CN114337161A - 一种双转子结构永磁辅助同步磁阻电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双转子结构的永磁辅助同步磁阻电机，该电机由内转子(1)、外转子(2)、隔磁环(3)、内定子(4)、外定子(5)组成，其中内外转子均为永磁辅助式同步磁阻转子。内转子(1)利用表贴式永磁体代替在铁芯中嵌入永磁体，以及采用两种不同形状磁通屏障，使得该结构可在保持尽可能低的转矩脉动的同时，以较小的永磁体用量输出较大的转矩值。外转子(2)采用C形磁障结构，并在磁障中填充混合永磁材料，同样可在减少使用高成本稀土永磁材料的同时，最大限度地提高输出转矩。本发明可有效提高该电机的转矩密度，提升功率因数及效率，有效抑制转矩脉动，并且在缩减生产成本的同时保证转子机械强度。

Description

一种双转子结构永磁辅助同步磁阻电机

技术领域

本发明涉及一种电机，特别是涉及一种双转子结构永磁辅助同步磁阻电机。

背景技术

近年来，永磁同步电机以其高转矩密度、低维护成本、高效率和高功率因数等优点被广泛应用于各种场合。然而，由于稀土永磁体的大量使用，其成本相对较高。为了降低成本，充分利用转子凸度产生的磁阻转矩是一种主要的发展趋势，这种技术在同步磁阻电机中得到了很好的应用。

同步磁阻电机与永磁同步电机相比，虽然其结构坚固，成本低，但是转矩密度、功率因数和效率相对较低。

通过向同步磁阻电机的转子磁通屏障中插入适量的永磁体，电机的性能可以得到提高，从而形成永磁辅助式同步磁阻电机，特别是含铁氧体的永磁辅助同步磁阻电机因其成本低廉备受青睐。

经研究发现永磁辅助同步磁阻电机也存在缺点，该类型电机的永磁转矩和磁阻转矩共同构成了总转矩，它们在不同的电流相位角处达到各自的最大值，理论上相差45

。因此，不能充分利用这两个转矩分量来获得总转矩。

发明内容

本发明目的在于提供一种双转子结构永磁辅助同步磁阻电机，本发明通过利用电机内部空间，设置内外双转子，调整永磁体装配位置，构建新型磁通屏障，提高电机的转矩输出与功率因数，减少转矩波动。本发明在降低生产成本的同时，能够充分利用定子内部空间，提升输出转矩和功率因数，抑制转矩波动。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种双转子结构的永磁辅助同步磁阻电机，所述电机由内向外包括：内转子、内定子、隔磁环、外定子、外转子。内外定子上均匀开槽，且位于内外转子中间，由隔磁环分开内外定子。内定子内侧与内转子同轴连接，外定子外侧与外转子同轴连接，内定子包括内定子铁芯和嵌套在内定子铁芯槽中的内定子绕组，外定子包括外定子铁芯和嵌套在外定子铁芯槽中的外定子绕组，内转子与外转子上均装设有永磁体，内转子采用表贴式永磁体以及两层不同类型的磁通屏障，外转子采用内嵌式永磁体以及三层磁通屏障。

所述的一种双转子结构的永磁辅助同步磁阻电机，所述内外定子铁芯槽数相等，槽形相同，并且均匀分布，定子绕组包括内定子绕组和外定子绕组缠绕在定子轭上，内外定子绕组均为三相双层分布式绕组。

所述的一种双转子结构的永磁辅助同步磁阻电机，所述内转子中钕铁硼永磁体位于转子铁芯表面，两层磁障分别是内部磁通屏障和截止磁通屏障，两层磁障都位于两个相邻的永磁体中间，其中内部磁通屏障一分为二，呈轴对称分布。

所述的一种双转子结构的永磁辅助同步磁阻电机，所述外转子中三层磁通屏障均为等磁障宽度的C形磁障，磁障中内嵌有钕铁硼永磁体以及铁氧材料永磁体组合而成的混合永磁体，铁氧体永磁材料填充在C形磁障的中间部分，而稀土永磁体填充在磁障两侧部分。永磁体为径向充磁，向里或向外，相邻永磁体充磁方向相反。

所述的一种双转子结构的永磁辅助同步磁阻电机，所述内定子与内转子之间有一层内气隙，外定子与外转子之间有一层外气隙。

所述的一种双转子结构的永磁辅助同步磁阻电机，所述内转子和外转子共同安装在转轴上进行输出，定转子铁芯均采用硅钢片，沿转轴方向叠压而成。

所述的一种双转子结构的永磁辅助同步磁阻电机，所述隔磁环将电机分为内电机和外电机。

本发明的优点与效果是：

1.本发明提出的一种双转子结构的永磁辅助同步磁阻电机，充分利用电机内部空间，采用双转子双定子结构，隔磁环将定子分为内外定子，内外定子均匀开槽，位于内外转子中间。通过在外转子中加入稀土永磁材料和非稀土永磁材料，使得外转子电机可以提供与传统电机相当的转矩性能，并且具有稀土永磁材料消耗少、永磁成本低的独特优势。同时，内转子电机还通过调整永磁体的装配位置解决了传统同步磁阻电机不能充分利用永磁转矩分量和磁阻转矩分量的问题，以此保证电机通过磁通屏障获得足够的磁阻转矩并且有效抑制转矩波动。

