CN205509692U - 交轴电感可变的可调磁永磁同步电机转子 - Google Patents

Abstract

交轴电感可变的可调磁永磁同步电机转子，属于永磁电机转子技术领域。本实用新型是为了解决由于永磁电机励磁不可调节，当其在额定转速以上运行时对其弱磁调速，会造成系统效率降低的问题。它通过滑轨槽、隔磁槽、弹簧和导磁块形成了弱磁单元，弱磁单元位于每极d轴中心线上且沿着转子铁心圆周方向均匀分布，2n个永磁体轴向通槽在弱磁单元左右两侧对称分布；每个永磁体轴向通槽中嵌入一个形状相匹配的永磁体；除弱磁单元两侧相邻的永磁体外，其余每极相邻的永磁体之间设置有磁桥。本实用新型作为一种永磁同步电机转子结构。

Description

交轴电感可变的可调磁永磁同步电机转子

技术领域

本实用新型涉及交轴电感可变的可调磁永磁同步电机转子，属于永磁电机转子技术领域。

背景技术

永磁电机直轴磁路因为经过磁阻很大的永磁体，因此直轴电感小于交轴电感。根据永磁同步电机转矩方程，T_e＝p[ψ_fi_q+(L_d-L_q)i_di_q]，其中T_e为永磁同步电机电磁转矩，p为电机极对数，ψ_f为永磁体产生的磁链，i_q为定子绕组交轴电流，L_d为定子绕组的直轴电感，L_q为定子绕组的交轴电感，i_d为定子绕组的直轴电流，电机在额定转速以下运行时，通入较小的负的直轴电流，使得电磁转矩获得正的永磁转矩和正的磁阻转矩。由于永磁体励磁无法调节，因此电机在额定转速以上运行时必须进行弱磁控制，传统的方法通过加大输入负的直轴去磁电流，利用电枢反应的去磁作用使电机气隙磁场减弱，来等价于直接减弱励磁磁场达到弱磁增速的目的。直轴电流的增加必然导致交轴电流的减小，根据转矩方程，永磁转矩迅速下降，而磁阻转矩因为直轴电流增加但交轴电流减小，所以并没有明显提升，因此总的电磁转矩迅速下降。

以上所述，由于永磁体励磁无法调节，通过负向的d轴电流产生的电枢反应抵消永磁体产生的磁通，这种传统的弱磁增速的方法会致使电机的电流增加，使得系统效率降低，且直轴电枢反应磁通与永磁体产生的极性相反，永磁体存在不可逆退磁的危险。这将限制永磁同步电机的应用范围。根据电机弱磁控制运行时可以达到的理想最高转速的公式，其中n_max为理想最高转速，u_lim为dq轴系统中的电压极限值，U_lim是星接电机最大基波相电压有效值，i_lim为电机dq轴系统中的电流极限值，i_lim ²＝i_d ²+i_q ²，要想获得更高的转速，需要较大的直轴电感。直轴电感越大，电枢反应的去磁作用越强，弱磁效果越好。但在传统结构的永磁电机中，永磁体串联在直轴磁路中，永磁体磁导小，直轴电感较小，因此在永磁同步电机中，采用上述弱磁方法弱磁效果并不理想。传统结构的永磁同步电机转子如图6所示，其永磁体直接嵌入转子铁心槽中，永磁体采用径向充磁，设置于永磁体之间的隔磁槽能用来防止极间漏磁。

发明内容

本实用新型目的是为了解决由于永磁电机励磁不可调节，当其在额定转速以上运行时对其弱磁调速，会造成系统效率降低的问题，提供了一种交轴电感可变的可调磁永磁同步电机转子。

本实用新型的第一种技术方案：本实用新型所述交轴电感可变的可调磁永磁同步电机转子，它包括转子铁心，所述转子铁心沿圆周方向由2p个偏心铁心分段依次相接组成，每个偏心铁心分段以其径向中线为对称轴呈镜像对称设置，每个偏心铁心分段的外轮廓中点为气隙距离最小点，每个偏心铁心分段的外轮廓两端点为气隙距离最大点；其中p为电机极对数；

