CN204615530U - 一种同步磁阻电机的ala转子结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种同步磁阻电机的ALA转子结构，该转子结构由硅钢片沿轴向叠压而成，包括多个磁极，多个磁极绕电机轴设置在相邻区段中，每个磁极包括在径向上间隔分布的多层转子栅格，其特征在于所述转子栅格为渐变型凸极结构，以远离电机轴至靠近电机轴的方向，依次定义为第一层转子栅格、……、第k层转子栅格、第k+1层转子栅格、……；第k层转子栅格与第k+1层转子栅格宽度的比值为α，第k+1层转子栅格的宽度w_ins与第k层和第k+1层转子栅格之间的硅钢片的宽度w_iron的比值为k_w，α与k_w之间的关系满足公式。

Description

一种同步磁阻电机的ALA转子结构

技术领域

本实用新型涉及同步磁阻电机，特别涉及一种同步磁阻电机的ALA转子结构。

背景技术

同步磁阻电机结构简单，具有高功率密度、宽调速范围、高效率、高功率因数以及体积小、重量轻等显著优点，特别适合于做机车、飞机、船艇、矿井开采等方面的动力电机。

一般ALA(轴向叠片各向异性)转子的同步磁阻电机结构如图1所示，电机壳内部设置定子1、ALA转子2、转子肋部3、电机轴4，双层绕组5，转子栅格6。定子1是由硅钢片叠压而成，ALA转子2由具有特定形状的高导磁材料(如变压器冷轧硅钢片)和非导磁绝缘材料(如玻璃纤维、塑料和电工纸等)沿轴向叠压而成，无绕组无永磁体，ALA转子2上设有等间距分布的等宽度转子栅格6，定子1在ALA转子2的外围，双层绕组5采用双层、等距分布绕在定子1上，与同槽数的三相异步电动机定子双层绕组分布形式相同。以三相四极ALA转子的同步磁阻电机为例，其气隙中磁场的磁感应强度B_xt由双层绕组磁动势产生，是关于空间和时间的复杂函数。应用傅里叶级数，可以将气隙中磁场的磁感应强度B_xt进行分解，分解后含有1、3、5……奇次谐波，由奇次谐波可以产生的绕气隙一周的旋转谐波磁动势，旋转谐波磁动势对定、转子产生的磁拉力会导致电机转矩波动增大、电机噪声增大，降低了电机的运行性能。因此，同步磁阻电机ALA转子结构的等间距分布的等宽度转子栅格和气隙中磁场的磁感应强度B_xt产生的旋转谐波磁动势的存在，在电机运行过程中存在严重的漏磁现象和较大的转矩波动，漏磁和转矩波动是同步磁阻电机存在的两个主要问题。文献报道了[陈兰,王真,徐谦,戴亮,张东宁，“同步磁阻电动机设计分析”，微特电机,2012年,第40卷，第2期]了一种新的电机结构，通过改变ALA转子中气隙宽度与硅钢片宽度的比值，降低了电磁振动，并与相同功率的三相异步电动机的转矩脉动进行比较，在相同的定子结构和相同的输入电流的情况下，新的ALA转子结构的电磁振动更小，其不足之处在于该电机结构并没有考虑到在改变转子结构的同时，会影响到ALA转子的转子肋部的磁饱和程度的变化，从而会降低电机的运行性能。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型拟解决的技术问题是，提供一种同步磁阻电机的ALA转子结构。该转子结构易于加工，可有效降低由于电机运转过程中转矩突变导致的转矩的大幅波动，同时能降振减噪、降低或避免漏磁现象，适用于三相四极和六极的同步磁阻电机应用的所有场合。

本实用新型解决所述技术问题所采用的技术方案是，提供一种同步磁阻电机的ALA转子结构，该转子结构由硅钢片沿轴向叠压而成，包括多个磁极，多个磁极绕电机轴设置在相邻区段中，每个磁极包括在径向上间隔分布的多层转子栅格，其特征在于所述转子栅格为渐变型凸极结构，以远离电机轴至靠近电机轴的方向，依次定义为第1层转子栅格、……、第 k层转子栅格、第k+1层转子栅格、……；第k层转子栅格与第k+1层转子栅格宽度的比值为α，第k+1层转子栅格的宽度w_ins与第k层和第k+1层转子栅格之间的硅钢片的宽度w_iron的比值为k_w，α与k_w之间的关系满足公式(6)：