2.本发明内转子永磁辅助同步磁阻电机选用内部磁通屏障和截止磁通屏障，通过扩大两种磁通屏障跨距以及增加厚度可以显著提高转矩输出。经过机械应力分析，发现内转子最高的米塞斯应力出现在磁障外肋处，且数值在理想范围以内，因而得以保证内转子电机稳定运行的同时，不会对外转子电机产生影响。

3.本发明外转子选用C型磁障， C形磁障相比U形和V形磁障，随着磁障层数增加，磁阻转矩增加明显，使得输出转矩得以快速提升，且C形磁障同步磁阻电机转矩脉动与磁障层数无必然联系。将C形磁障层数设置为3层，优点在于考虑到永磁辅助同步磁阻电机的磁障层数对电机影响性能较大，在永磁含有率不变的前提下，随着磁障层数增加，电机的永磁磁链和电磁功率均先增大后减小并在磁障为3层时达到最大值。

4. 本发明将铁氧体材料填充在C形磁障的中间部分，有效防范了铁氧体退磁的风险。即使钕铁硼永磁体用量较少，但仍保证外转子电机具有较强的抗退磁能力，有较高的性价比。

5. 本发明双转子电机具有功率密度高、效率高、可靠性高、电机体积小，磁链、反电动势高度正弦等优点，并且内外转子上都开有空气槽，有利于解决电机散热问题。

附图说明

图1为本发明一种双转子结构的永磁辅助同步磁阻电机的结构示意图；

图2为本发明一种双转子结构的永磁辅助同步磁阻电机的内转子结构示意图；

图3为本发明一种双转子结构的永磁辅助同步磁阻电机的外转子永磁体分布示意图；

图4为本发明一种双转子结构的永磁辅助同步磁阻电机的内转子永磁体移动示意图。

图中包括：1.内转子，2.外转子，3.隔磁环，4.内定子，5.外定子，6.钕铁硼永磁体，7.铁氧材料永磁体，8.定子绕组，9.内部磁通屏障，10.截止磁通屏障。

具体实施方式

下面结合附图所示实施例对本发明进行详细说明。

本发明一种双转子结构的永磁辅助同步磁阻电机，由内转子、内定子、外定子、外转子、隔磁环构成；隔磁环位于内定子和外定子中间。内转子采用同步磁阻转子配以少量表贴式钕铁硼永磁体作永磁辅助作用，其中永磁体中心线对应同步磁阻转子的d轴。一般永磁辅助同步磁阻电机的q轴对应磁通屏障中心线，此处磁阻最大；d轴位于相邻磁障中间位置，此处磁阻最小。该电机内转子永磁体中心线位置与常规永磁辅助同步磁阻电机永磁体装配位置相反，以此保证内转子电机主要输出转矩分量为磁通屏障提供的磁阻转矩，由永磁体来提供额外的电磁转矩，并且通过对表贴式永磁体位置的移动，可以有效抑制内转子电机的转矩波动。转子铁芯上设置有内部磁通屏障和截止磁通屏障，通过调整两种磁障的跨距及厚度尺寸可以显著提高电机转矩输出。外转子电机同样采用永磁辅助同步磁阻转子，转子铁芯上设置有三层C形磁障，在磁障内部设置有铁氧永磁材料和稀土永磁材料组合而成的混合永磁体，在减少使用高成本稀土永磁材料的同时，以最大限度地提高转矩输出。为了规避铁氧体退磁风险，将铁氧体材料永磁体设置在C形磁障中间位置，稀土永磁体设置在磁障两侧位置。内外定子均选择分布式绕组是因为分布式绕组能产生更均匀的磁动势，谐波含量更少，与集中式绕组相比，它还具有更低的转矩脉动，可以降低损耗，易于制造线圈和降低绕组成本。

实施例1

如图1所示，为一种双转子结构的永磁辅助同步磁阻电机的结构示意图。该电机由内转子1，外转子2，隔磁环3，内定子4，外定子5组成，内定子4和外定子5上分别均匀开有36个铁芯槽，每个定子槽槽形相同，尺寸参数相等，内定子4内侧连接着内转子1，外定子5外侧连接着外转子2，由隔磁环3连接内定子4和外定子5，隔磁环3为不锈钢材质，以上部件均同轴心安装。钕铁硼永磁体6分别表贴在内转子1表面以及内置在外转子2中的C形磁障两侧位置，铁氧体材料永磁体7内置在外转子2中的C形磁障中间位置。定子绕组8分别嵌放在内定子4和外定子5铁芯槽内，且为双层分布式绕组。内转子1与内定子4之间设置有内气隙，外转子2与外定子5之间设置有外气隙。

