CN112968547B - 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)设置有安装槽(2)、磁障槽(4)和多个鼠笼槽(5)，鼠笼槽(5)分布于转子铁芯(1)的外周，安装槽(2)内安装有永磁体(3)，磁障槽(4)包括外层磁障槽(42)，外层磁障槽(42)位于最外层安装槽(2)的径向外侧，外层磁障槽(42)为至少两层，每层外层磁障槽(42)上设置有至少两个第二磁桥(61)。根据本申请的转子组件，能够同时增加电机磁阻转矩和永磁转矩，提升电机性能和效率。

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。

传统的永磁电机及自起动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，然而该专利中磁通集中沿q轴方向行进，降低了d轴方向磁通，使得永磁转矩减小，电机性能降低。

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，能够同时增加电机磁阻转矩和永磁转矩，有效阻止定子退磁磁场，改善永磁体抗退磁能力，提升电机性能和效率。

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，在转子铁芯的横截面上，转子铁芯设置有安装槽、磁障槽和多个鼠笼槽，鼠笼槽分布于转子铁芯的外周，安装槽内安装有永磁体，磁障槽包括外层磁障槽，外层磁障槽位于最外层安装槽的径向外侧，外层磁障槽为至少两层，每层外层磁障槽上设置有至少两个第二磁桥。

优选地，安装槽沿转子铁芯的径向至少布置两层，磁障槽包括还内层磁障槽，内层磁障槽位于最外层安装槽的径向内侧，同一极下，相邻的安装槽之间至少存在一层内层磁障槽，内层磁障槽上设置有至少两个第一磁桥。

优选地，内层磁障槽包括沿径向向外凸出的弧形段以及位于弧形段两端的直线段，直线段的延伸方向平行于q轴。

优选地，沿径向位于最内层的内层磁障槽在d轴方向的宽度为L3，沿径向位于最内层的永磁体在d轴方向上的宽度为L1，L3＜L1。

优选地，沿径向由内而外的方向，外层磁障槽的第二磁桥的宽度递减；和/或，沿径向由内而外的方向，外层磁障槽的第二磁桥与d轴之间的间距递减。

优选地，第二磁桥的宽度小于与该第二磁桥所在的磁障槽相邻且位于内侧的导磁通道的最小宽度的一半。

优选地，各外层磁障槽沿d轴方向的宽度均小于沿径向位于最内层的永磁体在d轴方向上的宽度。

优选地，鼠笼槽包括q轴鼠笼槽，q轴鼠笼槽分别设置在安装槽以及磁障槽的两端。

优选地，q轴鼠笼槽的延伸方向平行于q轴，q轴鼠笼槽相对于d轴或q轴对称分布。

优选地，鼠笼槽还包括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，并相对于d轴或q轴对称分布。

优选地，安装槽包括径向向外凸出的弧形段和设置在弧形段两端的直线段，直线段的延伸方向平行于q轴。

优选地，沿径向位于最外层的永磁体的厚度为L2，沿径向位于最内层的永磁体的厚度为L1，L1＜L2。

优选地，沿径向位于最外层的永磁体沿q轴方向的长度为K2，沿径向位于最内层的永磁体沿q轴方向的长度为K1，K1＜K2。

优选地，永磁体和安装槽相对于d轴或q轴对称分布。

优选地，鼠笼槽和外层磁障槽的总面积为S1，鼠笼槽、磁障槽和安装槽的总面积为S，S1≥30％S。

优选地，鼠笼槽和外层磁障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，鼠笼槽和外层磁障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安装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；或，安装槽内填注有注塑体。

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，鼠笼槽和安装槽之间、鼠笼槽和转子铁芯的转子外圆之间以及磁障槽和鼠笼槽之间的分割筋宽度为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，转子铁芯设置有安装槽、磁障槽和多个鼠笼槽，鼠笼槽分布于转子铁芯的外周，安装槽内安装有永磁体，磁障槽包括外层磁障槽，外层磁障槽位于最外层安装槽的径向外侧，外层磁障槽为至少两层，每层外层磁障槽上设置有至少两个第二磁桥。本实施例的转子组件，在位于最外层安装槽的径向外侧设置至少两层外层磁障层，且每层磁障层上设置有至少两个第二磁桥，能够利用外层磁障槽有效增加d轴磁阻，增加凸极差，同时可以利用第二磁桥使部分永磁体磁链往外流动，提供永磁磁链，增强永磁转矩，还可以使得部分永磁体磁链作为q轴磁链，可在上下层导磁通道自由流通，增加磁阻转矩，此外，外层磁障层的设置还能够对永磁体形成保护，有效阻止定子退磁磁场，提高永磁体的抗退磁能力，进而可以提升电机性能和效率。