$U\frac{2\mathrm{\π}R}{w_{st}N}=\frac{1-{\mathrm{\α}}^{n_w-1}}{{\mathrm{n\α}}^{n_w-2}(1-\mathrm{\α})}+\frac{k_w}{{\mathrm{n\α}}^{n_w-1}(1+k_w)}---\left(6\right)$

式中，n取自然整数；N为定子槽数；R为电机轴的中心点到双层绕组中心线的距离；w_st为定子齿宽度,一个定子槽与相邻的一个定子齿为单元组合，n_w层转子栅格所跨过U个单元组合，且U为半个单元组合的整数倍。

与现有技术相比，本实用新型是在针对常用的设有等宽度转子栅格的同步磁阻电机的ALA转子结构进行优化改进，采用优化设置的渐变型凸极结构，该结构只需要通过改变第k层转子栅格与第k+1层转子栅格宽度的比值α、第k+1层转子栅格的宽度w_ins与第k层和第k+1层转子栅格之间的硅钢片的宽度w_iron的比值k_w的大小，就可以实现在增大气隙中磁场的磁感应强度B_xt的基波含量的同时，使其它谐波分量含量相对减少，极大地减少了v≥3的谐波产生的旋转谐波磁动势，最终显著降低了定子和转子所产生的磁拉力对电机所引起的转矩波动，同时由于转子栅格结构的改变，可以显著增大了ALA转子的转子肋部的磁饱和程度，避免了漏磁，从而使空载漏磁系数有效降低，保证了电机转矩平稳地运行，同时使ALA转子的转子肋部的磁饱和程度提高，进而保障了电机良好的运行性能。

附图说明

图1是现有技术中常用同步磁阻电机的截面图。

图2是同步磁阻电机ALA四层转子栅格的转子结构参数示意图。

图3是本实用新型同步磁阻电机的ALA转子结构的一种实施例的转子结构示意图。

图4是采用本实用新型ALA转子结构的电机输出转矩波形与采用常用转子的电机输出转矩波形的对比图。

图5是采用本实用新型ALA转子结构的电机的气隙中磁场的磁感应强度谐波与采用常用转子的电机的气隙中磁场的磁感应强度谐波的对比图。

图6是采用本实用新型的转子栅格的三相六极同步磁阻电机的ALA转子结构。

图中，1.定子、2.ALA转子、3.转子肋部、4.电机轴、5.双层绕组、6.转子栅格。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图详细叙述本实用新型，但并不以此作为对本实用新型权利要求保护范围的限定。

本实用新型同步磁阻电机的ALA转子结构(简称转子结构，参见图3)同步磁阻电机的ALA转子结构，该转子结构由硅钢片沿轴向叠压而成，包括多个磁极，多个磁极绕电机轴4设置在相邻区段中，每个磁极包括在径向上间隔分布的多层转子栅格6，其特征在于所述转子栅格6为渐变型凸极结构，以远离电机轴4至靠近电机轴的方向，依次定义为第1层 转子栅格、……、第k层转子栅格、第k+1层转子栅格、……；第k层转子栅格与第k+1层转子栅格宽度的比值为α，第k+1层转子栅格的宽度w_ins与第k层和第k+1层转子栅格之间的硅钢片的宽度w_iron的比值为k_w，α与k_w之间的关系满足公式(6)：

$U\frac{2\mathrm{\π}R}{w_{st}N}=\frac{1-{\mathrm{\α}}^{n_w-1}}{{\mathrm{n\α}}^{n_w-2}(1-\mathrm{\α})}+\frac{k_w}{{\mathrm{n\α}}^{n_w-1}(1+k_w)}---\left(6\right)$

式中，n取自然整数；N为定子槽数；R为电机轴4的中心点到双层绕组5中心线的距离；w_st为定子齿宽度,一个定子槽与相邻的一个定子齿为单元组合，n_w层栅格所跨过U个单元组合，且U为半个单元组合的整数倍，即U＝0.5m，m为单元组合的个数。

本实用新型的进一步特征在于所述第k+1层转子栅格的宽度w_ins与第k层和第k+1层转子栅格之间的硅钢片的宽度w_iron的比值为k_w取值为0.4～0.55，n为1或2。

