CN211830364U

CN211830364U - 一种永磁磁阻混合转子结构的同步电机

Info

Publication number: CN211830364U
Application number: CN201922267350.5U
Authority: CN
Inventors: 孔晓光; 梁文星; 徐鸿; 刘春浩
Original assignee: Shenyang University of Chemical Technology
Current assignee: Shenyang University of Chemical Technology
Priority date: 2019-12-17
Filing date: 2019-12-17
Publication date: 2020-10-30
Anticipated expiration: 2029-12-17

Abstract

一种永磁磁阻混合转子结构的同步电机，涉及一种电机，该电机包括外转子(1)、内转子(2)、中间定子(3)和隔磁环(4)；外转子(1)上为新型Halbach永磁体；中间定子(3)内外两侧开槽，且均绕有正弦绕组；内转子(2)的永磁体非对称放置。本实用新型正弦绕组以及新型Halbach永磁体能有效削弱气隙中的谐波，提高波形的正弦性，内转子永磁体的不对称放置方式能使内电机中的永磁转矩分量和磁阻转矩分量得到充分利用，提高了电机的转矩密度，同时外永磁内磁阻的转子放置方式可以有效减小电机的整体体积。

Description

一种永磁磁阻混合转子结构的同步电机

技术领域

本实用新型涉及一种电机，特别是涉及一种永磁磁阻混合转子结构的同步电机。

背景技术

永磁同步电机性能优越，稳定性好，近年来发展迅速，永磁同步电机有其自身的优点，结构比较简单，转矩密度大，效率和功率因数高。但同时永磁同步电机也存在着弱磁难的缺点，同步磁阻电机凸极比高，弱磁范围宽，较好地弥补了永磁电机的不足。

永磁辅助式同步磁阻电机属于凸极式电机，由于增大了凸极比，提高了传统同步磁阻电机的转矩密度，其电磁转矩中含有永磁转矩分量和磁阻转矩分量，分别在电流角度为0度和45度时有最大值。合成转矩最大值小于永磁转矩和磁阻转矩最大值的代数和，使它们未得到充分利用。

因此，有必要充分利用这两种转矩分量可以提高电机的转矩密度，提高工作效率。有必要充分利用永磁同步电机的内部空间，既可以降低成本，又可以提高电机的综合性能。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种永磁磁阻混合转子结构的同步电机，本实用新型充分利用定子内腔空间，减小电机的体积，降低成本，提高系统的整体运行效率提高电机的转矩密度。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

一种永磁磁阻混合转子结构的同步电机，所述电机包括外转子、内转子和定子；定子位于外转子和内转子之间；外转子上附有Halbach永磁体结构，并且每极中每块永磁体的形状为“凸”形；内转子为等气隙宽度的同步磁阻转子，永磁体非对称地放置在同步磁阻转子的各层磁障中；中间定子的内外表面均匀开槽，定子中间嵌有隔磁环，定子的内外表面槽内均各自嵌放一套三相双层同心式正弦绕组，形成该电机的总定子绕组。

所述的一种永磁磁阻混合转子结构的同步电机，所述外转子上的Halbach永磁体均采用平行充磁的方式，且外转子为表贴式结构，每块永磁体为一个区域，形成多个区域，且每极永磁体两边到中间的冲磁方向由切向逐渐过渡到径向。

所述的一种永磁磁阻混合转子结构的同步电机，所述内转子未设永磁体，内磁阻转子的导磁层与非导磁层均采用“U”形结构，其中，非导磁层为空气；永磁体嵌放入非导磁层的两侧，且为非对称放置方式。

所述的一种永磁磁阻混合转子结构的同步电机，所述隔磁环将其分为内电机和外电机。

所述的一种永磁磁阻混合转子结构的同步电机，所述外转子为杯形结构，且一侧与轴承相连，内外转子同轴。

本实用新型的优点与效果是：

1.本实用新型提出的一种永磁磁阻混合转子结构的同步电机，外转子内侧表贴分块充磁的“凸”字型Halbach永磁体。内转子在“U”形磁障的同步磁阻转子的基础上于磁障中非对称地放入了永磁体，有助于提高永磁转矩和磁阻转矩的利用率。中间定子内外表面均匀开槽，定子中间插入隔磁环，使得由内定子和内转子构成的内电机于外定子和外转子构成的外电机的磁场相互独立，方便控制。定子内外两侧绕组均为三相双层同心式正弦绕组，且每槽的槽满率均相同，充分利用了定子槽空间。为保证转子正常旋转，外转子为杯形结构且与轴承相连，内外转子同轴连接。

2.本实用新型提出的电机为双转子单定子电机，且内转子为永磁永磁辅助式同步磁阻转子（永磁体为钕铁硼或普通铁氧体），解决了单纯的同步磁阻转子转矩不足的问题，外转子为新型Halbach表贴式转子，最大的好处为充分利用了电机定子较大的内腔空间，减小了电机的整体体积，提高了转矩密度，节约了成本，其在多极电机中优势更加明显。外转子为永磁转子相对于内转子为永磁转子来说由于电机转子旋转时受到离心力，而永磁体又表贴在转子表面，如果没有有效的防护措施，在高速旋转时内转子上的永磁体会有飞出的风险；而外转子电机大大降低了这种风险的发生。