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轴向视图。

附图标记表示为：

1、转子铁芯；2、安装槽；21、弧形段；22、直线段；3、永磁体；4、磁障槽；41、内层磁障槽；41、外层磁障槽；5、鼠笼槽；51、q轴鼠笼槽；52、d轴鼠笼槽；6、第一磁桥；61、第二磁桥；7、分割筋；8、轴孔；9、端环；10、限位凸起。

具体实施方式

结合参见图1至图3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设置有轴孔8、安装槽2、磁障槽4和多个鼠笼槽5，鼠笼槽5分布于转子铁芯1的外周，安装槽2内安装有永磁体3，磁障槽4包括外层磁障槽42，外层磁障槽42位于最外层安装槽2的径向外侧，外层磁障槽42为至少两层，每层外层磁障槽42上设置有至少两个第二磁桥61。

本实施例的转子组件，在位于最外层安装槽2的径向外侧设置至少两层外层磁障层42，且每层外层磁障层42上设置有至少两个第二磁桥61，能够利用外层磁障槽42有效增加d轴磁阻，增加凸极差，同时可以利用第二磁桥61使部分永磁体3的磁链往外流动，提供永磁磁链，增强永磁转矩，还可以使得部分永磁体磁链作为q轴磁链，可在上下层导磁通道自由流通，增加磁阻转矩，此外，外层磁障层42的设置还能够对永磁体3形成保护，有效阻止定子退磁磁场，提高永磁体3的抗退磁能力，进而可以提升电机性能和效率。

在本实施例中，每层外层磁障槽42上分别设置有两个第二磁桥61，两个第二磁桥61关于d轴对称。

磁障槽4还包括内层磁障槽41，内层磁障槽41位于最外层安装槽2的径向内侧，同一极下，相邻的安装槽2之间至少存在一层内层磁障槽41，内层磁障槽41上设置有至少两个第一磁桥6，第一磁桥6的宽度为C1，第一磁桥6所在的内层磁障槽41与径向内侧的相邻安装槽2之间的导磁通道的最小宽度为C4，C1＜0.5*C4。

本实施例的转子组件，在相邻的安装槽2之间增加内层磁障槽41，并在安装槽2内安装永磁体3，能够利用内层磁障槽41形成中间磁障层，增加d轴磁阻，增加凸极差，通过设置永磁体3，能够利用永磁体3提供更多的q轴磁链，增加磁阻转矩，在中间磁障层上设置第一磁桥6，能够使得部分永磁体3的磁链向外流动，通过第一磁桥6进入外层永磁体3，提供d轴永磁磁链，增强永磁转矩，还可以使得部分永磁体3磁通作为q轴磁链在相邻的导磁通道自由流通，实现磁通的合理分配，避免磁通饱和，增加磁阻转矩，因此能够同时增加电机磁阻转矩和永磁转矩，提升电机性能和效率。

在本实施例中，内层磁障槽41为一层，该内层磁障槽41上的第一磁桥6为两个，且关于d轴对称，两个第一磁桥6将内层磁障槽41分隔为三段，使得内层磁障槽41并非是连贯的整体式结构，从而为磁通通过内层磁障槽41达到径向外侧的导磁通道提供路径，方便永磁体提供d轴永磁磁链。第一磁桥6关于d轴对称，能够保证d轴两侧的第一磁桥6的结构相同，可以有基本相同的磁通通过第一磁桥6流通，进而保证电机性能的稳定性和可靠性。

上述的永磁体例如为稀土永磁体。

内层磁障槽41包括沿径向向外凸出的弧形段21以及位于弧形段21两端的直线段22，直线段22的延伸方向平行于q轴。

沿径向位于最内层的内层磁障槽41在d轴方向的宽度为L3，沿径向位于最内层的永磁体3在d轴方向上的宽度为L1，L3＜L1，能够对沿径向位于最内层的内层磁障槽41在d轴方向的宽度进行限定，设置较小的磁障层，从而保证较大的导磁通道，使得导磁通道的空间变大，导磁通道饱和度降低。

磁障槽4包括外层磁障槽42，外层磁障槽42位于最外层安装槽2的径向外侧，外层磁障槽42为至少两层，每层外层磁障槽42上设置有至少两个第二磁桥61。外层磁障槽42能够对位于径向最外层的永磁体3的磁通走向进行规划，增加d轴磁阻，增加凸极差，增加磁阻转矩，提高电机输出转矩。在本实施例中，每层外层磁障槽42上分别设置有两个第二磁桥61，两个第二磁桥61关于d轴对称。