本实用新型的进一步特征在于所述磁极的数量为4-6。

本实用新型的进一步特征在于所述多层转子栅格的转子栅格层数为4。

在图2中，同步磁阻电机的ALA转子涉及到四个重要参数，即相邻转子栅格6之间硅钢片的宽度w_iron、转子栅格6的宽度w_ins、径向加强筋R_r和切向加强筋T_r，图2中R为电机轴4的中心点到双层绕组5中心线的距离，w_st为定子齿宽度。其中w_iron+w_ins与定子齿宽度w_st满足公式(1)

(w_iron+w_ins)×n＝w_st       (1) 

于是令第一层转子栅格w_ins(1)、w_iron(1)满足式(1)，得到公式(2)和(3)：

$\frac{w_{ins}\left(1\right)}{w_{st}}=\frac{k_w}{n(k_w+1)}---\left(2\right)$

$\frac{w_{iron}\left(1\right)}{w_{st}}=\frac{1}{n(k_w+1)}---\left(3\right)$

其中， $k_w=\frac{w_{ins}\left(k\right)}{w_{iron}\left(k\right)}.$

在图2中的每一个黑色点表示为一个等价转子槽，在中间位置处四个黑色点是等价转子虚槽n_s表示每半个磁极下定子槽数，n_r表示每半个磁极下等价转子槽数，n_w是转子栅格的层数，一个定子槽与相邻的一个定子齿为单元组合，n_w层栅格所跨过U个单元组合(U为半个单元组合的整数倍)，获得最小的转矩脉动，U、n_w、n_s和n_r满足公式(4)：

n_r-n_s＝2(n_w-U)        (4) 

设定子槽数为N，电机轴4中心点到双层绕组5中心线距离为R，结合公式(4)得n_w层转子栅格及之间的n_w-1层硅钢片总的宽度的关系为公式(5)：

$U\frac{2\mathrm{\π}R}{N}=\underset{k=1}{\overset{n_w}{\Σ}}{w}_{ins}\left(k\right)+\underset{k=1}{\overset{n_w-1}{\Σ}}{w}_{iron}\left(k\right)---\left(5\right)$

令第k层转子栅格与第k+1层转子栅格宽度的比值则结合公式(2)和(3)化简公式(5)得到公式(6)：

$U\frac{2\mathrm{\π}R}{w_{st}N}=\frac{1-{\mathrm{\α}}^{n_w-1}}{{\mathrm{n\α}}^{n_w-2}(1-\mathrm{\α})}+\frac{k_w}{{\mathrm{n\α}}^{n_w-1}(1+k_w)}---\left(6\right)$

本实用新型中采用的是厚度为0.5mm标准硅钢片。因此，要求径向加强筋R_r和切向加强筋T_r的宽度必须大于0.5mm，且R_r、T_r的大小是随着电机输出功率的增加而增加。对于一台ALA转子为四层栅格的成品电机而言，N、w_st、R、n、R_r、T_r是固定不变的，因此，限定了第一层转子栅格和第四层转子栅格的位置，只要改变α和k_w所在范围内的值，就可以有效地减少转矩脉动，同样可以提高转子肋部的磁饱和程度，有效降低或避免漏磁现象。所述的α和k_w的取值是由公式(6)和k_w的取值范围共同确定。k_w＝0时，转子无凸极结构。由于需要通过降低磁感应强度从而降低涡流损耗，所以k_w要求取得尽量少，但又受到转子的机械结构的限制，又不能过小，因此，一般取值是在0.4～0.55之间。

实施例1

本实施例中ALA转子结构为无绕组无永磁体，是由变压器冷轧硅钢片和玻璃纤维沿轴向叠压而成，且本实施例中磁极的数量为四，即为三相四极同步磁阻电机，四个磁极绕电机轴4设置在相邻区段中，每个磁极包括在径向上间隔分布的四层转子栅格6。对于一台ALA转子为四层转子栅格的成品电机而言，N、w_st、R、n、R_r、T_r是固定不变的，本实施例中R_r为1.6mm，T_r为1.3mm，N＝36，w_st＝10.1369mm，R＝96.8mm，U＝1.5，n＝2，这样就限定了第一层转子栅格和第四层转子栅格的位置，因此，只要改变α和k_w所在范围内的值，就可以有效地减少转矩脉动，同样可以提高转子肋部的磁饱和程度，有效降低或避免漏磁现象。

