CN114301204B - 轴向磁通同步磁阻电机 - Google Patents
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Abstract
本公开提供一种轴向磁通同步磁阻电机。所述电机的定子和转子沿电机的旋转轴线平行布置，定子的多个定子磁极和转子的多个转子磁极中的每个的垂直于轴向的截面为扇形形状，并且在平行于旋转轴线的方向上彼此相对，使得气隙磁场的方向与电机的旋转轴线平行。转子的所述多个转子磁极中的每个的磁性材料部分的垂直于轴向的截面面积不相同。
Description
技术领域
本公开属于电机领域，具体的，涉及一种轴向磁通同步磁阻电机。
背景技术
交流异步电机已经在空调、洗衣机、电动车和电梯等领域得到广泛应用。由于这种电机采用开环控制、结构简单、成本低廉、工作可靠等优点，使得这种交流异步电机宽泛应用于变频调速场景。但是，异步电机在低速、低载荷的情况下效率较低。
永磁同步电机采用闭环控制、结构紧凑、效率高，随着新能源汽车技术的进一步发展，出现了径向磁通永磁同步磁阻电机。然而，径向磁通永磁同步磁阻电机的转矩与轴向磁通电机相比处于劣势；径向磁通永磁同步磁阻电机的轴向尺寸比较大；由于电机转子的结构所限，转子的磁阻电感q轴和永磁电感d轴存在夹角；并且磁障数低，而凸极率不高，导致更多依赖于永磁体。
发明内容
根据本公开的实施例，提供一种轴向磁通同步磁阻电机，所述电机的定子和转子沿电机的旋转轴线平行布置，定子的多个定子磁极和转子的多个转子磁极中的每个的垂直于轴向的截面为扇形形状，并且在平行于旋转轴线的方向上彼此相对，使得气隙磁场的方向与电机的旋转轴线平行。转子的所述多个转子磁极中的每个的磁性材料部分的垂直于轴向的截面面积不相同。
转子的所述多个转子磁极中的每个的磁性材料部分的所述截面面积的变化与定子磁通量的正弦变化相对应。
磁性材料部分的所述截面面积的变化由磁性材料部分的径向厚度变化导致，或者磁性材料部分的所述截面面积的变化由磁性材料部分的切向极弧长度变化导致。
所述转子包括转子框架，转子框架包括：内圆周部分；外圆周部分，与内圆周部分同轴布置并隔开预定距离；多个连接肋，沿径向连接在内圆周部分和外圆周部分之间，内圆周部分、外圆周部分和多个连接肋限定呈扇形的多个槽，所述多个槽中的至少一部分填充磁性材料来构成磁性材料部分，以形成转子的所述多个转子磁极。
所述多个连接肋沿周向均匀布置，所述多个连接肋的切向宽度相等，每个槽的垂直于轴向的截面面积相等，每个槽中的磁性材料部分的径向厚度的变化与定子磁通量的正弦变化相对应。
所述多个连接肋沿周向均匀布置，所述多个连接肋的切向宽度相等，每个槽的垂直于轴向的截面面积相等，每个槽中的磁性材料部分的切向极弧长度的变化与定子磁通量的正弦变化相对应。
所述多个连接肋沿周向均匀布置，所述多个连接肋的切向宽度不等，使得每个槽的垂直于轴向的截面面积与定子磁通量的正弦变化相对应，每个槽中的磁性材料部分的垂直于轴向的截面面积与每个槽的垂直于轴向的截面面积相对应。
所述多个连接肋沿周向非均匀布置，所述多个连接肋的切向宽度相等，使得每个槽的垂直于轴向的截面面积与定子磁通量的正弦变化相对应，每个槽中的磁性材料部分的垂直于轴向的截面面积与每个槽的垂直于轴向的截面面积相对应。
所述电机的转子框架是非磁性金属框架或非磁性非金属框架。
磁性材料部分由下列中的一种形成：软磁材料；永磁材料；永磁材料与软磁材料的组合。
所述电机具有单个转子设置在双定子之间的结构或多定子与多转子交替设置的结构。
所述电机的转子和定子具有相同的外径。