沿径向由内而外的方向，外层磁障槽42的第二磁桥61的宽度递减；和/或，沿径向由内而外的方向，外层磁障槽42的第二磁桥61与d轴之间的间距递减。

在本实施例中，外层磁障槽42为两层，每层外层磁障槽42上分别设置有两个第二磁桥61，其中位于径向内侧的内层第二磁桥61的宽度为C2，位于径向外侧的外层第二磁桥61的宽度为C3，C2＞C3，位于径向内侧的第二磁桥61与d轴之间的最小间距为D1，位于径向外侧的第二磁桥61与d轴之间的最小间距为D2，D1＞D2。部分永磁体磁通通过第二磁桥61往d轴流动，增加永磁体d轴磁通，第二磁桥61逐渐变小，磁阻变大，使得少部分磁通在外层磁障槽之间沿q轴流通，增加q轴磁通。

第二磁桥61的宽度小于与该第二磁桥61所在的磁障槽4相邻且位于内侧的导磁通道的最小宽度的一半。以外层磁障槽42为两层，每层外层磁障槽42上分别设置有两个第二磁桥61为例，位于内层第二磁桥61径向内侧且与内层第二磁桥61相邻的导磁通道宽度为C5，位于外层第二磁桥61径向内侧且与外层第二磁桥61相邻的导磁通道宽度为C6，C2＜0.5*C5，C3＜0.5*C6，能够利用外层磁障槽42有效增加d轴磁阻，增加凸极差，同时可以利用第二磁桥61使部分永磁体磁链往外流动，提供永磁磁链，增强永磁转矩，还可以使得部分永磁体磁链作为q轴磁链，可在上下层导磁通道自由流通，增加磁阻转矩。

各外层磁障槽42沿d轴方向的宽度均小于沿径向位于最内层的永磁体3在d轴方向上的宽度L1，如此，在增加磁阻转矩的同时，也可以保证一定的永磁转矩，使得总转矩增加。

外层磁障槽42可以减小定子磁场对永磁体作用，增加永磁体抗退磁能力。

鼠笼槽5包括q轴鼠笼槽51，q轴鼠笼槽51分别设置在安装槽2以及磁障槽4的两端。

q轴鼠笼槽51的延伸方向平行于q轴，q轴鼠笼槽51相对于d轴或q轴对称分布。

q轴鼠笼槽51的延伸方向大体平行于q轴，可以使得磁通沿q轴流通，减小了鼠笼槽对q轴磁通的阻碍。

鼠笼槽5还包括d轴鼠笼槽52，d轴鼠笼槽52位于q轴鼠笼槽51靠近d轴的一侧。

d轴鼠笼槽52为多个，并相对于d轴或q轴对称分布。

d轴鼠笼槽52可以增加鼠笼槽的数量，增大鼠笼面积，从而提供更多的鼠笼槽及鼠笼面积，提升电机牵入转矩，改善起动同步能力。

安装槽2包括径向向外凸出的弧形段21和设置在弧形段21两端的直线段22，直线段22的延伸方向平行于q轴。

沿径向位于最外层的永磁体3的厚度为L2，沿径向位于最内层的永磁体3的厚度为L1，L1＜L2。

沿径向位于最外层的永磁体3沿q轴方向的长度为K2，沿径向位于最内层的永磁体3沿q轴方向的长度为K1，K1＜K2。

永磁体3和安装槽2相对于d轴或q轴对称分布。

通过上述比较，能够对永磁体3的厚度关系以及长度关系进行限定，从而设置合适的永磁体结构，保证永磁体3的利用率。

鼠笼槽5和外层磁障槽42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9，鼠笼槽5和外层磁障槽42通过端环9进行短路连接，形成鼠笼结构。端环9的材料与鼠笼槽5和外层磁障槽42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。

鼠笼槽5和外层磁障槽42的总面积为S1，鼠笼槽5、磁障槽4和安装槽2的总面积为S，S1≥30％S。优选地，0.3*S≤S1≤0.7*S，能够保证一定的铸铝面积，改善电机起动同步能力。

永磁体3两端端部位置的安装槽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10，限位凸起10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。

在一个实施例中，转子铁芯1的两端设置有不导磁挡板，不导磁挡板能够遮挡永磁体3。不导磁挡板能够对永磁体3沿转子铁芯1的轴向方向的两端形成固定，而安装槽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，转子组件通过铆钉将转子铁芯1两端的不导磁挡板沿轴向压紧，从而组成转子组件。不导磁挡板能够对永磁体3起到轴向固定作用，防止永磁体3掉出。

