CN112968548A - 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)，在转子铁芯(1)的横截面上，转子铁芯(1)设置有狭缝槽(2)、q轴鼠笼槽(41)和永磁体(3)，q轴鼠笼槽(41)设置在狭缝槽(2)的两端，永磁体(3)设置在狭缝槽(2)内，并沿d轴方向布置至少两层，相邻的狭缝槽(2)之间形成导磁通道，导磁通道沿着靠近d轴的方向宽度递减，导磁通道沿d轴方向的最小宽度大于或等于该导磁通道所对应的永磁体(3)沿d轴方向的最大厚度的两倍。根据本申请的转子组件，能够优化永磁体与导磁通道的结构设计，避免导磁通道出现磁饱和现象，增大电机输出转矩，提升电机效率。
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，然而该专利中永磁体与导磁通道之间的结构设置不合理，导致导磁通道容易发生磁饱和现象，降低了电机输出转矩和效率。
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，能够优化永磁体与导磁通道的结构设计，避免导磁通道出现磁饱和现象，增大电机输出转矩，提升电机效率。
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，转子铁芯设置有狭缝槽、q轴鼠笼槽和永磁体，q轴鼠笼槽设置在狭缝槽的两端，永磁体设置在狭缝槽内，并沿d轴方向布置至少两层，相邻的狭缝槽之间形成导磁通道，导磁通道沿着靠近d轴的方向宽度递减，导磁通道沿d轴方向的最小宽度大于或等于该导磁通道所对应的永磁体沿d轴方向的最大厚度的两倍。
优选地，永磁体沿周向方向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为极弧角，沿着d轴径向向外的方向，永磁体的极弧角递减。
优选地，转子铁芯上还设置有独立鼠笼槽，同一极下，q轴鼠笼槽与独立鼠笼槽沿周向方向交替排布，沿d轴方向位于径向最外侧的两个独立鼠笼槽之间的最小圆心角为a4，沿d轴方向位于径向最外侧的永磁体的极弧角为a3，其中a3＜a4。
优选地，沿着d轴径向向外的方向，永磁体的厚度递增；和/或，永磁体和狭缝槽关于d轴或q轴对称分布。
优选地，转子铁芯上还设置有独立鼠笼槽，同一极下，q轴鼠笼槽与独立鼠笼槽沿周向方向交替排布，独立鼠笼槽与两侧的q轴鼠笼槽之间的导磁通道的宽度之和大于独立鼠笼槽所在的导磁通道的最小宽度。
优选地，转子铁芯上还设置有独立鼠笼槽，同一极下，q轴鼠笼槽与独立鼠笼槽沿周向方向交替排布，q轴鼠笼槽和独立鼠笼槽的延伸方向平行于q轴，且q轴鼠笼槽和独立鼠笼槽关于q轴或d轴对称分布。
优选地，转子铁芯上还设置有d轴鼠笼槽，d轴鼠笼槽位于沿d轴方向径向最外侧的永磁体靠近转子外圆的一侧。
优选地，d轴鼠笼槽为多个，且相对于d轴或者q轴对称分布；和/或，d轴鼠笼槽沿d轴方向延伸。
优选地，狭缝槽包括弧形段和直线段，直线段位于弧形段的两端，永磁体安装在弧形段内，且与弧形段的形状相适配；和/或，每层永磁体包括一块或多块。
优选地，转子铁芯上还设置有独立鼠笼槽，同一极下，q轴鼠笼槽与独立鼠笼槽沿周向方向交替排布，至少部分q轴鼠笼槽靠近转子外圆一端的至少一边设置有切边；和/或，至少部分独立鼠笼槽靠近转子外圆一端的至少一边设置有切边。
优选地，转子铁芯上还设置有独立鼠笼槽，同一极下，q轴鼠笼槽与独立鼠笼槽沿周向方向交替排布，独立鼠笼槽与转子外圆之间的磁桥宽度为L61，q轴鼠笼槽与转子外圆之间的磁桥宽度为L62，其中L61＞L62。
优选地，转子铁芯上还设置有独立鼠笼槽和d轴鼠笼槽，q轴鼠笼槽、d轴鼠笼槽和独立鼠笼槽内填充导电不导磁材料，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，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，q轴鼠笼槽与转子外圆之间的磁桥宽度为L62，0.5σ≤L62≤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，转子铁芯设置有狭缝槽、q轴鼠笼槽和永磁体，q轴鼠笼槽设置在狭缝槽的两端，永磁体设置在狭缝槽内，并沿d轴方向布置至少两层，相邻的狭缝槽之间形成导磁通道，导磁通道沿着靠近d轴的方向宽度递减，导磁通道沿d轴方向的最小宽度大于或等于该导磁通道所对应的永磁体沿d轴方向的最大厚度的两倍。通过将导磁通道设定为沿着靠近d轴的方向宽度递减，并且使得导磁通道沿d轴方向的最小宽度大于或等于该导磁通道所对应的永磁体沿d轴方向的最大厚度的两倍，能够压缩与q轴相邻的两个q轴鼠笼槽之间的导磁通道的宽度，并且增大相邻永磁体之间的导磁通道在靠近转子外圆位置处的宽度，能够使得靠近转子外圆处的导磁通道结构分配更加合理，避免与q轴相邻的两个q轴鼠笼槽之间的导磁通道宽度过宽导致磁力线饱和程度严重不足的问题，同时使得其他位置处的导磁通道在靠近转子外圆的磁力线集中位置的导磁通道的宽度能够得到加大，充分利用永磁体及转子铁芯的空间，保证导磁通道的合理宽度，减小磁通饱和现象，增大电机输出转矩，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转矩曲线对比图。