根据本公开的轴向磁通永磁同步磁阻电机的轴向尺寸紧凑，电机的定子与转子之间的气隙半径最大化，从而使平均转矩和功率密度提高，同时有利于电机的轻量化。
附图说明
图1a是双定子结构的轴向磁通电机的示意截面图；
图1b是双定子结构的轴向磁通电机的立体示意图；
图2a是定子线圈根据位置变化的磁场强度分布函数曲线图；
图2b是定子线圈根据位置变化的磁力线分布的示意图；
图3a是轴向磁通电机的转子框架的立体示意图；
图3b是轴向磁通电机的转子的平面图；
图4是根据示例的轴向磁通同步磁阻电机的转子的示意图；
图5是根据另一示例的轴向磁通同步磁阻电机的转子的示意图；
图6是根据示例的轴向磁通永磁同步磁阻电机的转子的示意图；
图7是图6中所示的转子的磁性材料部分的示意图。
具体实施方式
提供以下具体实施方式以帮助读者获得对在此描述的方法、设备和/或系统的全面理解。然而，在理解本申请的公开内容之后，在此所描述的方法、设备和/或系统的各种改变、修改和等同方案将是易于理解的。例如，在此描述的操作的顺序仅仅是示例，并且不限于在此阐述的顺序，而是除了必须按照特定顺序发生的操作之外，可做出在理解本申请的公开内容之后将是易于理解的改变。此外，为了提高清楚性和简洁性，可省略在理解本申请的公开内容之后已知的特征的描述。
图1a是双定子结构的轴向磁通电机的示意截面图；并且图1b是双定子结构的轴向磁通电机的立体示意图。
参照图1a和图1b，根据示例的轴向磁通电机的定子2和转子1沿电机的旋转轴线平行布置，定子磁极和转子磁极中的每个分别具有扇形形状并且在平行于旋转轴线的方向上彼此相对，使得气隙磁场的方向与电机的旋转轴线平行。根据图1a和图1b的示例的电机采用双定子结构。双定子2分别位于转子1的两侧，旋转轴3穿过转子1并固定到转子1，并且由设置在定子2中的轴承4支撑。定子2产生的定子磁场分别与转子1产生的转子磁场在双定子与转子之间的两个气隙中彼此相对并且相互作用。参照图1a，示出了磁力线在电机定子和转子之间的方向。可选地，转子磁极可具有永磁材料。参照图1b，定子2具有容纳定子线圈5的槽，槽之间的定子齿可被设置为面向转子。定子线圈5可以是集中缠绕方式或分布缠绕方式。
图2a是定子线圈根据位置变化的磁场强度分布函数曲线图；并且图2b是定子线圈根据位置变化的磁通量分布的示意图。
参照图2a，定子线圈中以正弦波形式施加电流激励，由此在定子磁极中产生以正弦波形式变化的空间磁场，并且磁场强度变化与正弦波在各个相位的幅值变化相对应。参照图2b，示出了以正弦波形式变化的空间磁场在定子相应相位处的磁极中产生的磁通量分布，图2b中以“+”表示磁通量方向垂直于纸面向外，以“Δ”表示磁通量方向垂直于纸面向里，并且以“+”和“Δ”的数量(或疏密)表示磁通量密度的大小。
图3a是轴向磁通电机的转子框架的立体示意图，图3b是轴向磁通电机的转子的平面图。
参照图3a，图3a示出了根据实施例的轴向磁通电机的转子框架10。转子框架10利用非磁性材料形成，并且可以是金属材料(例如，铝和铜等)或非金属材料。当转子框架10由非磁性金属材料形成时，旋转磁场切割转子框架10从而在转子框架10中产生感应电流，转子框架10将用作交流异步电机的鼠笼式转子。此时电机作为轴向磁通交流异步电机运行。具体地，图3a中的转子框架10由是铝、铜等非磁性金属材料形成作为转子的骨架结构，同时用作径向磁通异步电机的鼠笼式转子，由此使得电机可具有异步启动特性，并可用于开环控制。转子框架10包括：内圆周部分11a；外圆周部分11b，与内圆周部分11a同轴布置并隔开预定距离；多个连接肋13，垂直于轴向连接在内圆周部分11a和外圆周部分11b之间。内圆周部分11a、外圆周部分11b和多个连接肋13限定了可容纳磁性材料的多个槽14。槽14的形状为扇形。
