CN209358315U - 一种永磁助磁式同步磁阻电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种永磁助磁式同步磁阻电机，包括定子铁芯、转子铁芯、转轴，所述定子铁芯上绕有三相对称绕组；所述转子铁芯位于定子铁芯内部，两者之间留有气隙，并且在转子铁芯上冲有多层磁障，所述定子铁芯和转子铁芯都由非取向性硅钢片叠压而成，所述磁障部分由取向性硅钢片和永磁体填充，其余部分空置或填充非导磁材料；填充在磁障中的取向性硅钢片的轧制方向与转子铁芯d轴相平行。该电机采取取向性硅钢片和低成本永磁体相结合的方法，利用取向性硅钢片在不同方向上磁导率的不同，有效提升了所述电机的凸极差；同时在磁障中添加了低成本永磁体，并且使其形成聚磁结构，显著提升其功率密度。

Description

一种永磁助磁式同步磁阻电机

技术领域

本实用新型涉及同步磁阻电机技术领域，特别是涉及一种永磁助磁式同步磁阻电机。

背景技术

永磁助磁式同步磁阻电机与直流电机相比，省去了换向机构和电刷，简化了结构，降低了运行成本，增加了运行的可靠性。与感应电机相比，永磁助磁式同步磁阻电机省去了转子铁芯上的鼠笼条或绕组，避免了转子铁芯上的损耗，使得电机的效率得到了提高。与永磁同步电机相比，永磁助磁式同步磁阻电机在转子铁芯上用价格低廉的铁氧体永磁体代替价格昂贵的稀土永磁体，更大程度上利用磁阻转矩，在保证转矩密度的前提下降低了电机成本。因此全球能源危机的背景下，永磁助磁式同步磁阻电机因其功率密度较高，结构简单，成本较低，使用寿命长等优点得到了广泛关注。

传统的同步磁阻电机在转子铁芯上冲出多层磁障，磁障方向与转子铁芯的d轴方向相平行，d轴即是磁通容易通过的低磁阻方向，q轴是磁通较难通过的高磁阻方向，两者之间相差90度电角度。同步磁阻电机利用磁通流通路径中磁阻最小原理产生磁阻性质的转矩，并且所述磁阻转矩与d,q轴电感差值(以下称为凸极差)正相关。但是传统的同步磁阻电机凸极差有一定的限度，即磁阻转矩增加到一定值后很难再增加，同时因为定子绕组需要产生较大的分量进行励磁，使得电机功率密度较低。本实用新型提出了一种新型永磁助磁式同步磁阻电机，比较传统同步磁阻电机，凸极差得到了一定提高，同时永磁体提供一部分励磁，使得功率因数得到了改善。

专利CN107046336A提出了一种同步磁阻电机模型，其所提出电机模型转子由铁磁材料制成并且在其上冲出多层槽，槽由各向异性材料或空气完全填充。该结构在一定程度上增加了同步磁阻电机的磁阻转矩，但该结构与每个槽都由各向异性材料和空气共同填充相比，其凸极差会有一定程度的下降。同时由于转子上没有励磁源，使得该专利所提出的电机模型功率因数较低。专利CN105703502A提出了一种同步磁阻电机转子结构，该结构转子铁芯由转子冲片叠压而成，并且其上冲出多层栅格，部分栅格中放置永磁体，其余部分空置或填充环氧树脂等非导磁非导电材料。该结构具有加工简单，高速下机械强度高等特点。但是该结构和传统同步磁阻电机相比，凸极差没有显著的增加，即磁阻转矩没有大的提升，只是由于在转子栅格中加入了稀土永磁体使得该电机的永磁转矩得到了一定的提升，但是稀土永磁体价格昂贵，这就使得其所发明的电机成本大幅度提升。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：传统同步磁阻电机凸极差有一定的限度，因此磁阻转矩达到一定值后很难再增加，会出现转矩密度在负载增加的情况下难以进一步提高的问题；同时由于转子铁芯上没有励磁源，定子绕组需要产生较大的分量进行励磁，使得电机功率因数较低；针对以上问题，本实用新型提供一种新型永磁助磁式同步磁阻电机，通过在空气磁障中部分放置取向性硅钢片和价格低廉的永磁体，其余部分空置或放置非导磁材料，可以在很大程度上提升了同步磁阻电机的凸极差，提高其转矩密度，并且永磁体采用聚磁结构，能有效减少定子电流的励磁分量，使得所实用新型的电机功率因数得到了很大程度的提升。

本实用新型解决所述技术问题采用的技术方案是：一种永磁助磁式同步磁阻电机，包括定子铁芯、转子铁芯、转轴，所述定子铁芯上绕有三相对称绕组；所述转子铁芯位于定子铁芯内部，两者之间留有气隙，并且在转子铁芯上冲有多层磁障，其特征在于；

