CN116345747A - 一种非对称分段内置式永磁电机 - Google Patents

一种非对称分段内置式永磁电机 Download PDF

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阳辉
朱悦涵
伍雨晴
安淇楚
郭锡瑾
刘聃睿
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Abstract

本发明属于电机技术领域，公开一种非对称分段内置式永磁电机，包括转子，所述转子包括转子铁心，沿所述转子铁心周向均匀布设有多个磁障组件；磁障组件包括内嵌在所述转子铁心外侧外缘的第二磁障，所述第二磁障其中一端与第一磁障靠近所述转子铁心外侧边缘的一端紧挨着，所述第一磁障与所述第三磁障其中靠近所述转子铁心中心的一端相互紧挨着，所述第一磁障与所述第三磁障之间形成一定的夹角，夹角的开口朝向所述转子铁心的外侧；所述第一磁障内嵌有第一永磁体，所述第二磁障内嵌有第二永磁体。本发明在一定永磁体用量的前提下，进一步运用磁轴偏移原理，提高转矩分量利用率，提高转矩输出能力。

Description

一种非对称分段内置式永磁电机
技术领域
本发明属于电机技术领域，具体涉及一种非对称分段内置式永磁电机。
背景技术
随着现在科技的不断发展，在生态环境日益恶化、能源逐渐衰竭的21世纪，人们对能源利用的稳定性与效率需求越发看重。近年来永磁同步电机(PermanentMagnetSynchronousMachine，PMSM)因其高效率、大转矩和结构简单的优点大受欢迎，被广泛用于新能源汽车产业。更由于我国稀土资源的丰富，促进了永磁同步电机的发展。
但是传统的内置式永磁电机有磁漏较多，利用率不高，同时由于稀土永磁材料价格昂贵，对行业发展不利。传统的内置式永磁电机的转子通常采用对称的结构，永磁转矩和磁阻转矩的d轴相差大致45°电角度，会导致两者利用率下降，进一步降低了永磁电机的功率密度，因此亟待解决这些问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种非对称分段内置式永磁电机，通过在原有传统电机拓扑结构的基础上，改变转子中永磁结构的构型实现了磁轴偏移，并且利用磁轴偏移效应实现效率的提高。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种非对称分段内置式永磁电机，包括：
定子，所述定子上安装有电枢绕组；
转子，所述转子转动连接在所述定子的内侧，所述转子包括转子铁心，沿所述转子铁心周向均匀布设有多个磁障组件；
磁障组件包括内嵌在所述转子铁心外侧外缘的第二磁障，所述第二磁障其中一端与第一磁障靠近所述转子铁心外侧边缘的一端紧挨着，所述第一磁障与第三磁障其中靠近所述转子铁心外侧边缘的一端相互之间存在一定的间距，所述第一磁障与所述第三磁障其中靠近所述转子铁心中心的一端相互紧挨着，所述第一磁障与所述第三磁障之间形成一定的夹角，夹角的开口朝向所述转子铁心的外侧；
所述第一磁障内嵌有第一永磁体，所述第二磁障内嵌有第二永磁体。
进一步地，磁障组件沿顺时针依次为所述第三磁障、所述第一磁障、所述第二磁障。
进一步地，所述第一磁障与所述第三磁障呈轴对称设置，且对称轴的轴线经过所述转子铁心的中心原点。
进一步地，所述第二磁障呈轴对称设置，且对称轴的轴线经过所述转子铁心的中心原点。
进一步地，所述第一磁障与所述第三磁障的两端呈三角形凸出设计；所述第一磁障内的所述第一永磁体为矩形，且所述第一永磁体的两端与所述第一磁障两端的三角形凸出之间存在间隙。
进一步地，所述第二磁障与所述第二永磁体皆呈弧形瓦片状且相适配，弧形开口朝向所述转子铁心的中心。
进一步地，所述第三磁障为空气磁障。
进一步地，所述第一永磁体沿矩形短边充磁，所述第二永磁体为径向充磁。
进一步地，所述第一永磁体和所述第二永磁体相互为并联磁路关系，且共同组成同一个磁极；同一极下的所述第一永磁体、所述第二永磁体的充磁朝向构成一个磁场回路，相邻极下充磁朝向相反。
进一步地，所述第二磁障内的所述第二永磁体用量与所述第一磁障内的所述第一永磁体的用量相等。
本发明的有益效果：
1、本发明在一定永磁体用量的前提下，运用永磁体的不对称分布使得永磁转矩和磁阻转矩分量可以在相近的电流角下达到最大值，提高转矩分量利用率，提高转矩输出能力，而传统对称电机两转矩分量的最大值对应的电流角相差45度电角度；此外在需要一定输出转矩的前提下可减少永磁体用量，虽然永磁转矩分量减小，但永磁转矩和磁阻转矩分量的最大值相互接近，提高磁阻转矩的比例，增强电机的弱磁扩速能力，有利于应用于电动汽车领域；