参照图3b，转子框架10的槽内部可填充有磁性材料以形成磁性材料部分12，磁性材料作为旋转磁场的通道。当定子线圈以三相正弦波电流激励时，转子框架10的金属导体材料切割旋转磁场，旋转磁场与转子框架10中产生的感应电流互相作用产生电磁转矩，从而使转子旋转。磁性材料可以是软磁材料，用于增加转子结构的导磁率，软磁材料可以是诸如电工钢的铁磁性材料，但这种转子结构在运行时不具有同步磁阻转矩。
此外，定子与转子的尺寸、数量可以是相同的，例如定子的外径尺寸和转子的外径尺寸可以是相同的，因此与具有定子轭部的径向磁通电机相比可充分利用电机的径向尺寸。但实施例不限于此，并且定子与转子的形状、数量也可以不相同。
图4是根据示例的轴向磁通同步磁阻电机的转子的示意图。
根据示例的轴向磁通同步磁阻电机的定子和转子沿电机的旋转轴线平行布置，定子磁极和转子磁极中的每个分别具有扇形形状并且在平行于旋转轴线的方向上彼此相对，使得气隙磁场的方向与电机的旋转轴线平行。参照图4，多个连接肋沿周向以预定角度均布，所述多个连接肋的切向宽度(即，沿切向的宽度)相等，每个槽的垂直于轴向的截面面积相等，每个槽中所填充的磁性材料部分12a的垂直于轴向的截面面积的变化与定子磁通量的正弦变化相对应。图4中转子框架10的阴影部分表示填充有磁性材料以构成磁性材料部分12a，转子框架10的槽内空白部分表示没有填充磁性材料。磁性材料可以是软磁材料，软磁材料可以是诸如电工钢的铁磁性材料。转子的转子框架10中的磁性材料部分12a中的每个在垂直于旋转轴线方向上的截面面积不相同，并且磁性材料部分12a的截面面积的变化与定子磁通量的正弦变化相对应，并且磁性材料部分12a的截面面积的变化由磁性材料部分12a的径向厚度(即，沿径向的厚度)变化形成，例如，径向厚度可以是磁性材料部分12a在转子径向上的厚度。图4中的转子框架10的结构可与图3a的中的转子框架10结构相同，同样是由铝、铜等非磁性金属材料形成的骨架结构，同时可用作异步启动的鼠笼式转子并且可应用于开环控制。可选地，转子框架10也可由非磁性非金属材料形成。
由于转子框架10的每个槽内的磁性材料部分12a的截面面积不同，并且磁性材料部分12a的截面面积与定子磁通量的分布相对应，当定子线圈以三相正弦波电流激励时，转子框架10的金属导体材料切割旋转磁场，旋转磁场与转子框架10中产生的感应电流互相作用产生电磁转矩，从而使转子旋转。由于磁性材料部分12a中的每个的截面面积不同，使得转子相应位置的磁阻变化，由此转子在定子磁场的作用下产生同步磁阻转矩。
图5是根据另一示例的轴向磁通同步磁阻电机的转子的示意图。
参照图5，多个连接肋沿周向以预定角度均布，并且多个连接肋的切向宽度不等，使得每个槽的垂直于轴向的截面面积与定子磁通量的正弦变化相对应，每个槽中的由填充的磁性材料而构成的磁性材料部分12b的垂直于轴向的截面面积与每个槽的垂直于轴向的截面面积相对应。转子框架10的与定子磁极相对位置处的槽的整个内部空间填充有磁性材料，磁性材料可以是软磁材料，软磁材料可以是诸如电工钢的铁磁性材料。磁性材料部分12b的截面面积的变化与定子磁通量的正弦变化相对应，并且磁性材料部分12b的截面面积的变化由磁性材料部分12b的切向极弧长度变化形成，例如，切向极弧长度可以是磁性材料部分12b在转子切向上的极弧长度。图5中的转子框架10的结构可与图3a的中的转子框架10结构类似，同样是由铝、铜等非磁性金属材料形成的骨架结构，同时可用作异步启动的鼠笼式转子并且应用于开环控制。可选地，转子框架10也可由非金属材料形成。