在一个实施例中，安装槽2内填注有注塑体，能够利用注塑体使得永磁体3与转子铁芯1之间注塑为一体，从而对永磁体3形成更加良好的固定。

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。

鼠笼槽5和安装槽2之间、鼠笼槽5和转子铁芯1的转子外圆之间以及磁障槽4和鼠笼槽5之间的分割筋7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。通过对分割筋7的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 (21)

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)设置有安装槽(2)、磁障槽(4)和多个鼠笼槽(5)，所述鼠笼槽(5)分布于所述转子铁芯(1)的外周，所述安装槽(2)内安装有永磁体(3)，所述磁障槽(4)包括外层磁障槽(42)，所述外层磁障槽(42)位于最外层所述安装槽(2)的径向外侧，所述外层磁障槽(42)为至少两层，每层所述外层磁障槽(42)上设置有至少两个第二磁桥(61)；所述第二磁桥(61)的宽度小于与该第二磁桥(61)所在的磁障槽(4)相邻且位于内侧的导磁通道的最小宽度的一半。

2.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)沿所述转子铁芯(1)的径向至少布置两层，所述磁障槽(4)包括还内层磁障槽(41)，所述内层磁障槽(41)位于最外层所述安装槽(2)的径向内侧，同一极下，相邻的所述安装槽(2)之间至少存在一层所述内层磁障槽(41)，所述内层磁障槽(41)上设置有至少两个第一磁桥(6)。

3.根据权利要求2所述的转子组件，其特征在于，所述内层磁障槽(41)包括沿径向向外凸出的弧形段(21)以及位于所述弧形段(21)两端的直线段(22)，所述直线段(22)的延伸方向平行于q轴。

4.根据权利要求3所述的转子组件，其特征在于，沿径向位于最内层的所述内层磁障槽(41)在d轴方向的宽度为L3，沿径向位于最内层的所述永磁体(3)在d轴方向上的宽度为L1，L3＜L1。

5.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，沿径向由内而外的方向，所述外层磁障槽(42)的第二磁桥(61)的宽度递减；和/或，沿径向由内而外的方向，所述外层磁障槽(42)的第二磁桥(61)与d轴之间的间距递减。

6.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，各所述外层磁障槽(42)沿d轴方向的宽度均小于沿径向位于最内层的所述永磁体(3)在d轴方向上的宽度。

7.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，所述鼠笼槽(5)包括q轴鼠笼槽(51)，所述q轴鼠笼槽(51)分别设置在所述安装槽(2)以及所述磁障槽(4)的两端。

8.根据权利要求7所述的转子组件，其特征在于，所述q轴鼠笼槽(51)的延伸方向平行于q轴，所述q轴鼠笼槽(51)相对于d轴或q轴对称分布。

9.根据权利要求7所述的转子组件，其特征在于，所述鼠笼槽(5)还包括d轴鼠笼槽(52)，所述d轴鼠笼槽(52)位于所述q轴鼠笼槽(51)靠近d轴的一侧。

10.根据权利要求9所述的转子组件，其特征在于，所述d轴鼠笼槽(52)为多个，并相对于d轴或q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，所述安装槽(2)包括径向向外凸出的弧形段(21)和设置在所述弧形段(21)两端的直线段(22)，所述直线段(22)的延伸方向平行于q轴。

12.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，沿径向位于最外层的所述永磁体(3)的厚度为L2，沿径向位于最内层的所述永磁体(3)的厚度为L1，L1＜L2。

13.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，沿径向位于最外层的所述永磁体(3)沿q轴方向的长度为K2，沿径向位于最内层的所述永磁体(3)沿q轴方向的长度为K1，K1＜K2。

14.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)和所述安装槽(2)相对于d轴或q轴对称分布。

15.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，所述鼠笼槽(5)和所述外层磁障槽(42)的总面积为S1，所述鼠笼槽(5)、所述磁障槽(4)和所述安装槽(2)的总面积为S，S1≥30％S。

16.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，所述鼠笼槽(5)和所述外层磁障槽(42)中填充有导电不导磁材料。

17.根据权利要求16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(9)，所述鼠笼槽(5)和所述外层磁障槽(42)通过所述端环(9)进行短路连接，形成鼠笼结构。

18.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安装槽(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(10)。

19.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，所述不导磁挡板能够遮挡所述永磁体(3)；或，所述安装槽(2)内填注有注塑体。

20.一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19中任一项所述的转子组件。

21.根据权利要求20所述的自起动永磁同步磁阻电机，其特征在于，所述鼠笼槽(5)和所述安装槽(2)之间、所述鼠笼槽(5)和所述转子铁芯(1)的转子外圆之间以及所述磁障槽(4)和所述鼠笼槽(5)之间的分割筋(7)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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