2、本发明电机采用奇数定子槽和双绕组结构，由于特定的绕组连接方式，使得交轴电枢反应磁动势减小，感应电动势的畸变率也随之降低，于是电枢电流与感应电动势也更为匹配，保证输出转矩的脉动较小，使得损耗降低，提高电机的效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的电机横截面结构示意图；
图2是本发明实施例的四级非对称结构带负载转矩-电流角特性线性图；
图3是本发明实施例的电机磁力线分布图。
图中：1、转子；11、第一磁障；12、第二磁障；13、第三磁障；14、转子铁心；2、电枢绕组；3、定子；31、定子轭；32、定子齿；33、定子槽。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本发明提供一种实施例，一种非对称分段内置式永磁电机，包括：
定子3，定子3上安装有电枢绕组2；
转子1，转子1转动连接在定子3的内侧，转子1包括转子铁心14，沿转子铁心14周向均匀布设有多个磁障组件；
磁障组件包括内嵌在转子铁心14外侧外缘的第二磁障12，第二磁障12其中一端与第一磁障11靠近转子铁心14外侧边缘的一端紧挨着，第一磁障11与第三磁障13其中靠近转子铁心14外侧边缘的一端相互之间存在一定的间距，第一磁障11与第三磁障13其中靠近转子铁心14中心的一端相互紧挨着，第一磁障11与第三磁障13之间形成一定的夹角，夹角的开口朝向转子铁心14的外侧；
第一磁障11内嵌有第一永磁体，第二磁障12内嵌有第二永磁体。
具体而言，磁障组件沿顺时针依次为第三磁障13、第一磁障11、第二磁障12。第一磁障11与第三磁障13呈轴对称设置，且对称轴的轴线经过转子铁心14的中心原点。第二磁障12呈轴对称设置，且对称轴的轴线经过转子铁心14的中心原点。
具体的，第一磁障11与第三磁障13的两端呈三角形凸出设计。第一磁障11内的第一永磁体为矩形，且第一永磁体的两端与第一磁障11两端的三角形凸出之间存在间隙。
具体的，第二磁障12与第二永磁体皆呈弧形瓦片状且相适配，弧形开口朝向转子铁心14的中心。
具体的，第三磁障13为空气磁障。
具体的，第一永磁体沿矩形短边充磁，第二永磁体为径向充磁。第一永磁体和第二永磁体相互为并联磁路关系，且共同组成同一个磁极。同一极下的第一永磁体、第二永磁体的充磁朝向构成一个磁场回路，相邻极下充磁朝向相反。
具体的，第二磁障12内的第二永磁用量与第一磁障11内第一永磁体的用量相等。
此外，定子3包括定子轭31，固定连接在定子轭31内侧的定子齿32，相邻两个定子齿32之间形成定子槽33，三相电枢绕组2为双层分布绕组，缠绕在定子齿32上。其中定子齿32和定子槽33绕定子中心轴线均匀布置，定子槽33的个数为奇数。同时，定子3与转子1之间存在气隙。
本发明公开的一种非对称分段内置式永磁电机的运行原理如下：
对于永磁磁场部分，永磁磁通的磁路由永磁体到达转子轭、气隙、定子齿32、定子轭31、定子齿32、气隙，再经过转子轭回到永磁体，形成闭合通路；由于转子1旋转，该磁路会随转子1旋转；同时定子3通入三相电流能够形成与转子1相等速度的旋转磁场，定转子磁场的相互作用推动转子1恒定旋转。同时，对于磁阻部分，由于转子1交、直轴磁路的不同导致交直轴电感差异较大，从而产生磁阻转矩。
本发明为了使得永磁转矩和磁阻转矩的最大值对应的电流角接近相同的角度，通过在混合磁极下永磁体的不对称放置使得永磁磁轴，即永磁转矩的d轴产生偏移，朝着磁阻磁轴，即磁阻转矩的d轴的方向移动。本发明中有一些变量对磁轴的偏移会产生影响，其中影响最大的是混合磁极下单层磁障式结构和“一”字型永磁结构长度，以其所对应圆周角表示，不同圆周角下得到的永磁转矩和磁阻转矩最大值对应的电角度不同，电角度的差值不同，则转矩分量的利用率不同。
在原有传统电机拓扑结构的基础上，通过改变转子中永磁结构的构型实现了磁轴偏移，并且利用磁轴偏移效应实现效率的提高。如图2所示，本发明的转矩-电流角特性实现了磁阻转矩、总转矩和永磁转矩同时在电流角为45度时达到最大值，改善了转矩特性进而提高了电机效率。
以上所述仅为本发明的一种实施例，再具体来说是实施于一种非对称分段内置式永磁电机的实施例。但是并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，比如将实施例中的第一磁障11、第二磁障12、第三磁障13等部件互相组合构成新的部件，或调整相对位置关系，或者将第一磁障11、第二磁障12、第三磁障13、第一永磁体、第二永磁体的个数更改为其他个数等。均应包含在本发明的保护范围内。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内容。