如图2所示，为一种双转子结构的永磁辅助同步磁阻电机的内转子结构示意图。由于磁通屏障与定子槽的相对位置会对电机的磁通量分布产生很大影响，该电机内部磁通屏障与截止磁通屏障分布于表贴式永磁体中间位置，且内部磁通屏障一分为二，呈轴对称分布。最大转矩输出值随着两种磁通屏障的厚度变化，而逐渐增大。稀土永磁体沿同步磁阻电机d轴添加，当电流角为负时，永磁体磁通与d轴电枢磁通方向相同，此时电机工作在磁通强化区，这有助于避免稀土永磁体不可逆退磁。尤其值得注意的是，在转子装配期间，应尤其注意表贴式永磁体的安装，由于表贴式永磁体稍薄，极易造成损坏。

如图3所示，为一种双转子结构的永磁辅助同步磁阻电机的外转子永磁体分布示意图。为减少高成本稀土永磁体的使用，外转子C形磁障中内嵌有混合材料永磁体，采用径向充磁方式，相邻永磁体充磁方向相反，该混合材料永磁体由铁氧体粉末冶金材料Y40和稀土粉末冶金材料NdFeB35烧结而成。每层C形磁通屏障中，两种弧形永磁体拼接在一起，形成一个串联磁路，铁氧材料永磁体可以被高性能稀土永磁体磁化，从而将铁氧体的工作点提升接近至剩磁点，且铁氧体安装位置位于磁障中间位置，因此铁氧材料永磁体工作区域不存在退磁风险。由于磁阻转矩取决于同步磁阻转子的凸极比，提高凸极比利于磁阻转矩的增加，但是提高过大会对转子机械性能以及输出转矩脉动产生负面影响，而增加稀土永磁体数量虽然可以提高电机输出转矩和功率因数，但是会导致制造成本增加和转子铁芯饱和。因此综合考虑以上两个因素，该电机经优化软件计算得出铁氧材料永磁体占总磁障面积为

，稀土材料永磁体占总磁障面积为

时电机综合性能良好。所采用的结构不仅可以提供与稀土永磁同步电机相当的性能，而且可以实现低稀土永磁使用量，具有价格优势。

如图4所示，为一种双转子结构的永磁辅助同步磁阻电机的内转子永磁体移动示意图。当移动内转子表贴式永磁体时，虽然不会对输出的电磁转矩产生太大影响，但是输出转矩脉动会发生显著变化。当永磁体沿转子圆周逆时针旋转

，此时转矩脉动可以大大减小。

Claims (7)

1.一种双转子结构永磁辅助同步磁阻电机，其特征在于，该电机包括内转子(1)、外转子(2)、内定子(4)、外定子(5)，定子内外两侧均匀开槽，内外定子位于转子中间；其中，内定子(4)和外定子(5)中间设置有隔磁环(3)，内定子(4)内侧与内转子(1)同轴连接，外定子(5)外侧与外转子(2)同轴连接，内定子(4)包括内定子铁芯和嵌套在内定子铁芯槽中的内定子绕组，外定子(5)包括外定子铁芯和嵌套在外定子铁芯槽中的外定子绕组，内转子(1)与外转子(2)上均装设有永磁体，内转子(1)采用表贴式永磁体以及两层不同类型的磁通屏障，外转子(2)采用内嵌式永磁体以及三层磁通屏障。

2.根据权利要求1所述的一种双转子结构的永磁辅助同步磁阻电机，其特征在于，所述内外定子铁芯槽数相等，槽形相同，并且均匀分布，定子绕组(8)包括内定子绕组和外定子绕组缠绕在定子轭上，内外定子绕组均为三相双层分布式绕组。

3.根据权利要求1所述的一种双转子结构的永磁辅助同步磁阻电机，其特征在于，所述内转子(1)中钕铁硼永磁体(6)位于转子铁芯表面，两层磁通屏障分别为内部磁通屏障和截止磁通屏障。

4.根据权利要求1所述的一种双转子结构的永磁辅助同步磁阻电机，其特征在于，所述外转子(2)中三层磁通屏障均为C形磁通屏障，磁障中内嵌有钕铁硼永磁体(6)以及铁氧材料永磁体(7)组合而成的混合永磁体，永磁体为径向充磁，向里或向外，相邻永磁体充磁方向相反。

5.根据权利要求1所述的一种双转子结构的永磁辅助同步磁阻电机，其特征在于，所述内定子(4)与内转子(1)之间有一层内气隙，外定子(5)与外转子(2)之间有一层外气隙。

6.根据权利要求1所述的一种双转子结构的永磁辅助同步磁阻电机，其特征在于，所述内转子(1)和外转子(2)共同安装在转轴上进行输出，定转子铁芯采用硅钢片沿转轴方向叠压而成。

7.根据权利要求1所述的一种双转子结构的永磁辅助同步磁阻电机，其特征在于，所述隔磁环(3)将电机分为内电机和外电机。

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