CN114844313A - 一种双三相不对称交替极永磁辅助同步磁阻电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种双三相不对称交替极永磁辅助同步磁阻电机。该电机包括定子1和转子2；所述定子上采用双三相绕组3结构；所述转子上的永磁体采用交替极不对称结构，永磁体71、73和74的充磁方向为径向且背离圆心，永磁体72的充磁方向为垂直于第三层左侧磁障61并指向第二层左侧磁障51。第一层U形磁障4为对称结构；第二层U形不对称磁障由左侧磁障51和右侧磁障52构成，中间内嵌永磁体74；第三层“一+U”形不对称磁障由左侧磁障61、右侧磁障62和附加一字型磁障63构成，三段永磁体71、72和73内嵌在该磁障中。本发明电机在相同电流角下实现了永磁转矩和磁阻转矩同时最大，不但提高了永磁转矩和磁阻转矩的利用率，增大了输出转矩，而且减小了永磁体用量。

Description

一种双三相不对称交替极永磁辅助同步磁阻电机
技术领域
本发明涉及一种双三相不对称交替极永磁辅助同步磁阻电机，属于电机设计和制造领域。
背景技术
永磁同步电机结构简单，拥有高效率、高功率因数以及高转矩密度的优点。同步磁阻电机一般采用具有凸极结构的多层磁障转子，这种结构可以增大转子交、直轴磁路的磁阻，进而增大凸极比，提升电机转矩，并且避免了稀土材料的使用，降低了成本。国外的学者结合两种电机结构，提出了一种极具发展前景的高性能新型电机——永磁辅助同步磁阻电机。这种电机转子结构多变，永磁体添加方式灵活多样，综合利用磁阻转矩和永磁转矩，进一步提升输出转矩。然而永磁辅助同步磁阻电机也存在永磁体利用率低、结构复杂、永磁转矩和磁阻转矩利用率低等问题。所以在电机设计过程中，解决这些问题具有重要的研究意义。另一方面，由于永磁体价格昂贵，电机制造的价格也居高不下。近些年来，交替极结构的提出不仅可以大幅度地减少永磁体的使用量，同时也可以获得与常规极结构相近甚至更优的输出性能。交替极应用到永磁辅助同步磁阻电机中能够提升永磁体利用率、永磁转矩利用率和磁阻转矩利用率，对推广使用永磁辅助同步磁阻电机，提升其竞争力具有十分重要的意义。
国内外学者提出了很多不同结构的永磁辅助同步磁阻电机。文献Design of aNovel PM-Assisted Synchronous Reluctance Motor Topology Using V-ShapePermanent Magnets for Improvement of Torque Characteristic(IEEE Transactionson Energy Conversion,doi:10.1109/TEC.2021.3109079.)介绍一种转子结构不对称V形永磁体永磁辅助同步磁阻电机。该结构在相同电流相位角下，利用磁阻转矩和永磁转矩最大值来提升总输出转矩。文献Experimental Assessments of a Triple Redundant Nine-Phase Fault-Tolerant PMA-SynRM Drive(IEEE Transactions on IndustrialElectronics,vol.66,no.1,pp.772-783,Jan.2019.)介绍了模块化永磁辅助同步磁阻电机，并与内置式永磁同步电机和永磁辅助同步磁阻电机比较。结果表明新型结构不但在永磁体的用量方面得到减少，而且有低转矩脉动、低涡流损耗和高功率因数的优点。
本发明专利的目的就是设计一种双三相不对称交替极永磁辅助同步磁阻电机，提升永磁体的利用率，实现永磁转矩和磁阻转矩在同一电流相位角下，同时达到最大值，提高永磁转矩和磁阻转矩的利用率，提升电机输出转矩。
发明内容
本发明的目的是解决现有永磁辅助同步磁阻电机的稀土永磁材料用量大、成本高，永磁体利用率低，永磁转矩和磁阻转矩均未得到充分利用等问题，提出一种双三相交替极永磁辅助同步磁阻电机。实现永磁转矩和磁阻转矩在同一电流相位角下，同时达到最大值，提升了电机的输出转矩，提高了永磁体、永磁转矩和磁阻转矩的利用率。