每个偏心铁心分段上靠近其外轮廓侧沿圆周向设置2n个永磁体轴向通槽和1个弱磁轴向通槽，n为正整数；弱磁轴向通槽的中心线与偏心铁心分段的d轴中心线重合，2n个永磁体轴向通槽在弱磁轴向通槽的两侧呈镜向对称均匀分布，并与弱磁轴向通槽共同形成朝向转子铁心转轴方向的V字形，每个永磁体轴向通槽内均设置有永磁体；每个弱磁轴向通槽由位于中间的滑轨槽和其两侧相对称设置的一对隔磁槽组成，滑轨槽的径向长度长于永磁体轴向通槽，其径向长度向转子铁心的外径向方向延伸，每个滑轨槽内设置两个弹簧和一个导磁块，滑轨槽靠近转子铁心外轮廓的底面作为槽底连接两个弹簧的固定端，两个弹簧的自由端与导磁块相连接，导磁块与永磁体轴向通槽的径向长度相同，隔磁槽与导磁块的径向长度相同或者隔磁槽的径向长度小于导磁块的径向长度，导磁块、隔磁槽与永磁体轴向通槽的内径相同；所述d轴中心线为偏心铁心分段的径向中线；

每个偏心铁心分段的两端分别设置极间隔磁通槽，两个极间隔磁通槽以d轴中心线为对称轴呈镜像对称设置，每个极间隔磁通槽与相应的永磁体轴向通槽相连通。

隔磁槽内设置非磁性固体块。

每个永磁体轴向通槽呈瓦片形或者长方形。

本实用新型的第二种技术方案：本实用新型所述交轴电感可变的可调磁永磁同步电机转子，它包括转子铁心，所述转子铁心沿圆周方向由2p个偏心铁心分段依次相接组成，每个偏心铁心分段以其径向中线为对称轴呈镜像对称设置，每个偏心铁心分段的外轮廓中点为气隙距离最小点，每个偏心铁心分段的外轮廓两端点为气隙距离最大点；其中p为电机极对数；

每个偏心铁心分段上靠近其外轮廓侧沿圆周向设置2n个永磁体轴向通槽和1个弱磁轴向通槽，n为正整数；弱磁轴向通槽的中心线与偏心铁心分段的d轴中心线重合，2n个永磁体轴向通槽在弱磁轴向通槽的两侧呈镜向对称均匀分布，2n个永磁体轴向通槽和1个弱磁轴向通槽的排布方向与d轴中心线垂直，每个永磁体轴向通槽内均设置有永磁体；每个弱磁轴向通槽由位于中间的滑轨槽和其两侧相对称设置的一对隔磁槽组成，滑轨槽的径向长度长于永磁体轴向通槽，其径向长度向转子铁心的外径向方向延伸，并且滑轨槽呈凸字形，该凸字形顶端靠近转子铁心外轮廓侧，每个滑轨槽内设置两个弹簧和一个导磁块，两个弹簧的固定端分别固定于滑轨槽的中间两侧平台处，两个弹簧的自由端与导磁块相连接，导磁块、隔磁槽与永磁体轴向通槽的径向长度相同；所述d轴中心线为偏心铁心分段的径向中线；

每个偏心铁心分段的两端分别设置极间隔磁通槽，两个极间隔磁通槽以d轴中心线为对称轴呈镜像对称设置，每个极间隔磁通槽与相应的永磁体轴向通槽相连通。

隔磁槽内设置非磁性固体块。

本实用新型的优点：本实用新型能够提升电机转矩性能，有效解决现有永磁电机励磁无法调节导致的弱磁扩速困难以及对电机高转矩性能的需求。它通过滑轨槽、隔磁槽、弹簧和导磁块形成了弱磁单元，弱磁单元位于每极d轴中心线上且沿着转子铁心圆周方向均匀分布，2n个永磁体轴向通槽在弱磁单元左右两侧对称分布。每个永磁体轴向通槽中嵌入一个形状相匹配的永磁体。除弱磁单元两侧相邻的永磁体外，其余每极相邻的永磁体之间设置有磁桥，本实用新型适用于永磁同步电机。