附图标记表示为：
1、转子铁芯；2、狭缝槽；21、弧形段；22、直线段；3、永磁体；4、鼠笼槽；41、q轴鼠笼槽；42、独立鼠笼槽；43、d轴鼠笼槽；5、轴孔；6、磁桥；7、切边；8、端环；9、不导磁挡板；10、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设置有轴孔5、狭缝槽2、q轴鼠笼槽41和永磁体3，q轴鼠笼槽41设置在狭缝槽2的两端，永磁体3设置在狭缝槽2内，并沿d轴方向布置至少两层，相邻的狭缝槽2之间形成导磁通道，导磁通道沿着靠近d轴的方向宽度递减，导磁通道沿d轴方向的最小宽度大于或等于该导磁通道所对应的永磁体3沿d轴方向的最大厚度的两倍。永磁体3例如为稀土永磁体。
在一个实施例中，永磁体3沿d轴方向布置三层，沿着d轴径向向外的方向，永磁体3的导磁通道的宽度依次为L4和L5，宽度为L4的导磁通道所对应的永磁体3沿d轴方向的最大厚度为L2，宽度为L5的导磁通道所对应的永磁体3沿d轴方向的最大厚度为L3，其中L4≥2*L2，L5≥2*L3。
通过将导磁通道设定为沿着靠近d轴的方向宽度递减，并且使得导磁通道沿d轴方向的最小宽度大于或等于该导磁通道所对应的永磁体3沿d轴方向的最大厚度的两倍，能够压缩与q轴相邻的两个q轴鼠笼槽41之间的导磁通道的宽度，并且增大相邻永磁体3之间的导磁通道在靠近转子外圆位置处的宽度，能够使得靠近转子外圆处的导磁通道结构分配更加合理，避免与q轴相邻的两个q轴鼠笼槽41之间的导磁通道宽度过宽导致磁力线饱和程度严重不足的问题，同时使得其他位置处的导磁通道在靠近转子外圆的磁力线集中位置的导磁通道的宽度能够得到加大，充分利用永磁体3及转子铁芯1的空间，保证导磁通道的合理宽度，减小磁通饱和现象，增大电机输出转矩，提升电机效率。
永磁体3沿周向方向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为极弧角，沿着d轴径向向外的方向，永磁体3的极弧角递减。此处的极弧角为永磁体3相对于转子铁芯1的圆心所占的圆心角。
在一个实施例中，永磁体3沿d轴方向布置三层，沿着d轴径向向外的方向，永磁体3的极弧角依次为a1、a2、a3，其中a3＜a2＜a1。
转子铁芯1上还设置有独立鼠笼槽42，同一极下，q轴鼠笼槽41与独立鼠笼槽42沿周向方向交替排布，沿d轴方向位于径向最外侧的两个独立鼠笼槽42之间的最小圆心角为a4，沿d轴方向位于径向最外侧的永磁体3的极弧角为a3，其中a3＜a4。
通过上述限定，能够提供合适的永磁体3的用量以及合理的永磁体3的布置结构，能够更加有效地利用永磁体3，提升电机效率，并且改善永磁体3的抗退磁能力。
沿着d轴径向向外的方向，永磁体3的厚度递增。在一个实施例中，永磁体3沿d轴方向布置三层，沿着d轴径向向外的方向，永磁体3的厚度依次为L1、L2、L3，其中L1＜L2＜L3。
永磁体3和狭缝槽2关于d轴或q轴对称分布。
由于转子铁芯1越靠近转子外圆，定子退磁磁场越强，因此沿着d轴向外的方向逐渐加厚外层永磁体3的厚度，能够有效提升外层永磁体3的抗退磁能力。
在一个实施例中，转子铁芯1上还设置有独立鼠笼槽42，同一极下，q轴鼠笼槽41与独立鼠笼槽42沿周向方向交替排布，独立鼠笼槽42与两侧的q轴鼠笼槽41之间的导磁通道的宽度之和大于独立鼠笼槽42所在的导磁通道的最小宽度。
在本实施例中，永磁体3沿d轴方向布置三层，位于第一层和第二层永磁体3之间的导磁通道在独立鼠笼槽42两侧的宽度分别为L41和L42，位于第一层和第二层永磁体3之间的导磁通道沿d轴方向的最小宽度为L4，位于第二层和第三层永磁体3之间的导磁通道在独立鼠笼槽42两侧的宽度分别为L51和L52，位于第二层和第三层永磁体3之间的导磁通道沿d轴方向的最小宽度为L5，其中L41+L42＞L4，L51+L52＞L5；如此，可以保证相邻鼠笼槽之间的导磁通道宽度大于狭缝槽2之间的导磁通道宽度，避免鼠笼槽对磁通造成阻挡。