为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：本发明提出一种双三相不对称交替极永磁辅助同步磁阻电机，包括定子铁心1，转子铁心2，所述定子铁心1设置双三相绕组3，所述转子铁心2设置有三层磁障，所述三层磁障从转子外到内依次为第一层U形对称磁障4、第二层U形不对称磁障由左侧磁障51和右侧磁障52构成、第三层“一+U”形不对称磁障由左侧磁障61、右侧磁障62和附加一字型磁障63构成；所述第二层U形不对称和第三层“一+U”形不对称磁障中内嵌不对称交替极阵列永磁体，所述交替极阵列永磁体由第二层和第三层磁障中的永磁体71、永磁体72、永磁体73和永磁体74构成；所述永磁体71沿圆周所跨角度为δ，充磁方向为径向充磁，所述永磁体72的长度为LPM2，充磁方向为垂直第三层左侧磁障61指向第二层左侧磁障51充磁，所述永磁体73和永磁体74的长度分别为LPM3和LPM4，且LPM3>LPM4，充磁方向均为背离圆心径向充磁。所述永磁体71内嵌于第三层附加一字型磁障63中，到第三层附加一字型磁障63的左端的角度为θ-1-δ；所述永磁体72内嵌于第三层左侧磁障61中，到第三层顶部的距离为L3＝2L1/3；所述永磁体73和永磁体74分别内嵌于第二层U形不对称和第三层“一+U”形不对称磁障底部的中心位置。相邻两个永磁磁极之间的铁心充当虚拟极8，永磁磁极和虚拟极8在转子的圆周上交替分布，形成交替极结构。本发明电机转子2采用不对称磁障和永磁体结构，磁障张角左右两侧不相等，第二层左侧磁障51和第二层右侧磁障52、第三层左侧磁障61和第三层右侧磁障62均为左右两侧不对称结构。所述第二层右侧磁障52和第三层右侧磁障62不对称偏移角度为β，所述第一层磁障4张角为α，所述第二层左侧磁障51张角为m，所述第二层右侧磁障52张角为m-β，所述第三层左侧磁障61张角为n，所述第三层右侧磁障62张角为n-β，所述第三层附加一字型磁障63张角为θ。所述永磁体72长度LPM2小于第三层左侧磁障61的长度，所述永磁体73长度LPM3小于第三层顶部的磁障长度LZ3，所述永磁体74长度LPM4小于第二层顶部的磁障长度LZ2。永磁体71、永磁体72、永磁体73和永磁体74的厚度分别为HPM1、HPM2、HPM3和HPM4，且HPM2＝HPM3＝HPM4。虚拟极8的长度分别为LI1、LI2，且LI1>LI2。第一层U形对称磁障4与第二层U形不对称磁障之间的距离为L1，第二与第三层“一+U”形不对称磁障之间的距离为L2，且L1<L2。Rripm和Rropm分别为永磁体71的内半径和外半径，其中HPM1＝Rropm-Rripm。
本发明进一步特征在于：磁障满足以下关系：4°≤α≤5.5°，11°≤m≤12°，18°≤n≤19°，0<β≤2°，7°≤θ≤9°，第三层附加一字型磁障63张角θ与永磁体71长度δ满足θ＝4δ。
本发明进一步特征在于：永磁体满足以下条件：0.5°≤δ≤2°，4mm≤LPM2≤5mm，2.5mm≤LPM4<LPM3<LI2<LI1≤7mm，2mm≤HPM1≤4mm，2mm≤HPM2＝HPM3＝HPM4≤3mm，4mm≤L1<L2≤6mm。
本发明进一步特征在于：永磁体71、永磁体72、永磁体73、永磁体74和虚拟极8组合为一对交替磁极。永磁体71、永磁体73和永磁体74的充磁方向均为背离圆心径向充磁，永磁体72的充磁方向为垂直于第三层左侧磁障61并指向第二层左侧磁障51充磁。
本发明进一步特征在于：双三相绕组基于槽电势星形图将绕组分成六相，保证A1相与B1相相位相差120°，A2相在A1相的基础上相移30°，B1相与C1相相位相差120°，B2相在B1相的基础上相移30°，C1相与A1相相位相差120°，C2相在C1相的基础上相移30°。
本发明进一步特征在于：双三相绕组用于永磁辅助同步磁阻电机能够有效地降低转矩脉动，提高转矩密度。