由于转子框架10的每个槽内的磁性材料部分12b的截面面积不同，并且磁性材料部分12b的截面面积与定子磁通量的分布相对应，当定子线圈以三相正弦波电流激励时，转子框架10的金属导体材料切割旋转磁场，旋转磁场与转子框架10中产生的感应电流互相作用产生电磁转矩，从而使转子旋转。由于磁性材料部分12b中的每个的截面面积不同，使得转子相应位置的磁阻变化，由此转子在定子磁场的作用下产生同步磁阻转矩。
可选地，多个连接肋可沿周向均匀布置，例如，间隔相同角度，并且多个连接肋的切向宽度相等，每个槽的垂直于轴向的截面面积相等，每个槽中所填充的磁性材料部分的切向极弧长度的变化与定子磁通量的正弦变化相对应。
可选地，多个连接肋可沿周向非均匀布置，例如，间隔不等角度，并且多个连接肋的切向宽度相等，使得每个槽的垂直于轴向的截面面积与定子磁通量的正弦变化相对应，每个槽中所填充的磁性材料部分12的垂直于轴向的截面面积与每个槽的垂直于轴向的截面面积相对应。
图6是根据示例的轴向磁通永磁同步磁阻电机的转子的示意图。
图6示出的转子与图4和图5示出的转子类似，主要不同之处在于，转子框架10的与定子磁极相对位置处的槽内部空间填充有磁性材料以形成磁性材料部分12c，磁性材料可以是永磁材料，例如，永磁材料可以是铁氧体材料或钕铁硼材料，但不限于此。图6中示出的转子的上半部分和下半部分的永磁材料的极性相反，以确保形成磁路的闭环回路。磁性材料部分12c中的每个的截面面积不相同。磁性材料部分12c的截面面积的变化与定子磁通量的正弦变化相对应，并且磁性材料部分12c的截面面积的变化由磁性材料部分12c的切向极弧长度变化或径向厚度变化形成。图6中的转子框架10的结构可与图3a的中的转子框架10结构相同，同样是由铝、铜等非磁性金属材料形成的骨架结构，同时可用作异步启动的鼠笼式转子并且可应用于开环控制。可选地，转子框架10也可由非金属材料形成。
由于转子框架10的每个槽内的磁性材料部分12c的截面面积不同，并且磁性材料部分12c的截面面积与定子磁通量的分布相对应，当定子线圈以三相正弦波电流激励时，转子框架10的金属导体材料切割旋转磁场，旋转磁场与转子框架10中产生的感应电流互相作用产生电磁转矩，从而使转子旋转。由于磁性材料部分12c中的每个的截面面积不同，使得转子相应位置的磁阻变化，由此转子在定子磁场的作用下产生同步磁阻转矩。在这种情况下，永磁体产生的永磁转矩与磁阻转矩共同作用，由此电机以轴向磁通永磁同步磁阻电机方式运行，并且，这种结构的转子磁阻电感q轴和永磁电感d轴重合，凸极率高。
图7是图6中所示的转子的磁性材料部分的示意图。
参照图7，转子的磁性材料部分12c可仅由永磁材料构成，永磁材料的厚度可约为10倍的气隙长度，例如，气隙长度为1mm时，永磁材料的厚度可以是10mm。当转子框架10a的结构是由铝、铜等非磁性金属材料形成的鼠笼式转子时，为了应用开环控制，转子框架10a在轴向上的厚度可能由于载流需求而增加，为了不增加永磁材料的用量，也可采用软磁材料部分12c1与永磁材料部分12c2组合的多层结构，例如，当转子框架10a的厚度超过10倍的气隙长度时，永磁材料部分12c2的厚度可仍然保持在10倍的气隙长度，剩余厚度可由软磁材料部分12c1代替。
根据本公开的实施例的轴向磁通永磁同步磁阻电机的轴向尺寸紧凑，电机的定子与转子之间的气隙半径最大化，从而使平均扭矩提高，电机功率密度的提高，同时有利于电机的轻量化。