在一个实施例中，转子铁芯1上还设置有独立鼠笼槽42，同一极下，q轴鼠笼槽41与独立鼠笼槽42沿周向方向交替排布，q轴鼠笼槽41和独立鼠笼槽42的延伸方向平行于q轴，从而能够使q轴鼠笼槽41与狭缝槽2配合，形成顺畅的转子导磁通道。q轴鼠笼槽41和独立鼠笼槽42关于q轴或d轴对称分布。
转子铁芯1上还设置有d轴鼠笼槽43，d轴鼠笼槽43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。
在一个实施例中，d轴鼠笼槽43为多个，且相对于d轴或者q轴对称分布。
d轴鼠笼槽43沿d轴方向延伸。d轴鼠笼槽43沿着平行于d轴的方向延伸，能够避免d轴鼠笼槽43在靠近转子外圆的方向宽度递减而导致磁饱和现象，同时使得d轴鼠笼槽43之间形成多个导磁通道，方便磁力线经过，提高电机的出力。
狭缝槽2包括弧形段21和直线段22，直线段22位于弧形段21的两端，永磁体3安装在弧形段21内，且与弧形段21的形状相适配，每层永磁体3包括一块或多块，可以有效利用转子空间来布置狭缝槽2及永磁体3，提升电机材料利用率。
在一个实施例中，每层狭缝槽2也可以通过多段直线段组合形成，每层永磁体3的整体形状沿d轴方向径向向外突出。
狭缝槽2与该狭缝槽2两端对应的q轴鼠笼槽41组合成形成磁障层，磁障层在转子铁芯径向方向上层数至少两层以上；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。
转子铁芯1上还设置有独立鼠笼槽42，同一极下，q轴鼠笼槽41与独立鼠笼槽42沿周向方向交替排布，至少部分q轴鼠笼槽41靠近转子外圆一端的至少一边设置有切边7。
至少部分独立鼠笼槽42靠近转子外圆一端的至少一边设置有切边7。切边7可以有效的减小电感突变，降低电机谐波及转矩脉动。
在一个实施例中，q轴鼠笼槽41与独立鼠笼槽42靠近转子外圆一端的两侧均设置有切边7。
转子铁芯1上还设置有独立鼠笼槽42，同一极下，q轴鼠笼槽41与独立鼠笼槽42沿周向方向交替排布，独立鼠笼槽42与转子外圆之间的磁桥6宽度为L61，q轴鼠笼槽41与转子外圆之间的磁桥6宽度为L62，其中L61＞L62，能够使得不与永磁体3配合相接的独立鼠笼槽42与转子外圆之间的磁桥6的宽度适当放大，可减小电机谐波，改善电机的起动性能。
转子铁芯1上还设置有独立鼠笼槽42和d轴鼠笼槽43，q轴鼠笼槽41、d轴鼠笼槽43和独立鼠笼槽42共同组成沿转子铁芯1的周向排布的鼠笼槽4，鼠笼槽4内填充导电不导磁材料，不导磁材料例如铝或者铝合金。转子铁芯1的两端设置有端环8，q轴鼠笼槽41、d轴鼠笼槽43和独立鼠笼槽42通过端环8进行短路连接，形成鼠笼结构，端环的材料与鼠笼槽4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4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。
转子铁芯1的两端设置有不导磁挡板9，不导磁挡板9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9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10将转子铁芯1两端的不导磁挡板9沿轴向压紧，从而组成转子组件。
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转矩曲线对比图，从图中可以看出，在相同定子及电流下，采用本申请实施例方案的电机转矩提升，而且转矩峰峰值减小，转矩脉动减小，能够达到较好效果。
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，q轴鼠笼槽41与转子外圆之间的磁桥6宽度为L62，0.5σ≤L62≤1.5σ，σ为定子和转子铁芯1之间的气隙的径向宽度，能够使得q轴鼠笼槽41与转子外圆之间的磁桥6具有合适的宽度，在保证转子组件的机械强度的同时，能够尽量减小漏磁。
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 (15)
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)设置有狭缝槽(2)、q轴鼠笼槽(41)和永磁体(3)，所述q轴鼠笼槽(41)设置在所述狭缝槽(2)的两端，所述永磁体(3)设置在所述狭缝槽(2)内，并沿d轴方向布置至少两层，相邻的狭缝槽(2)之间形成导磁通道，所述导磁通道沿着靠近d轴的方向宽度递减，所述导磁通道沿d轴方向的最小宽度大于或等于该导磁通道所对应的永磁体(3)沿d轴方向的最大厚度的两倍。