本发明进一步特征在于：该结构不仅适用于双三相电机，而且也适用于三相电机。
本发明进一步特征在于：所述三层磁障中，里面两层部分嵌入永磁体，其余部分为气隙或不导磁材料。
本发明具有以下有益效果：
1.本发明永磁电机采用交替极和不对称磁极结构，与常规N-S阵列对称的永磁电机相比，提高了永磁体利用率、永磁转矩利用率和磁阻转矩利用率，该结构不但实现了在同一电流相位角下，永磁转矩和磁阻转矩同时达到最大值，提升了电机总输出转矩，而且降低了永磁体用量。
2.本发明的不对称磁障、不对称永磁体阵列、以及“一+U”形永磁阵列实现了转子磁场d轴的偏移，实现了永磁转矩和磁阻转矩均在相同电流角下达到最大值，增大了电机出转矩能力。
3.本发明每个永磁磁极由四块永磁体组成，四块永磁体形成聚磁，有利于提升转矩性能。
4.本发明采用双三相绕组，当移相一定角度时，电感中的偶次谐波得到消除，进而消除磁阻转矩中的偶次谐波，提升了磁阻转矩基波含量，实现提高磁阻转矩和降低转矩脉动的目的。
5.当电机绕组或驱动器出现故障时，双三相结构能够使电机能够持续平稳运行。
6.本发明采用交替极结构时，q轴磁路磁阻增大，导致d轴和q轴电感差值增大，磁阻转矩进一步增大，提升了磁阻转矩在总输出转矩中的占比。
附图说明
图1为本发明实施例电机的结构示意图。
图2为本发明实施例电机的局部放大图。
图3为本发明实施例电机的转子局部放大图。
图4为本发明实施例电机的槽电势星形图。
图5为本发明实施例电机的矩角特性图。
图6为传统电机的矩角特性图。
图7为电磁转矩波形图。
图1中标号名称：1.定子；2.转子铁心；3.双三相绕组；4.第一层U形对称磁障；51.第二层左侧磁障；52.第二层右侧磁障；61.第三层左侧磁障；62.第三层右侧磁障；63.第三层附加一字型磁障；71.永磁体；72.永磁体；73.永磁体；74.永磁体；8.虚拟极。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方案，为了更加清楚、完善的说明本发明电机的结构特点和有益效果。
下面将结合附图中的双三相不对称交替极永磁辅助同步磁阻电机对本发明加以说明。如图1所示，永磁体内嵌于第二层U形不对称磁障和第三层“一+U”形不对称磁障内部，其中永磁体的充磁方向如图2所示。本发明实施例中电机的极对数p为7。定子槽数为48。根据电机学的槽电势星形图的理论，本发明实施例的电枢绕组采用分布式双层绕组以获得最大的输出转矩。
图1、图2和图3分别为本发明的双三相不对称交替极永磁辅助同步磁阻电机实施例图、实施例电机局部放大图和实施例电机转子局部放大图。图1包括定子铁心1，转子铁心2，所述定子铁心1设置双三相绕组3，转子铁心2中设置有三层磁障，所述三层磁障从转子外到内依次为第一层U形对称磁障4、第二层U形不对称磁障由左侧磁障51和右侧磁障52构成、第三层“一+U”形不对称磁障由左侧磁障61、右侧磁障62和附加一字型磁障63构成；所述第二层U形不对称和第三层“一+U”形对称磁障中内嵌不对称交替极阵列永磁体，所述交替极阵列永磁体由第二层U形不对称和第三层“一+U”形不对称磁障中的永磁体71、永磁体72、永磁体73和永磁体74构成；如图2所示，在第二层U形不对称磁障和第三层“一+U”形不对称磁障中设置有稀土永磁体71、永磁体72、永磁体73和永磁体74，所述永磁体71沿圆周所跨角度为δ，充磁方向为径向充磁，所述永磁体72的长度为LPM2，充磁方向为垂直第三层左侧磁障61并指向第二层左侧磁障51充磁，所述永磁体73和永磁体74的长度分别为LPM3和LPM4，且LPM3>LPM4，充磁方向均为背离圆心径向充磁。所述永磁体71内嵌于第三层附加一字型磁障63中，到第三层附加一字型磁障63的左端的角度为θ-1-δ；所述永磁体72内嵌于第三层左侧磁障61中，到第三层顶部的距离为L3＝2L1/3；所述永磁体73和永磁体74分别内嵌于第二层和第三层磁障底部的中心位置。相邻两个永磁磁极之间的铁心充当虚拟极8，永磁磁极和虚拟极8在转子的圆周上均匀分布，形成交替极结构。