在额定电源，额定负载下，采用对同步磁阻电机仿真测试的方法分别对三相四极的采用常用转子的电机(具有四层等宽度分布的转子栅格的转子结构)和采用本实用新型的ALA转子结构的电机进行仿真测试。测试中使用额定转速450r/min，额定电流6.5A，额定负载转矩12Nm的四层转子栅格的转子结构的同步磁阻电机为样机，令k_w＝0.5，则由公式(6)可以确定α＝0.753。

采用本实用新型的ALA转子结构的电机和采用常用转子的电机在稳态运行中输出转矩对比如图4所示。在电机稳态运行的过程中，采用本实用新型的ALA转子结构的电机输出的平均转矩为12.18Nm，常用转子的电机输出的平均转矩为12.29Nm。根据转矩波动系数计算公式：转矩波动系数＝(最大输出转矩-最小输出转矩)/平均输出转矩，可以得到：采用本实用新型的ALA转子结构的电机，使输出转矩曲线更加平缓，有效降低了电机的转矩脉动，减少了由于转矩波动通过电机轴4和电机的端盖发出的噪声。

从图5中可以看出，本实用新型ALA转子结构的k_w＝0.5的气隙中磁场的磁感应强度所含基波分量大约为0.75T，比常用转子的气隙中磁场的磁感应强度所含基波分量高出约0.09T。本实用新型转子结构的k_w＝0.5的气隙中磁场的磁感应强度中所含三次谐波分量比常用转子的气隙中磁场的磁感应强度中所含三次谐波分量低3.37％。气隙中磁场的磁感应强度B_xt的谐波含量的减少，会使得由定、转子所产生的磁拉力对电机引起的转矩波动减少，即三次谐波的减少降低了转矩脉动和噪声。

采用本实用新型ALA转子结构的电机的转子肋部3的具有更高的磁饱和程度。本实用新型ALA转子结构k_w＝0.5的转子肋部磁感应强度B为1.8886T，而常用转子的转子肋部磁感应强度B为1.735T。因此，本实用新型ALA转子结构k_w＝0.5的气隙磁场强度可以使转子肋部部分的磁饱和程度提高了0.1536T，也就是说，采用本实用新型ALA转子结构的电机在实现减少转矩波动的同时能使转子肋部具有更高的磁饱和程度，提高了电机的运行性能。

实施例2

本实施例中ALA转子结构为无绕组无永磁体，是由变压器冷轧硅钢片和塑料沿轴向叠压而成，且本实施例中磁极的数量为六，即为三相六极同步磁阻电机，六个磁极绕电机轴4设置在相邻区段中，每个磁极包括在径向上间隔分布的四层转子栅格6(参见图6)。

本实用新型未述及之处适用于现有技术。

Claims (4)

1.一种同步磁阻电机的ALA转子结构，该转子结构由硅钢片沿轴向叠压而成，包括多个磁极，多个磁极绕电机轴设置在相邻区段中，每个磁极包括在径向上间隔分布的多层转子栅格，其特征在于所述转子栅格为渐变型凸极结构，以远离电机轴至靠近电机轴的方向，依次定义为第一层转子栅格、……、第k层转子栅格、第k+1层转子栅格、……；第k层转子栅格与第k+1层转子栅格宽度的比值为α，第k+1层转子栅格的宽度w_ins与第k层和第k+1层转子栅格之间的硅钢片的宽度w_iron的比值为k_w，α与k_w之间的关系满足公式（6）：

   （6）

式中，n取自然整数；N为定子槽数；R为电机轴的中心点到双层绕组中心线的距离；w_st为定子齿宽度, 一个定子槽与相邻的一个定子齿为单元组合，n_w层转子栅格所跨过U个单元组合，且U为半个单元组合的整数倍。

2.根据权利要求1所述的同步磁阻电机的ALA转子结构，其特征在于所述第k+1层转子栅格的宽度w_ins与第k层和第k+1层转子栅格之间的硅钢片的宽度w_iron的比值为k_w取值为0.4~0.55，n为1或2。

3.根据权利要求1所述的同步磁阻电机的ALA转子结构，其特征在于所述磁极的数量为4-6。

4.根据权利要求1所述的同步磁阻电机的ALA转子结构，其特征在于所述多层转子栅格的转子栅格层数为4。