2.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)沿周向方向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为极弧角，沿着d轴径向向外的方向，所述永磁体(3)的极弧角递减。
3.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)上还设置有独立鼠笼槽(42)，同一极下，所述q轴鼠笼槽(41)与所述独立鼠笼槽(42)沿周向方向交替排布，沿d轴方向位于径向最外侧的两个所述独立鼠笼槽(42)之间的最小圆心角为a4，沿d轴方向位于径向最外侧的所述永磁体(3)的极弧角为a3，其中a3＜a4。
4.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(3)的厚度递增；和/或，所述永磁体(3)和所述狭缝槽(2)关于d轴或q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，所述转子铁芯(1)上还设置有独立鼠笼槽(42)，同一极下，所述q轴鼠笼槽(41)与所述独立鼠笼槽(42)沿周向方向交替排布，所述独立鼠笼槽(42)与两侧的所述q轴鼠笼槽(41)之间的导磁通道的宽度之和大于所述独立鼠笼槽(42)所在的导磁通道的最小宽度。
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)上还设置有独立鼠笼槽(42)，同一极下，所述q轴鼠笼槽(41)与所述独立鼠笼槽(42)沿周向方向交替排布，所述q轴鼠笼槽(41)和所述独立鼠笼槽(42)的延伸方向平行于q轴，且所述q轴鼠笼槽(41)和所述独立鼠笼槽(42)关于q轴或d轴对称分布。
7.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d轴鼠笼槽(43)，所述d轴鼠笼槽(43)位于沿d轴方向径向最外侧的所述永磁体(3)靠近转子外圆的一侧。
8.根据权利要求7所述的转子组件，其特征在于，所述d轴鼠笼槽(43)为多个，且相对于d轴或者q轴对称分布；和/或，所述d轴鼠笼槽(43)沿d轴方向延伸。
9.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，所述狭缝槽(2)包括弧形段(21)和直线段(22)，所述直线段(22)位于所述弧形段(21)的两端，所述永磁体(3)安装在所述弧形段(21)内，且与所述弧形段(21)的形状相适配；和/或，每层所述永磁体(3)包括一块或多块。
10.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)上还设置有独立鼠笼槽(42)，同一极下，所述q轴鼠笼槽(41)与所述独立鼠笼槽(42)沿周向方向交替排布，至少部分所述q轴鼠笼槽(41)靠近转子外圆一端的至少一边设置有切边(7)；和/或，至少部分所述独立鼠笼槽(42)靠近转子外圆一端的至少一边设置有切边(7)。
11.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)上还设置有独立鼠笼槽(42)，同一极下，所述q轴鼠笼槽(41)与所述独立鼠笼槽(42)沿周向方向交替排布，所述独立鼠笼槽(42)与转子外圆之间的磁桥(6)宽度为L61，所述q轴鼠笼槽(41)与转子外圆之间的磁桥(6)宽度为L62，其中L61＞L62。
12.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)上还设置有独立鼠笼槽(42)和d轴鼠笼槽(43)，所述q轴鼠笼槽(41)、所述d轴鼠笼槽(43)和所述独立鼠笼槽(42)内填充导电不导磁材料，所述转子铁芯(1)的两端设置有端环(8)，所述q轴鼠笼槽(41)、所述d轴鼠笼槽(43)和所述独立鼠笼槽(42)通过所述端环(8)进行短路连接，形成鼠笼结构。
13.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(9)，所述不导磁挡板(9)能够遮挡所述永磁体(3)。
14.一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13中任一项所述的转子组件。
15.根据权利要求14所述的自起动永磁同步磁阻电机，其特征在于，所述q轴鼠笼槽(41)与转子外圆之间的磁桥(6)宽度为L62，0.5σ≤L62≤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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