Claims (10)

1.一种非对称分段内置式永磁电机，其特征在于，包括：
定子(3)，所述定子(3)上安装有电枢绕组(2)；
转子(1)，所述转子(1)转动连接在所述定子(3)的内侧，所述转子(1)包括转子铁心(14)，沿所述转子铁心(14)周向均匀布设有多个磁障组件；
磁障组件包括内嵌在所述转子铁心(14)外侧外缘的第二磁障(12)，所述第二磁障(12)其中一端与第一磁障(11)靠近所述转子铁心(14)外侧边缘的一端紧挨着，所述第一磁障(11)与第三磁障(13)其中靠近所述转子铁心(14)外侧边缘的一端相互之间存在一定的间距，所述第一磁障(11)与所述第三磁障(13)其中靠近所述转子铁心(14)中心的一端相互紧挨着，所述第一磁障(11)与所述第三磁障(13)之间形成一定的夹角，夹角的开口朝向所述转子铁心(14)的外侧；
所述第一磁障(11)内嵌有第一永磁体，所述第二磁障(12)内嵌有第二永磁体。
2.根据权利要求1所述的一种非对称分段内置式永磁电机，其特征在于，磁障组件沿顺时针依次为所述第三磁障(13)、所述第一磁障(11)、所述第二磁障(12)。
3.根据权利要求1所述的一种非对称分段内置式永磁电机，其特征在于，所述第一磁障(11)与所述第三磁障(13)呈轴对称设置，且对称轴的轴线经过所述转子铁心(14)的中心原点。
4.根据权利要求1所述的一种非对称分段内置式永磁电机，其特征在于，所述第二磁障(12)呈轴对称设置，且对称轴的轴线经过所述转子铁心(14)的中心原点。
5.根据权利要求1所述的一种非对称分段内置式永磁电机，其特征在于，所述第一磁障(11)与所述第三磁障(13)的两端呈三角形凸出设计；所述第一磁障(11)内的所述第一永磁体为矩形，且所述第一永磁体的两端与所述第一磁障(11)两端的三角形凸出之间存在间隙。
6.根据权利要求1所述的一种非对称分段内置式永磁电机，其特征在于，所述第二磁障(12)与所述第二永磁体皆呈弧形瓦片状且相适配，弧形开口朝向所述转子铁心(14)的中心。
7.根据权利要求1所述的一种非对称分段内置式永磁电机，其特征在于，所述第三磁障(13)为空气磁障。
8.根据权利要求1所述的一种非对称分段内置式永磁电机，其特征在于，所述第一永磁体沿矩形短边充磁，所述第二永磁体为径向充磁。
9.根据权利要求8所述的一种非对称分段内置式永磁电机，其特征在于，所述第一永磁体和所述第二永磁体相互为并联磁路关系，且共同组成同一个磁极；同一极下的所述第一永磁体、所述第二永磁体的充磁朝向构成一个磁场回路，相邻极下充磁朝向相反。
10.根据权利要求1所述的一种非对称分段内置式永磁电机，其特征在于，所述第二磁障(12)内的所述第二永磁体用量与所述第一磁障(11)内的所述第一永磁体的用量相等。
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