本实用新型通过改变转子外形，使永磁体分段，且交轴磁路设置磁障，使得电机在额定转速以下运行时，能够实现直轴电感大于交轴电感；由于交轴电感是变量，随着导磁块的运动，交轴磁路磁阻越来越小，交轴电感越来越大；本实用新型电机在额定转速以上运行时，只需很小的负的直轴电流，无需大幅度降低交轴电流，它在利用了磁阻转矩的前提下又没有像传统永磁同步电机那样降低永磁转矩，因此提升了转矩性能，且永磁体没有去磁风险；随着电机转速的变化，通过导磁块的运动，永磁体发出的磁通在转子内部闭合，实现弱磁。本实用新型避免了增大负的直轴电流造成的铜耗增加，因此会提高电机效率。与传统永磁同步电机相比，本实用新型直轴电感值大，有利于提高理论转速最高值，由于交轴可变，可调磁场，所以永磁体发出的磁链等效值减小，则电机总的弱磁效果、总的理想最高转速会大大优于传统电机。

附图说明

图1是本实用新型所述交轴电感可变的可调磁永磁同步电机转子的第一种方案的结构示意图；n＝3；

图2是本实用新型所述交轴电感可变的可调磁永磁同步电机转子的第一种方案的结构示意图；n＝1；

图3是本实用新型所述交轴电感可变的可调磁永磁同步电机转子的第一种方案的结构示意图；永磁体轴向通槽呈瓦片形；

图4是本实用新型所述交轴电感可变的可调磁永磁同步电机转子的第二种方案的结构示意图；n＝3；

图5是本实用新型所述交轴电感可变的可调磁永磁同步电机转子的第二种方案的结构示意图；n＝1；

图6是传统结构的永磁同步电机转子结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述交轴电感可变的可调磁永磁同步电机转子，它包括转子铁心，所述转子铁心沿圆周方向由2p个偏心铁心分段依次相接组成，每个偏心铁心分段以其径向中线为对称轴呈镜像对称设置，每个偏心铁心分段的外轮廓中点为气隙距离最小点，每个偏心铁心分段的外轮廓两端点为气隙距离最大点；其中p为电机极对数；

每个偏心铁心分段上靠近其外轮廓侧沿圆周向设置2n个永磁体轴向通槽和1个弱磁轴向通槽，n为正整数；弱磁轴向通槽的中心线与偏心铁心分段的d轴中心线重合，2n个永磁体轴向通槽在弱磁轴向通槽的两侧呈镜向对称均匀分布，并与弱磁轴向通槽共同形成朝向转子铁心转轴方向的V字形，每个永磁体轴向通槽内均设置有永磁体1；每个弱磁轴向通槽由位于中间的滑轨槽2和其两侧相对称设置的一对隔磁槽3组成，滑轨槽2的径向长度长于永磁体轴向通槽，其径向长度向转子铁心的外径向方向延伸，每个滑轨槽2内设置两个弹簧4和一个导磁块5，滑轨槽2靠近转子铁心外轮廓的底面作为槽底连接两个弹簧4的固定端，两个弹簧4的自由端与导磁块5相连接，导磁块5与永磁体轴向通槽的径向长度相同，隔磁槽3与导磁块5的径向长度相同或者隔磁槽3的径向长度小于导磁块5的径向长度，导磁块5、隔磁槽3与永磁体轴向通槽的内径相同；所述d轴中心线为偏心铁心分段的径向中线；

每个偏心铁心分段的两端分别设置极间隔磁通槽6，两个极间隔磁通槽6以d轴中心线为对称轴呈镜像对称设置，每个极间隔磁通槽6与相应的永磁体轴向通槽相连通。

本实施方式中，除弱磁单元相邻的永磁体轴向通槽以外，每极相邻的永磁体轴向通槽之间设有磁桥。转子铁心的极间永磁体之间设置极间隔磁通槽6。

隔磁槽3内如果只是空气，隔磁槽的高度要比导磁块略低一点点，使导磁块被卡住固定，而避免左右晃动造成的不平衡。如果隔磁槽3内放置固体例如不锈钢等，则与导磁块的径向长度相同。