虽然本公开包括具体示例，但是在理解本申请的公开内容之后将显于理解的是，在不脱离权利要求及其等同方案的精神和范围的情况下，可在形式和细节上对这些示例做出各种改变。在此描述的示例仅被认为是描述性含义，而非出于限制的目的。在每个示例中的特征或方面的描述将被认为是可适用于其他示例中的类似特征或方面。如果按照不同的顺序执行描述的技术，和/或如果按照不同的方式组合所描述的系统、架构、装置或电路中的组件，和/或由其他组件或其等同组件来替换或添加所描述的系统、架构、装置或电路中的组件，则可获得合适的结果。因此，本公开的范围不由具体实施方式限定，而是由权利要求及其等同方案限定，并且在权利要求及其等方案的范围内的全部变型将被解释为包含在本公开中。
Claims (7)
1.一种轴向磁通同步磁阻电机，其特征在于，所述电机的定子和转子沿电机的旋转轴线平行布置，定子的多个定子磁极和转子的多个转子磁极中的每个的垂直于轴向的截面为扇形形状，并且在平行于旋转轴线的方向上彼此相对，使得气隙磁场的方向与电机的旋转轴线平行，
其中，转子的所述多个转子磁极中的每个的磁性材料部分的垂直于轴向的截面面积的变化与定子磁通量的正弦变化相对应，
其中，磁性材料部分的所述截面面积的变化由磁性材料部分的径向厚度变化导致，或者磁性材料部分的所述截面面积的变化由磁性材料部分的切向极弧长度变化导致，
其中，所述转子包括转子框架，转子框架包括：内圆周部分；外圆周部分，与内圆周部分同轴布置并隔开预定距离；多个连接肋，沿径向连接在内圆周部分和外圆周部分之间，内圆周部分、外圆周部分和多个连接肋限定呈扇形的多个槽，所述多个槽中的至少一部分填充磁性材料来构成磁性材料部分，以形成转子的所述多个转子磁极。
2.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述多个连接肋沿周向均匀布置，所述多个连接肋的切向宽度相等，每个槽的垂直于轴向的截面面积相等，每个槽中的磁性材料部分的径向厚度的变化与定子磁通量的正弦变化相对应。
3.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述多个连接肋沿周向均匀布置，所述多个连接肋的切向宽度相等，每个槽的垂直于轴向的截面面积相等，每个槽中的磁性材料部分的切向极弧长度的变化与定子磁通量的正弦变化相对应。
4.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述多个连接肋沿周向均匀布置，所述多个连接肋的切向宽度不等，使得每个槽的垂直于轴向的截面面积与定子磁通量的正弦变化相对应，每个槽中的磁性材料部分的垂直于轴向的截面面积与每个槽的垂直于轴向的截面面积相对应。
5.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述多个连接肋沿周向非均匀布置，所述多个连接肋的切向宽度相等，使得每个槽的垂直于轴向的截面面积与定子磁通量的正弦变化相对应，每个槽中的磁性材料部分的垂直于轴向的截面面积与每个槽的垂直于轴向的截面面积相对应。
6.根据权利要求1-5中的任意一项所述的电机，其特征在于，所述电机的转子框架是非磁性金属框架或非磁性非金属框架。
7.根据权利要求1-5中的任意一项所述的电机，其特征在于，磁性材料部分由下列中的一种形成：软磁材料；永磁材料；永磁材料与软磁材料的组合。
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