CN114513068B - 一种新型同步磁阻电机转子结构及同步磁阻电机 - Google Patents

一种新型同步磁阻电机转子结构及同步磁阻电机 Download PDF

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Abstract

本发明为一种新型同步磁阻电机转子结构及同步磁阻电机，转子结构包括转轴和安装在转轴上的转子铁芯，转子铁芯上呈圆周均匀设有多个空气磁障组，每个空气磁障组包括沿q轴方向间隔分布的多层星形空气磁障；每层星形空气磁障上、下两条边线均满足星形线参数方程。相较于传统同步磁阻电机的圆形转子结构，星形空气磁障的末端角更大，提高了同步磁阻电机的凸极比，增大了同步磁阻电机的输出转矩，可以有效减小转矩脉动。

Description

一种新型同步磁阻电机转子结构及同步磁阻电机
技术领域
本发明属于同步磁阻电机技术领域，特别涉及一种新型同步磁阻电机转子结构及同步磁阻电机。
背景技术
电机作为常用的机电能量转换设备，被广泛应用于各个领域。永磁同步电机具有高效率、高功率密度以及高输出转矩等优点，但是由于永磁材料价格较高，导致永磁同步电机的制造成本大幅升高，而且永磁同步电机存在退磁风险。
同步磁阻电动机具有成本低、没有退磁风险等优点，是永磁同步电机和逆变器驱动的感应电机的良好替代品。此外，同步磁阻电机还具有更高的效率，更低的转子温度和出色的瞬态过载能力。由于转子没有绕组和永磁体，因此转子惯性小。现有的同步磁阻电机也存在转子转矩脉动大、输出转矩低等缺点，因此设计一款可以增大输出转矩和减小转矩脉动的同步磁阻电机转子结构具有重要意义。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种新型同步磁阻电机转子结构及同步磁阻电机。
本发明解决所述技术问题所采用的技术方案如下：
一种新型同步磁阻电机转子结构，其特征在于，包括转轴和安装在转轴上的转子铁芯，转子铁芯上呈圆周均匀设有多个空气磁障组，每个空气磁障组包括沿q轴方向间隔分布的多层星形空气磁障；每层星形空气磁障上、下两条边线均为星形线，均满足下述方程：
其中，(x，y)为边线上任意点的坐标，r为星形线形成过程中定圆的半径，α为星形线形成过程中动圆圆心O'与定圆圆心O连线与x正半轴的夹角。
所述每个空气磁障组均三层星形空气磁障，沿q轴方向由外至内依次为第一层星形空气磁障、第二层星形空气磁障和第三层星形空气磁障，第二层星形空气磁障与第一层星形空气磁障以及第三层星形空气磁障之间分别形成第一导磁体层和第二导磁体层；每层星形空气磁障的末端与转子铁芯外径之间的部分为肋；
第一层星形空气磁障与第二层星形空气磁障的宽度之比为0～1，第二层星形空气磁障与第三层星形空气磁障的宽度之比为0～1；第一层星形空气磁障与第一导磁体层的宽度之比为0.49～0.57，第一层星形空气磁障与第一导磁体层的宽度之和等于n倍定子齿宽，n取1或2；第二层星形空气磁障与第二导磁体层的宽度之比为0.49～0.57；设γ1，γ2，γ3分别为第一层星形空气磁障、第二层星形空气磁障以及第三层星形空气磁障的末端角，即各个星形空气磁障的两端分别与q轴之间的夹角，则0＜γ1＜γ2＜γ3＜π/4；各层星形空气磁障位于q轴上半部分的末端角满足下式：
θi＝γi+π/4 (3)
(di1+di2)2×(cos6αi+sin6αi)＝4(R-a)2 (6)
(12)
其中，γi为第i层星形空气磁障的末端角，θi为第i层星形空气磁障位于q轴上半部分的末端与x轴之间的夹角，αi为第i层星形空气磁障末端中点所在的星形线形成过程中动圆圆心和定圆圆心之间的连线与x正半轴的夹角；di1，di2分别为第i层星形空气磁障上、下两条边线与q轴的交点到坐标原点的距离，R为转子外径，a为肋的宽度。
当第一层星形空气磁障与第一导磁体层的宽度之比取0.52，第二层星形空气磁障与第二导磁体层的宽度之比取0.52，第一层星形空气磁障与第二层星形空气磁障的宽度之比取0.8，第二层星形空气磁障与第三层星形空气磁障的宽度之比取0.8，该同步磁阻电机转子结构有助于减小转矩脉动；当第一层星形空气磁障的末端与q轴的夹角γ1取20度，第二层星形空气磁障的末端与q轴的夹角γ2取34度，第三层星形空气磁障的末端与q轴的夹角γ3取43度，该同步磁阻电机转子结构有助于提高同步磁阻电机的输出转矩。
一种同步磁阻电机，其特征在于，该同步磁阻电机包含上述的新型同步磁阻电机转子结构。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的转子结构的每层星形空气磁障的上、下边线均为星形线，相对于传统同步磁阻电机的圆形转子结构，星形空气磁障的末端角更大，提高了同步磁阻电机的凸极比，增大了同步磁阻电机的输出转矩，可以有效减小转矩脉动。本发明的转子结构相对于传统同步磁阻电机的圆形转子结构，转轴周围的转子铁芯体积更大，使得导磁体的体积更大，磁通密度低，能够有效减小同步磁阻电机的铁损，有助于提高同步磁阻电机的效率。
附图说明
图1为传统的同步磁阻电机的转子结构示意图；
图2为本发明的转子结构示意图；
图3为星形线形成的原理图；
图4为本发明的转子结构构成的同步磁阻电机与传统的同步磁阻电机的转矩对比图；
图5为本发明的转子结构构成的同步磁阻电机的磁通密度云图；
图6为传统的同步磁阻电机的磁通密度云图；
图7为本发明的转子结构构成的同步磁阻电机与传统的同步磁阻电机的铁损对比图；