所述定子铁芯和转子铁芯都由非取向性硅钢片叠压而成，所述磁障部分由取向性硅钢片和永磁体填充，其余部分空置或填充非导磁材料；填充在磁障中的取向性硅钢片的轧制方向与转子铁芯d轴相平行；永磁体充磁方向垂直于永磁体表面，并在磁障中形成聚磁结构。

上述的永磁助磁式同步磁阻电机，每层磁障中，取向性硅钢片的长度与该层磁障长度相同，取向性硅钢片位于内侧，在取向性硅钢片的外侧设置永磁体和空气或填充非导磁材料部分，空气或填充非导磁材料部分位于中心位置，且在空气或填充非导磁材料部分的两端对称设置永磁体。

上述的永磁助磁式同步磁阻电机，所述永磁体的充磁方向垂直于永磁体表面并且永磁体沿转子铁芯的圆周N极和S极交替排列。

上述的永磁助磁式同步磁阻电机，所述定子铁芯和转子铁芯之间的气隙在1mm到2mm之间。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型用在转子铁芯的磁障内部分放置取向性硅钢片和低成本的永磁体，其余部分为空气或用非导磁材料填充的方法，进一步提高了同步磁阻电机的凸极差，增加了该电机的转矩密度；这是由于在转子铁芯磁桥上表贴了取向性硅钢片，使得d轴磁阻减小，电感增加，而因为取向性硅钢片在剪切方向上磁阻很大使得q轴磁阻变大，电感减小，因此d，q轴电感差异即凸极差变大，使得所述电机的转矩密度得到了提升；在磁障中加入低成本的永磁体如铁氧体，并且所加入的永磁体采用聚磁结构，使得转子铁芯具有了较高的励磁源，减小了定子绕组的励磁分量，从而在电机成本基本不变的前提下有效的改善了所述电机的功率因数。从图4中可以看出在相同外加条件下，本实用新型电机即A曲线的输出转矩明显高于其余几种电机，同时因为铁氧体永磁体价格低廉，本实用新型电机的成本相较其他三种电机基本没有增加。

附图说明

图1所示为本实用新型永磁助磁式同步磁阻电机总体结构示意图；

图2所示为本实用新型永磁助磁式同步磁阻电机三层磁障转子铁芯具体结构示意图；

图3所示为本实用新型永磁助磁式同步磁阻电机两层磁障转子铁芯具体结构示意图；

图4所示为本实用新型在两层磁障和相同电流密度下永磁助磁式同步磁阻电机(曲线A)与磁障中只有取向性硅钢片的同步磁阻电机(曲线B)，传统永磁助磁式同步磁阻电机(曲线C)和传统同步磁阻电机(曲线D)转矩对比示意图；

图5(a)所示为本实用新型的永磁助磁式同步磁阻电机在磁障中所用的取向性硅钢片轧制方向B-H曲线示例图；

图5(b)所示为本实用新型的永磁助磁式同步磁阻电机在磁障中所用的取向性硅钢片剪切方向B-H曲线示例图；

图例说明：1、定子铁芯；2、三相对称绕组；3、定子铁芯与转子铁芯之间的气隙；4、转子铁芯；5、取向性硅钢片；51、第一层磁障中的取向性硅钢片；52、第二层磁障中的取向性硅钢片；53、第三层磁障中的取向性硅钢片；6、N极永磁体；61、第一层磁障中的N极永磁体；62、第二层磁障中的N极永磁体；63、第三层磁障中的N极永磁体；7、S极永磁体；8、空气或非导磁材料；81、第一层磁障中的空气或非导磁材料；82、第二层磁障中的空气或非导磁材料；83、第三层磁障中的空气或非导磁材料；9、转轴。

具体实施方式

对于本实用新型所参考附图，应该理解为是本实用新型的保护范围内其中的某一种示范性示例，具有对本领域技术人员实现相应的技术方案具有指导性意义，而非对本实用新型的限制。

下面结合附图对本实用新型做进一步说明：

本实用新型一种永磁助磁式同步磁阻电机，包括定子铁芯、转子铁芯、转轴，所述定子铁芯和转子铁芯都由非取向性硅钢片叠压而成，所述定子铁芯上绕有三相对称绕组；所述转子铁芯位于定子铁芯内部，两者之间留有一定距离的气隙，并且在转子铁芯上冲有多层磁障，所述磁障部分由取向性硅钢片和低成本的永磁体填充，其余部分空置或填充非导磁材料；填充在磁障中的取向性硅钢片的轧制方向与转子铁芯d轴相平行，转子铁芯d轴为低磁阻方向，q轴为高磁阻方向，并且d，q轴相差90度电角度；永磁体充磁方向垂直于永磁体表面，并在磁障中形成聚磁结构。