所述定子铁心1和转子铁心2均由高磁导率的硅钢片叠压制成，定子与转子之间为气隙，气隙长度为0.5mm。定子1中绕制两套三相绕组，均采用分布式绕组方式。如图3所示，所述转子2采用不对称磁障和永磁体结构，所述第二层左侧磁障51和第二层右侧磁障52、第三层左侧磁障61和第三层右侧磁障62均为左右两侧不对称结构。所述第二层右侧磁障52和第三层右侧磁障62不对称偏移角度为β，所述第一层磁障4张角为α，所述第二层左侧磁障51张角为m，所述第二层右侧磁障52张角为m-β，所述第三层左侧磁障61张角为n，所述第三层右侧磁障62张角为n-β，所述第三层附加一字型磁障63张角为θ。此外，所述永磁体72长度LPM2小于第三层左侧磁障61的长度，所述永磁体73长度LPM3小于第三层顶部的磁障长度LZ3，所述永磁体74长度LPM4小于第二层顶部的磁障长度LZ2。所述永磁体71、永磁体72、永磁体73和永磁体74的厚度分别为HPM1、HPM2、HPM3和HPM4，且HPM2＝HPM3＝HPM4。所述虚拟极8的长度分别为LI1、LI2，且LI1>LI2。所述第一层U形对称磁障4与第二层U形不对称磁障之间的距离为L1，所述第二层U形不对称磁障与第三层“一+U”形不对称磁障之间的距离为L2，且L1<L2。Rripm和Rropm分别为永磁体71的内半径和外半径，其中HPM1＝Rropm-Rripm；磁障满足如下关系：4°≤α≤5.5°，11°≤m≤12°，18°≤n≤19°，0<β≤2°，7≤θ≤9°，所述第三层附加一字型磁障63张角θ与永磁体71长度δ满足θ＝4δ；永磁体满足以及条件：0.5°≤δ≤2°，4mm≤LPM2≤5mm，2.5mm≤LPM4<LPM3<LI2<LI1≤7mm，2mm≤HPM1≤4mm，2mm≤HPM2＝HPM3＝HPM4≤3mm，4mm≤L1<L2≤6mm。
图4为本发明实施例电机的槽电势星形图，双三相绕组有两套三相绕组构成，并且两套绕组在空间上有相移角，保证A1相与B1相相位相差120°，A2相在A1相的基础上相移30°，B1相与C1相相位相差120°，B2相在B1相的基础上相移30°，C1相与A1相相位相差120°，C2相在C1相的基础上相移30°。
图5为本发明实施例电机的矩角特性图，图6为传统电机的矩角特性图。实施例电机实现了在同一电流相位角下，永磁转矩和磁阻转矩同时达到最大值，提高了永磁体、永磁转矩和磁阻转矩的利用率，提升了输出转矩。传统电机的永磁转矩最大值和磁阻转矩最大值相差45°电流角，永磁转矩和磁阻转矩均未得到充分利用。
图7为电磁转矩波形图。从图中可以看出，实施例电机和传统电机的转矩脉动均较低，并且实例电机的输出转矩远高于传统电机，说明实施例电机极大的改善了电机的输出性能。
本文较多地使用了“第一层U形对称磁障”、“第二层U形不对称磁障”、“第三层“一+U”形不对称磁障”、“实施例”等术语。这些术语的描述意指结合实例电机的具体特征、结构或特点，目的是更方便地描述和解释本发明。
在本发明中，本发明的原则和实施例通过具体的实例来描述，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求极其等同物限定。

Claims (10)

1.一种双三相不对称交替极永磁辅助同步磁阻电机，其特征在于：包括定子铁心1，转子铁心2，所述定子铁心1设置双三相绕组3，所述转子铁心2设置有三层磁障，所述三层磁障从转子外到内依次为第一层U形对称磁障4、第二层U形不对称磁障由第二层左侧磁障51和第二层右侧磁障52构成、第三层“一+U”形不对称磁障由第三层左侧磁障61、第三层右侧磁障62和附加一字型磁障63构成；所述第二层U形不对称磁障和第三层“一+U”形不对称磁障中内嵌不对称交替极阵列永磁体，所述交替极阵列永磁体由第二层U形不对称磁障中嵌入永磁体74，第三层“一+U”形不对称磁障中依次嵌入永磁体71、永磁体72、永磁体73；所述永磁体71沿圆周所跨角度为δ，充磁方向