当n＝1时，p＝2时，每极转子铁心包括2个平板型永磁体轴向通槽。如图2所示。这种情况，不再设置磁桥。

具体实施方式二：下面结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，隔磁槽3内设置非磁性固体块。

隔磁槽3内可为空气或放置非磁性固体。

具体实施方式三：下面结合图3说明本实施方式，本实施方式对实施方式一或二作进一步说明，每个永磁体轴向通槽呈瓦片形或者长方形。

本实施方式当n＝1时，p＝2时，4p个瓦形通槽组成V字形,V字形的槽的开口朝向转子铁心的转轴方向。

具体实施方式四：下面结合图4至图5说明本实施方式，本实施方式所述交轴电感可变的可调磁永磁同步电机转子，它包括转子铁心，所述转子铁心沿圆周方向由2p个偏心铁心分段依次相接组成，每个偏心铁心分段以其径向中线为对称轴呈镜像对称设置，每个偏心铁心分段的外轮廓中点为气隙距离最小点，每个偏心铁心分段的外轮廓两端点为气隙距离最大点；其中p为电机极对数；

每个偏心铁心分段上靠近其外轮廓侧沿圆周向设置2n个永磁体轴向通槽和1个弱磁轴向通槽，n为正整数；弱磁轴向通槽的中心线与偏心铁心分段的d轴中心线重合，2n个永磁体轴向通槽在弱磁轴向通槽的两侧呈镜向对称均匀分布，2n个永磁体轴向通槽和1个弱磁轴向通槽的排布方向与d轴中心线垂直，每个永磁体轴向通槽内均设置有永磁体1；每个弱磁轴向通槽由位于中间的滑轨槽2和其两侧相对称设置的一对隔磁槽3组成，滑轨槽2的径向长度长于永磁体轴向通槽，其径向长度向转子铁心的外径向方向延伸，并且滑轨槽2呈凸字形，该凸字形顶端靠近转子铁心外轮廓侧，每个滑轨槽2内设置两个弹簧4和一个导磁块5，两个弹簧4的固定端分别固定于滑轨槽2的中间两侧平台处，两个弹簧4的自由端与导磁块5相连接，导磁块5、隔磁槽3与永磁体轴向通槽的径向长度相同；所述d轴中心线为偏心铁心分段的径向中线；

每个偏心铁心分段的两端分别设置极间隔磁通槽6，两个极间隔磁通槽6以d轴中心线为对称轴呈镜像对称设置，每个极间隔磁通槽6与相应的永磁体轴向通槽相连通。

本实施方式中的所有永磁体轴向通槽组成口字形，并且该口字形的中心为转子铁心的轴心。弱磁单元中滑轨槽为凸形槽，两个弹簧的固定端安装在凸形槽中间平台处。

具体实施方式五：下面结合图4至图5说明本实施方式，本实施方式对实施方式四作进一步说明，隔磁槽3内设置非磁性固体块。

本实用新型中的永磁体采用径向充磁，转子铁心的偏心形状使得转子铁心轴向圆周表面与定子铁心之间的气隙距离不相等。d轴中心线上的转子铁心和定子铁心之间的气隙距离最小，q轴中心线上的转子铁心和定子铁心之间的气隙距离最大。

当电机在额定转速以下运行时，导磁块5位于滑轨槽2内，径向靠近转轴侧，弹簧4处于自然状态，当电机在额定转速以上运行时，导磁块5沿着滑轨槽2径向向着背离圆心的方向移动。

本实用新型中的弹簧4为固体弹簧或气体弹簧。

本实用新型实现提升转矩性能和弱磁的原理为:

1、提升转矩性能：

根据永磁同步电机转矩公式：

T_e＝p[ψ_fi_q+(L_d-L_q)i_di_q]， 1

其中T_e为永磁同步电机电磁转矩，p为电机极对数，ψ_f为永磁体产生的磁链，i_q为定子绕组的交轴电流，L_d为定子绕组的直轴电感，L_q为定子绕组的交轴电感，i_d为定子绕组的直轴电流。