本实用新型的进一步特征在于，每层磁障中，取向性硅钢片的长度与该层磁障长度相同，取向性硅钢片位于内侧，在取向性硅钢片的外侧设置永磁体和空气或填充非导磁材料部分，空气或填充非导磁材料位于中心位置，且在空气或填充非导磁材料的两端对称设置永磁体。

本实用新型转子铁芯具有多对极，在每个极上均有多层磁障，多对极径向分布。在转子铁芯4机械强度允许的前提下，转子铁芯4极数和磁障层数任意。

所述永磁体采用低成本的永磁体如铁氧体，其充磁方向垂直于永磁体表面并且永磁体沿转子铁芯的圆周N极和S极交替排列，用这种排列形式形成聚磁结构，可以更大程度上提升功率因数。

所述定子铁芯和转子铁芯之间留有气隙，气隙在1mm到2mm之间。

本实用新型的创新点在于转子铁芯结构，传统永磁助磁式同步磁阻电机(S.Nattuthurai and R.Neelamegham,"Design and performance evaluation of SynRMand ferrite assisted-SynRM for EV application using FEA,"2017 InternationalConference On Smart Technologies For Smart Nation(SmartTechCon),Bangalore,2017,pp.492-497.)转子铁芯磁障内只有永磁体，因此其转矩密度得到了限制。而本申请永磁助磁式同步磁阻电机的转子铁芯磁障内由永磁体和取向性硅钢片共同填充，利用取向性硅钢片在不同方向呈现不同磁导率的特性，提高了电机的凸极差进而能够有效的提升电机的转矩密度。

实施例1

如图1至2所示，本实施例一种永磁助磁式同步磁阻电机，包括定子铁芯1、三相对称绕组2、定子铁芯与转子铁芯之间的气隙3、转子铁芯4、取向性硅钢片5、N极永磁体6、S极永磁体7、空气或非导磁材料8和转轴9。取向性硅钢片5有三层：第一层磁障中的取向性硅钢片51、第二层磁障中的取向性硅钢片52、第三层磁障中的取向性硅钢片53；N极永磁体有三层：第一层磁障中的N极永磁体61、第二层磁障中的N极永磁体62、第三层磁障中的N极永磁体63；空气或非导磁材料8有三层：第一层磁障中的空气或非导磁材料81；第二层磁障中的空气或非导磁材料82；第三层磁障中的空气或非导磁材料83。

所述定子铁芯1和转子铁芯4都是由非取向性硅钢片叠压而成，转子铁芯4端部与转轴9固定，使其可以带动转轴9同步旋转；定子铁芯1绕有三相对称绕组2，可以产生旋转磁场，所述磁场与转子铁芯相互作用，可以产生转矩；转子铁芯4有多极结构，每个极部冲有三层磁障；磁障中由取向性硅钢片5和低价格的永磁体部分填充，其余部分空置或非导磁材料8填充，要保证取向性硅钢片5的轧制方向沿着d轴，永磁体具有聚磁结构即可。所填充的取向性硅钢片5轧制方向平行于转子铁芯的d轴，即低磁阻方向，这样放置可以增加d轴电感，减小q轴电感，使得所提出电机的凸极差得到提升；所述永磁体充磁方向垂直于永磁体表面，并在磁障中形成聚磁结构，这样设计可以提升永磁能量的有效利用率，同时永磁体N极6和S极7沿转子铁芯交替放置，一个转子极上只有永磁体N极或者S极，相邻N极和S极构成了转子一对极，这种结构使得转子铁芯有了永磁体励磁源，从而减小了三相对称绕组的励磁分量，使得所述电机的功率因数得到了有效提升。

本实施例中，转子铁芯有两对极，每个极有三层磁障，每层磁障内，取向性硅钢片的长度与该层磁障长度相同，取向性硅钢片位于内侧，在取向性硅钢片的外侧设置永磁体和空气或填充非导磁材料部分，空气或填充非导磁材料位于中心位置，且在空气或填充非导磁材料的两端对称设置永磁体。

三层中任一层都可以为空气部分或非导磁材料部分，第一层磁障中的空气或非导磁材料占该层总磁障面积的25％，第二层磁障中的空气或非导磁材料占该层总磁障面积的15％，第三层磁障中的空气或非导磁材料占该层总磁障面积的12％。