图中，1-第一层星形空气磁障；2-第二层星形空气磁障；3-第三层星形空气磁障；4-第一导磁体层；5-第二导磁体层；6-肋；7-转轴；8-转子铁芯。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清晰、完整的描述，但并不以此限定本申请的保护范围。
如图2所示，本发明提供了一种新型同步磁阻电机转子结构，该同步磁阻电机转子结构包括转轴7和安装在转轴7上的转子铁芯8，转子铁芯8上呈圆周均匀设有四个空气磁障组，即该同步磁阻电机转子结构具有四个极，每个空气磁障组包括沿q轴方向间隔分布的多层星形空气磁障，本实施例设置有三层，由外至内依次为第一层星形空气磁障1、第二层星形空气磁障2和第三层星形空气磁障3，第二层星形空气磁障2与第一层星形空气磁障1以及第三层星形空气磁障3之间分别形成第一导磁体层4和第二导磁体层5；q轴是指每个空气磁障组自身的中心线；每层星形空气磁障的末端与转子铁芯8外径之间的部分为肋6，针对额定功率20KW以下的小型同步磁阻电机，肋6的宽度通常取1mm；每层星形空气磁障上、下两条边线均为星形线，且满足下述的星形线参数方程：
其中，(x，y)为边线上任意点的坐标，即星形线形成过程中动圆上点P'的坐标；r为星形线形成过程中定圆的半径，α为星形线形成过程中动圆圆心O'与定圆圆心O连线与x正半轴的夹角；
图3为星形线形成的原理图，动圆沿着定圆滚动且始终保持相切，动圆上定点P的运动轨迹即为星形线，定点P运动到某一位置后得到点P'；
第一层星形空气磁障1与第二层星形空气磁障2的宽度之比为0～1，第二层星形空气磁障2与第三层星形空气磁障3的宽度之比为0～1；第一层星形空气磁障1与第一导磁体层4的宽度之比为0.49～0.57，第一层星形空气磁障1与第一导磁体层4的宽度之和等于n倍定子齿宽，n取1或2；第二层星形空气磁障2与第二导磁体层5的宽度之比为0.49～0.57；设γ1，γ2，γ3分别为第一层星形空气磁障1、第二层星形空气磁障2以及第三层星形空气磁障3的末端角，即各星形空气磁障的两个末端分别与q轴的夹角，则0＜γ1＜γ2＜γ3＜π/4；
对于第i(i＝1，2，3)层星形空气磁障而言，第i层星形空气磁障的末端中点(xi，yi)满足下述方程：
其中，R为转子外径，a为肋的宽度；
第i层星形空气磁障位于q轴上半部分的末端与x轴之间的夹角θi满足：
θi＝γi+π/4 (3)
其中，γi为第i层星形空气磁障位于q轴上半部分的末端角；
第i层星形空气磁障沿q轴方向的中点到坐标原点之间的距离di为：
di＝(di1+di2)/2 (4)
其中，di1，di2分别为第i层星形空气磁障上、下两条边线与q轴的交点到坐标原点的距离；
di还满足下式：
将式(1)～(5)联立方程可得：
(di1+di2)2×(cos6αi+sin6αi)＝4(R-a)2 (6)
其中，αi为第i层星形空气磁障末端中点所在的星形线形成过程中动圆圆心和定圆圆心之间的连线与x正半轴的夹角；
根据图3星形线上任意点的坐标(x，y)还应满足下式：
其中，θ为星形线上某一点和定圆圆心O的连线与x正半轴的夹角，|OP′|为定圆圆心O与点P′之间的距离；
由余弦定理有：
其中，|O′P′|为动圆圆心O′与点P′之间的距离，|OO′|为定圆圆心O到动圆圆心O′的距离；
根据星形线定义，结合图3的几何关系有：
αr＝(π+∠OO′P′)r/4 (9)
联立式(1)(7)(8)(9)，则有：
联立式(1)、(7)、(10)可得：
第i层星形空气磁障位于q轴上半部分的末端与x轴之间的夹角θi满足下式：
当第一层星形空气磁障1与第一导磁体层4的宽度之比取0.52，第二层星形空气磁障2与第二导磁体层5的宽度之比取0.52，第一层星形空气磁障1与第二层星形空气磁障2的宽度之比取0.8，第二层星形空气磁障2与第三层星形空气磁障3的宽度之比取0.8，该同步磁阻电机转子结构有助于减小转矩脉动；当第一层星形空气磁障1的末端与q轴的夹角γ1取20度，第二层星形空气磁障2的末端与q轴的夹角γ2取34度，第三层星形空气磁障3的末端与q轴的夹角γ3取43度，该同步磁阻电机转子结构有助于提高同步磁阻电机的输出转矩。
本发明还提供一种新型同步磁阻电机，该同步磁阻电机包含上述的同步磁阻电机转子结构。
图4为本发明的同步磁阻电机和传统的同步磁阻电机的转矩对比图；传统的同步磁障电机转子结构的空气磁障上、下两条边线满足圆的一般方程(x-x0)2+(y-y0)2＝R2，(x0，y0)为圆心，R为圆的半径。从图3可知，本发明的同步磁阻电机的平均转矩为225.3390Nm，传统的同步磁阻电机的平均转矩为215.1003Nm，本发明的同步磁阻电机的平均转矩明显高于传统的同步磁阻电机，且前者的转矩脉动较后者低78％，因此本发明的转子结构有助于提高同步磁阻电机的输出转矩。
图5、6分别为本发明的同步磁阻电机和传统的同步磁阻电机的磁通密度云图，从图中可以看出，本发明的转子结构在转轴周围的磁通密度明显低于传统的同步磁阻电机，有助于减小同步磁阻电机的铁损。
图7为本发明的同步磁阻电机和传统的同步磁阻电机的铁损对比图，本发明的同步磁阻电机的平均铁损为447.1W，传统的同步磁阻电机的平均铁损为479.7W，进一步验证了本发明的转子结构有利于减小同步磁阻电机的铁损，提高同步磁阻电机的效率。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (3)