传统永磁同步电机根据转矩公式，在额定转速以下运行时,L_d<L_q，对其通入负的直轴电流保证磁阻转矩为正，永磁转矩也为正，总的电磁转矩是否增加要看牺牲的负的直轴电流产生的磁阻转矩和等值的直轴电流产生的永磁转矩的大小，当额定转速以上运行时,L_d＜L_q，加大负的直轴电流使得永磁转矩快速下降，直轴电流增大、交轴电流减小，磁阻转矩并不能提升，却导致永磁转矩迅速下降，使总的电磁转矩迅速下降。

本实用新型中的电机转子，因为弱磁单元中滑轨槽位于d轴中心线上，交轴磁路中存在磁阻很大的空气滑轨槽，因此交轴电感很小，由于采用不等气隙，直轴中心线位置转子和定子之间的气隙最小，交轴中心线位置转子铁心和定子之间的气隙最大，每极相邻的永磁体之间留有磁桥，直轴带有磁桥结构使得转子直轴磁阻进一步减小，使得采用本实用新型转子结构的新型永磁同步电机的直轴电感大于交轴电感，即L_d>L_q。在额定转速以下运行时，弱磁单元中的导磁块位于滑轨槽靠近圆心那侧的底部，且固定不动，导磁块两侧的隔磁槽完全遮挡住导磁体，以减小漏磁。因为L_d>L_q，所以只需要通入正向的很小的直轴电流就可以得到正的永磁转矩和正的磁阻转矩。电机转速超过额定转速时，弱磁单元中的导磁块在离心力的作用下，沿着滑轨槽向圆周外部的方向运行,导磁块两侧的隔磁槽遮挡导磁块的面积变小，导磁块的磁阻很小，导磁块为交轴磁路提供了磁路路径，使得交轴电感增大。因此随着速度的增加，导磁块移动的距离越大，交轴磁路磁阻越小，交轴电感越大。交轴电感是速度的函数，是一个变量。当交轴电感等于直轴电感时，i_d＝0，电流全部用来产生永磁转矩。随着速度的增加，交轴电感超过直轴电感，即L_d＜L_q，根据方程1，通入很小的负向直轴电流即可保证磁阻转矩为正，和额定转速以下运行时磁阻转矩相比没有下降,仍然有磁阻转矩的输出，并且，永磁转矩没有像传统永磁同步电机那样增加负向的直轴电流，也没有出现由于减小交轴电流导致的永磁转矩迅速变小。因此总的电磁转矩和传统永磁同步电机相比要提高很多.

2、弱磁机理：

电机转子在额定转速以下运行时，弱磁单元中的导磁块位于滑轨槽靠近圆心那侧的底部，且固定不动，导磁块两侧的隔磁槽完全遮挡住导磁体，以减小漏磁。电机转速超过额定转速时，弱磁单元中的导磁块在离心力的作用下，沿着滑轨槽向圆周外部的方向运行,导磁块两侧的隔磁槽遮挡导磁块的面积变小，导磁块的磁阻很小，永磁体发出的磁通经过导磁块在转子内部闭合，气隙磁通减小，导磁体在滑轨槽中向圆周外部方向运行的距离越大，导磁块提供的磁路面积越大，永磁体发出的磁通经过导磁块在转子内部闭合的磁通越多，经过气隙的磁通越小，弱磁效果越好，由此实现了弱磁。此外，根据理想最高转速的公式，其中n_max为理想最高转速，u_lim为dq轴系统中的电压极限值，i_lim为dq轴系统中的电流极限值，这种电机的直轴电感和传统电机相比要大，这在理论上使得电机达到更高转速更为有利。

Claims (5)

1.一种交轴电感可变的可调磁永磁同步电机转子，它包括转子铁心，其特征在于，所述转子铁心沿圆周方向由2p个偏心铁心分段依次相接组成，每个偏心铁心分段以其径向中线为对称轴呈镜像对称设置，每个偏心铁心分段的外轮廓中点为气隙距离最小点，每个偏心铁心分段的外轮廓两端点为气隙距离最大点；其中p为电机极对数；

