凸出的永磁体结构。
错位填充槽3的形状例如为矩形、梯形、圆形或椭圆形。
转子铁芯1的两端设置有端环，错位填充槽3、第一填充槽2和第二填充槽4内填充有导电不导磁材料，导电不导磁材料例如为铝或铝合金。错位填充槽3、第一填充槽2和第二填充槽4通过转子铁芯1两端的端环自行短路连接，形成鼠笼结构，端环材料与鼠笼槽内的填充材料相同。在电机起动过程中，自行短路的鼠笼结构为电机提供异步转矩，以实现电机的自起动。
在本实施例中，两端未设置填充槽的永磁体5自身可以形成一层永磁磁障结构，两端设置有第一填充槽2的永磁体5及其两端的第一填充槽2可以共同组成一层永磁磁障结构，独立填充槽能够单独形成一层永磁磁障结构，从而使得转子铁芯上能够形成多层永磁磁障结构，为电机提供永磁转矩和磁阻转矩，以实现电机的同步运行。
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。
转子组件包括磁桥时，磁桥的宽度L1满足0.8σ≤L1≤2σ，其中σ为定子和转子组件之间的气隙的径向宽度。这样设置的目的是保证转子部分结构的机械强度，减小第一填充槽2和永磁体5之间的漏磁。第一填充槽2与其相邻的永磁体5共同组成了转子的永磁磁障层。
远离转子铁芯1的转子外圆的最内层永磁体5与轴孔6的外圆最小距离为h4，4σ≤h4≤10σ，其中σ为定子和转子组件之间的气隙的径向宽度，从而能够在使得最内层永磁体5与轴孔6的外圆之间具有足够的厚度，保证转子组件的机械强度。
转子铁芯1包括错位填充槽3、第一填充槽2和第二填充槽4时，错位填充槽3、第一填充槽2和第二填充槽4统称为鼠笼槽，各个鼠笼槽与转子铁芯1的转子外圆之间的最小距离为L1，L1≥σ，其中σ为定子和转子组件之间的气隙的径向宽度，从而能够在保证转子组件的机械强度的条件下，减小电机漏磁，提升电机效率。
结合参见图3所示，采用本申请实施例的转子组件的电机，其输出转矩相比于相关技术的电机输出转矩提升达到10％。
结合参见图4所示，采用本申请实施例的转子组件的电机，其永磁体磁密相比于相关技术的电机的永磁体磁密也具有明显提升。
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)，所述转子铁芯(1)的横截面上设置有轴孔(6)、安装槽、第一填充槽(2)和错位填充槽(3)，所述安装槽内设置有永磁体(5)，所述永磁体(5)沿d轴方向至少布置有两层，沿d轴方向位于径向最内侧的所述永磁体(5)延伸至所述转子铁芯(1)的转子外圆，所述第一填充槽(2)设置在沿d轴方向位于径向最外侧的所述永磁体(5)的两端，所述错位填充槽(3)设置在相邻的所述永磁体(5)之间的导磁通道两端，且位于所述第一填充槽(2)与所述永磁体(5)之间；所述错位填充槽(3)在其所在的导磁通道内的位置偏向于形成该导磁通道并沿d轴方向位于径向外侧的所述永磁体(5)。
2.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，所述错位填充槽(3)沿d轴方向的最大宽度为L3，所述错位填充槽(3)所在端部的导磁通道沿d轴方向的最小宽度为L2，其中0.2L2≤L3≤0.35L2。
3.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，所述错位填充槽(3)的面积为S1，所述第一填充槽(2)的面积为S2，其中S1≥40％S2。
4.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，位于同一层的所述永磁体(5)填满所述安装槽，所述永磁体(5)和所述第一填充槽(2)之间通过磁桥间隔。
5.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，所述第一填充槽(2)沿周向方向的最大宽度为L4，与所述第一填充槽(2)位于同一层的所述永磁体(5)沿充磁方向的最小厚度为h1，h1≤L4≤1.1h1。
6.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)上还设置有第二填充槽(4)，所述第二填充槽(4)位于最外侧永磁体(5)的径向外侧，所述最外侧永磁体(5)为沿d轴方向位于径向最外侧的永磁体(5)，所述第二填充槽(4)设置在d轴上。
7.根据权利要求6所述的转子组件，其特征在于，所述第二填充槽(4)沿周向方向的两端最外缘与所述转子铁芯(1)的中心轴线的连线之间形成夹角α3，20°≤α3≤60°。
8.根据权利要求6所述的转子组件，其特征在于，单个所述第二填充槽(4)的面积S3为单个所述第一填充槽(2)的最大面积的两倍以上。
9.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，所述永磁体(5)关于d轴对称布置。
10.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，所述永磁体(5)的两端与转子铁芯(1)的中心轴线的连线之间的夹角为极弧角，沿d轴径向向外的方向，所述永磁体(5)的极弧角变小。
11.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，沿d轴方向，所述永磁体(5)沿充磁方向的最小厚度递增。
12.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，相邻层的所述永磁体(5)之间的最小间距为h3，1.2min(h1，h2)≤h3≤2.5min(h1，h2)，其中h1为相邻的两个所述永磁体(5)中沿d轴方向位于径向外侧的所述永磁体(5)沿充磁方向的最小厚度，h2为相邻的两个所述永磁体(5)中沿d轴方向位于径向内侧的所述永磁体(5)沿充磁方向的最小厚度，min(h1，h2)表示h1和h2中较小的值。
13.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，所述轴孔(6)为圆形或正方形；和/或，所述永磁体(5)为矩形或弧形；和/或，所述永磁体(5)为整体式结构或分块式结构。
14.根据权利要求9至13中任一项所述的转子组件，其特征在于，所述永磁体(5)为铁氧体。
15.根据权利要求6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，所述错位填充槽(3)、所述第一填充槽(2)和所述第二填充槽(4)内填充有导电不导磁材料，所述错位填充槽(3)、所述第一填充槽(2)和所述第二填充槽(4)通过所述转子铁芯(1)两端的所述端环连接，形成鼠笼结构。
16.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，所述错位填充槽(3)的形状为矩形、梯形、圆形或椭圆形。
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，所述转子组件包括磁桥时，所述磁桥的宽度L1满足0.8σ≤L1≤2σ，其中σ为定子和转子组件之间的气隙的径向宽度；和/或，沿d轴方向远离所述转子铁芯(1)的转子外圆的最内层所述永磁体(5)与所述轴孔(6)的外圆最小距离为h4，4σ≤h4≤10σ，其中σ为定子和转子组件之间的气隙的径向宽度；和/或，所述转子铁芯(1)包括错位填充槽(3)、第一填充槽(2)和第二填充槽(4)时，所述错位填充槽(3)、第一填充槽(2)和第二填充槽(4)与所述转子铁芯(1)的转子外圆之间的最小距离为L1，L1≥σ，其中σ为定子和转子组件之间的气隙的径向宽度。
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