为背离圆心径向充磁，所述永磁体72的长度为LPM2，充磁方向为垂直第三层左侧磁障61且指向第二层左侧磁障51方向充磁，所述永磁体73和永磁体74的长度分别为LPM3和LPM4，且LPM3>LPM4，充磁方向均为背离圆心径向充磁；所述永磁体71内嵌于第三层附加一字型磁障63中，到第三层附加一字型磁障63的左端的角度为θ-1-δ，所述永磁体72内嵌于第三层左侧磁障61中，到第三层顶部的距离为L3＝2L1/3，所述永磁体73和永磁体74分别内嵌于第二层和第三层“一+U”形不对称磁障底部的中心位置；相邻两个永磁磁极之间的铁心充当虚拟极8，永磁磁极和虚拟极8在转子的圆周上交替分布，形成交替极结构。
2.根据权利要求1所述的一种双三相不对称交替极永磁辅助同步磁阻电机，其特征在于：转子2采用不对称磁障和永磁体结构，第二层左侧磁障51和第二层右侧磁障52、第三层左侧磁障61和第三层右侧磁障62均为左右两侧不对称结构；所述第二层右侧磁障52和第三层右侧磁障62不对称偏移角度为β，所述第一层磁障4张角为α，所述第二层左侧磁障51张角为m，所述第二层右侧磁障52张角为m-β，所述第三层左侧磁障61张角为n，所述第三层右侧磁障62张角为n-β，所述第三层附加一字型磁障63张角为θ，所述第一层U形对称磁障与第二层U形不对称磁障之间的距离为L1，第二层U形不对称磁障与第三层“一+U”形不对称磁障之间的距离为L2，且L1<L2。
3.根据权利要求1所述的一种双三相不对称交替极永磁辅助同步磁阻电机，其特征在于：所述永磁体72长度LPM2小于第三层左侧磁障61的长度，所述永磁体73长度LPM3小于第三层顶部的磁障长度LZ3，所述永磁体74长度LPM4小于第二层顶部的磁障长度LZ2；所述永磁体71、永磁体72、永磁体73和永磁体74的厚度分别为HPM1、HPM2、HPM3和HPM4，且HPM2＝HPM3＝HPM4，永磁体71的内半径和外半径分别为Rripm和Rropm，其中HPM1＝Rropm-Rripm。
4.根据权利要求1所述的一种双三相不对称交替极永磁辅助同步磁阻电机，其特征在于：所述虚拟极8的长度分别为LI1、LI2，且LI1>LI2。
5.根据权利要求1所述的一种双三相不对称交替极永磁辅助同步磁阻电机，其特征在于：所述三层磁障满足如下关系：4°≤α≤5.5°，11°≤m≤12°，18°≤n≤19°，0<β≤2°，7°≤θ≤9°，所述第三层附加一字型磁障63张角θ与永磁体71长度δ满足θ＝4δ。
6.根据权利要求1所述的一种双三相不对称交替极永磁辅助同步磁阻电机，其特征在于：所述永磁体71、永磁体72、永磁体73和永磁体74的参数满足以下关系：0.5°≤δ≤2°，4mm≤LPM2≤5mm，2.5mm≤LPM4<LPM3<LI2<LI1≤7mm，2mm≤HPM1≤4mm，2mm≤HPM2＝HPM3＝HPM4≤3mm，4mm≤L1<L2≤6mm。
7.根据权利要求1所述的一种双三相不对称交替极永磁辅助同步磁阻电机，其特征在于：所述双三相绕组3采用双层绕组结构，跨距为3，在槽电势星形图中将绕组分成六相，保证A1相与B1相相位相差120°，A2相在A1相的基础上相移30°，B1相与C1相相位相差120°，B2相在B1相的基础上相移30°，C1相与A1相相位相差120°，C2相在C1相的基础上相移30°。
8.根据权利要求1所述的一种双三相不对称交替极永磁辅助同步磁阻电机，其特征在于：所述永磁体71、永磁体72、永磁体73和永磁体74所合成的磁极与虚拟极8组合为一对交替磁极。
9.根据权利要求1所述的一种双三相不对称交替极永磁辅助同步磁阻电机，其特征在于：所述三层磁障中，里面两层部分嵌入永磁体，其余部分为气隙或不导磁材料。
10.根据权利要求1所述的一种双三相不对称交替极永磁辅助同步磁阻电机，其特征在于：该电机结构不仅适用于双三相电机，而且也适用于三相电机。
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