每个偏心铁心分段上靠近其外轮廓侧沿圆周向设置2n个永磁体轴向通槽和1个弱磁轴向通槽，n为正整数；弱磁轴向通槽的中心线与偏心铁心分段的d轴中心线重合，2n个永磁体轴向通槽在弱磁轴向通槽的两侧呈镜向对称均匀分布，并与弱磁轴向通槽共同形成朝向转子铁心转轴方向的V字形，每个永磁体轴向通槽内均设置有永磁体(1)；每个弱磁轴向通槽由位于中间的滑轨槽(2)和其两侧相对称设置的一对隔磁槽(3)组成，滑轨槽(2)的径向长度长于永磁体轴向通槽，其径向长度向转子铁心的外径向方向延伸，每个滑轨槽(2)内设置两个弹簧(4)和一个导磁块(5)，滑轨槽(2)靠近转子铁心外轮廓的底面作为槽底连接两个弹簧(4)的固定端，两个弹簧(4)的自由端与导磁块(5)相连接，导磁块(5)与永磁体轴向通槽的径向长度相同，隔磁槽(3)与导磁块(5)的径向长度相同或者隔磁槽(3)的径向长度小于导磁块(5)的径向长度，导磁块(5)、隔磁槽(3)与永磁体轴向通槽的内径相同；所述d轴中心线为偏心铁心分段的径向中线；

每个偏心铁心分段的两端分别设置极间隔磁通槽(6)，两个极间隔磁通槽(6)以d轴中心线为对称轴呈镜像对称设置，每个极间隔磁通槽(6)与相应的永磁体轴向通槽相连通。

2.根据权利要求1所述的交轴电感可变的可调磁永磁同步电机转子，其特征在于，隔磁槽(3)内设置非磁性固体块。

3.根据权利要求1或2所述的交轴电感可变的可调磁永磁同步电机转子，其特征在于，每个永磁体轴向通槽呈瓦片形或者长方形。

4.一种交轴电感可变的可调磁永磁同步电机转子，它包括转子铁心，其特征在于，所述转子铁心沿圆周方向由2p个偏心铁心分段依次相接组成，每个偏心铁心分段以其径向中线为对称轴呈镜像对称设置，每个偏心铁心分段的外轮廓中点为气隙距离最小点，每个偏心铁心分段的外轮廓两端点为气隙距离最大点；其中p为电机极对数；

每个偏心铁心分段上靠近其外轮廓侧沿圆周向设置2n个永磁体轴向通槽和1个弱磁轴向通槽，n为正整数；弱磁轴向通槽的中心线与偏心铁心分段的d轴中心线重合，2n个永磁体轴向通槽在弱磁轴向通槽的两侧呈镜向对称均匀分布，2n个永磁体轴向通槽和1个弱磁轴向通槽的排布方向与d轴中心线垂直，每个永磁体轴向通槽内均设置有永磁体(1)；每个弱磁轴向通槽由位于中间的滑轨槽(2)和其两侧相对称设置的一对隔磁槽(3)组成，滑轨槽(2)的径向长度长于永磁体轴向通槽，其径向长度向转子铁心的外径向方向延伸，并且滑轨槽(2)呈凸字形，该凸字形顶端靠近转子铁心外轮廓侧，每个滑轨槽(2)内设置两个弹簧(4)和一个导磁块(5)，两个弹簧(4)的固定端分别固定于滑轨槽(2)的中间两侧平台处，两个弹簧(4)的自由端与导磁块(5)相连接，导磁块(5)、隔磁槽(3)与永磁体轴向通槽的径向长度相同；所述d轴中心线为偏心铁心分段的径向中线；

每个偏心铁心分段的两端分别设置极间隔磁通槽(6)，两个极间隔磁通槽(6)以d轴中心线为对称轴呈镜像对称设置，每个极间隔磁通槽(6)与相应的永磁体轴向通槽相连通。

5.根据权利要求4所述的交轴电感可变的可调磁永磁同步电机转子，其特征在于，隔磁槽(3)内设置非磁性固体块。