1.一种新型同步磁阻电机转子结构，其特征在于，包括转轴和安装在转轴上的转子铁芯，转子铁芯上呈圆周均匀设有多个空气磁障组，每个空气磁障组包括沿q轴方向间隔分布的多层星形空气磁障；每层星形空气磁障上、下两条边线均为星形线，均满足下述方程：
其中，(x，y)为边线上任意点的坐标，r为星形线形成过程中定圆的半径，α为星形线形成过程中动圆圆心O'与定圆圆心O连线与x正半轴的夹角；
所述每个空气磁障组均三层星形空气磁障，沿q轴方向由外至内依次为第一层星形空气磁障、第二层星形空气磁障和第三层星形空气磁障，第二层星形空气磁障与第一层星形空气磁障以及第三层星形空气磁障之间分别形成第一导磁体层和第二导磁体层；每层星形空气磁障的末端与转子铁芯外径之间的部分为肋；
第一层星形空气磁障与第二层星形空气磁障的宽度之比为0～1，第二层星形空气磁障与第三层星形空气磁障的宽度之比为0～1；第一层星形空气磁障与第一导磁体层的宽度之比为0.49～0.57，第一层星形空气磁障与第一导磁体层的宽度之和等于n倍定子齿宽，n取1或2；第二层星形空气磁障与第二导磁体层的宽度之比为0.49～0.57；设γ1，γ2，γ3分别为第一层星形空气磁障、第二层星形空气磁障以及第三层星形空气磁障的末端角，即各个星形空气磁障的两端分别与q轴之间的夹角，则0＜γ1＜γ2＜γ3＜π/4；各层星形空气磁障位于q轴上半部分的末端角满足下式：
θi＝γi+π/4 (3)
(di1+di2)2×(cos6αi+sin6αi)＝4(R-a)2 (6)
其中，γi为第i层星形空气磁障的末端角，θi为第i层星形空气磁障位于q轴上半部分的末端与x轴之间的夹角，αi为第i层星形空气磁障末端中点所在的星形线形成过程中动圆圆心和定圆圆心之间的连线与x正半轴的夹角；di1，di2分别为第i层星形空气磁障上、下两条边线与q轴的交点到坐标原点的距离，R为转子外径，a为肋的宽度。
2.根据权利要求1所述的新型同步磁阻电机转子结构，其特征在于，当第一层星形空气磁障与第一导磁体层的宽度之比取0.52，第二层星形空气磁障与第二导磁体层的宽度之比取0.52，第一层星形空气磁障与第二层星形空气磁障的宽度之比取0.8，第二层星形空气磁障与第三层星形空气磁障的宽度之比取0.8，该同步磁阻电机转子结构有助于减小转矩脉动；当第一层星形空气磁障的末端与q轴的夹角γ1取20度，第二层星形空气磁障的末端与q轴的夹角γ2取34度，第三层星形空气磁障的末端与q轴的夹角γ3取43度，该同步磁阻电机转子结构有助于提高同步磁阻电机的输出转矩。
3.一种同步磁阻电机，其特征在于，该同步磁阻电机包含权利要求1所述的新型同步磁阻电机转子结构。
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