图5(a)示意性地示出了所述取向性硅钢片在轧制方向B-H曲线图，图5(b)示意性地示出了所述取向性硅钢片在剪切方向的B-H曲线图。从图中可以看出取向性硅钢片在两个方向上磁特性有很大的不同。这是由于取向硅钢片中晶粒取向不同，在轧制方向上硅钢片中晶粒取向的一致性使其在轧制方向上的电磁性能优异，磁导率很高，而与轧制方向垂直的剪切方向上的电磁性能较差，磁导率较低。利用取向性硅钢片的这种特点，使其轧制方向与转子铁芯d轴平行，使得转子铁芯d轴方向磁导率增加，即d轴电感增加，同时由于取向性硅钢片剪切方向上磁阻很大，使得转子铁芯q轴方向磁阻增加，即q轴电感减小，从而使得所述电机的凸极差得到了明显的提升，使得所述电机的转矩密度高于其他几种电机。

实施例2

本实施例永磁助磁式同步磁阻电机，各部分结构同实施例1，不同之处在于，本实施例中磁障层数为两层，图3所示为本实用新型的永磁助磁式同步磁阻电机两层磁障转子铁芯具体结构示意图；包括转子铁芯4、第一层磁障中的取向性硅钢片51、第二层磁障中的取向性硅钢片52；第一层磁障中的N极永磁体61、第二层磁障中的N极永磁体62；第一层磁障中的空气或非导磁材料81；第二层磁障中的空气或非导磁材料82。每层磁障内，取向性硅钢片的长度与该层磁障长度相同，取向性硅钢片位于内侧，在取向性硅钢片的外侧设置永磁体和空气或填充非导磁材料部分，空气或填充非导磁材料位于中心位置，且在空气或填充非导磁材料的两端对称设置永磁体。两层中任一层都可以为空气部分或非导磁材料部分，第一层磁障中的空气或非导磁材料占该层总磁障面积的15％，第二层磁障中的空气或非导磁材料占该层总磁障面积的12％。

图4示意性地示出了在相同电流密度和两层磁障下的永磁助磁式同步磁阻电机(曲线A)与磁障中只有取向性硅钢片的同步磁阻电机(曲线B)，不添加取向性硅钢片的传统永磁助磁式同步磁阻电机(曲线C)和没有永磁体和取向性硅钢片的传统同步磁阻电机(曲线D)转矩对比示意图；从图中可以明显看出本实用新型电机相比其他几种电机具有最高的转矩和较低的转矩纹波，从而证明了本实用新型的可行性。

本实用新型电机在转子铁芯d轴方向磁力线较多，在q轴方向磁力线明显较少。这是因为在转子铁芯d轴方向上磁阻很小，使得磁力线比较容易通过，而在q轴方向上，磁力线要通过永磁体和处于剪切方向的取向性硅钢片，这就使得磁力线所通过路径的磁阻大大增加，因此q轴方向磁力线较少。

本实用新型采取了取向性硅钢片和低成本永磁体相结合的方法，利用取向性硅钢片在不同方向上磁导率的不同，有效提升了所述电机的凸极差，即提升了所述电机的转矩密度；同时在磁障中添加了低成本永磁体，并且使其形成聚磁结构，进而减小了定子三相绕组的励磁电流，使得本实用新型电机的功率密度得到了很大的提升。

本实用新型未述及之处适用于现有技术。

Claims (4)

1.一种永磁助磁式同步磁阻电机，包括定子铁芯、转子铁芯、转轴，所述定子铁芯上绕有三相对称绕组；所述转子铁芯位于定子铁芯内部，两者之间留有气隙，并且在转子铁芯上冲有多层磁障，其特征在于；

所述定子铁芯和转子铁芯都由非取向性硅钢片叠压而成，所述磁障部分由取向性硅钢片和永磁体填充，其余部分空置或填充非导磁材料；填充在磁障中的取向性硅钢片的轧制方向与转子铁芯d轴相平行；永磁体充磁方向垂直于永磁体表面，并在磁障中形成聚磁结构。

2.根据权利要求1所述的永磁助磁式同步磁阻电机，其特征在于，每层磁障中，取向性硅钢片的长度与该层磁障长度相同，取向性硅钢片位于内侧，在取向性硅钢片的外侧设置永磁体和空气或填充非导磁材料部分，空气或填充非导磁材料部分位于中心位置，且在空气或填充非导磁材料部分的两端对称设置永磁体。

3.根据权利要求1所述的永磁助磁式同步磁阻电机，其特征在于，所述永磁体的充磁方向垂直于永磁体表面并且永磁体沿转子铁芯的圆周N极和S极交替排列。

4.根据权利要求1所述的永磁助磁式同步磁阻电机，其特征在于，所述定子铁芯和转子铁芯之间的气隙在1mm到2mm之间。