3.本实用新型磁阻转子在内，永磁转子在外的另一个好处是电机散热方面。由于磁阻转子的空气磁障的作用，因此其通风性好，电机内侧产生的热量比较容易散发出去，由于永磁外转子外侧接触空气，因此散热也比较容易，缓解了传统内永磁转子散热难的问题。同时定子的三相双层同心式正弦绕组相对于传统叠绕组也有较好的降低温升的效果。

4.本实用新型内转子的“U”形磁障相当于增大了交轴磁阻，磁障做成两端窄中间宽的结构，对磁场的调制作用更好，永磁体放置在磁障肩部，可以充分利用永磁转矩和磁阻转矩，提高电机的整体性能，同时考虑转子冲片的机械强度，于第2层和第3层磁障中间添加磁肋，新型Halbach永磁体和三相双层同心式正弦绕组的设置可以优化磁密波形和电势波形，削弱谐波。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的内转子结构及磁体非对称放置时的磁化方向示意图；

图3为内转子每个极的结构示意图；

图4为外转子每极永磁体及其磁化方向示意图。

图中包括：1.外转子，2.内转子，2-1.导磁层，2-2.非导磁层，2-3.磁肋，3.定子，4.隔磁环，5.定子绕组，6.外转子永磁体，7.内转子永磁体。

具体实施方式

下面结合附图所示实施例对本实用新型进行详细说明。

本实用新型一种永磁磁阻混合转子结构的同步电机，由外转子、内转子和定子构成；定子位于外转子和内转子之间；外转子上附有新型Halbach永磁体结构，为方便生产，所有的永磁体的极弧系数均相同，且每块永磁体的形状为“凸”字型，每两块“凸”字型磁体之间的合成的磁场方向位于左右两块永磁体之间，这样可以起到在相同永磁体数量的情况下，总的磁场更接近正弦，充分利用了永磁体材料。内转子为等磁障宽度的同步磁阻转子，且磁障为“U”形，导磁层占导磁层与磁障总和的48%，每极下磁障两端的厚度比中间的厚度薄，也即两端的导磁层宽度比中间的导磁层宽度厚，其作用可以使得两侧导磁层流过的磁通多而中间少，限制了磁通路径，降低了转矩脉动。磁障层数由下式确定，即

，其中

Figure DEST_PATH_363079DEST_PATH_IMAGE002

为每对极的定子槽数，

为每极对的分离点个数。比如4极36槽电机，每对极的定子槽数

Figure DEST_PATH_217903DEST_PATH_IMAGE004

，则

或

Figure DEST_PATH_122274DEST_PATH_IMAGE006

，即每个极的分离点为7或11，即每极的磁障数为3或5，为了减少制造成本，选择磁障数为3。以每极转子冲片

轴为对称轴，取每两个分离点弧度相同，可以计算出每层磁障两端到对称轴的角度分别为25.71°，51.43°，77.14°。为了提高传统同步磁阻电机的转矩密度，在磁障中加入了永磁体，并且非对称放置，这是因为永磁转矩最大值的电流角度等于或大于0°，磁阻转矩最大值的电流角角度小于45°，永磁体非对称放置可以使永磁转矩和磁阻转矩的最大值在同一电流角度或相近电流角度，提高了整体的转矩密度。中间定子的内外表面均匀开槽，为减小内外电机的磁场互相干扰，定子中间嵌有隔磁环，电机可以等效成内电机和外电机，方便进行分析。定子的内外表面槽内均各自嵌放一套三相双层同心式正弦绕组，形成该电机的总定子绕组。外转子上的Halbach永磁体均采用平行充磁的方式，且转子为表贴式结构，每块永磁体为一个区域，形成多个区域，且每极下永磁体的磁化方向自两边向中间与水平方向夹角逐渐变大。定子槽中绕有三相双层同心式正弦绕组，与传统三相双层叠绕组相比，可以降低损耗，提高电机效率，降低绕组磁势的谐波含量，提高基波绕组系数，从而降低电机成本。同时为了保证中间定子内外槽中的槽满率不变，使定子槽空间得到充分利用，在不等匝正弦绕组基础上对每槽上下层的导体数进行了相应的调整。

实施例1

如图1所示，为一种永磁磁阻混合转子结构的同步电机结构示意图。该电机由外转子1、内转子2和定子3构成，定子3位于外转子1和内转子2之间。定子3内外表面均匀开槽，为提高气隙磁密及反电动势波形的正弦性，在定子3的内外槽中均嵌放了一套三相双层同心式正弦绕组，为提高定子槽的利用率，定子内表面或外表面每槽的槽满率都相同，同时为进一步削弱齿谐波，定子内外槽均为斜槽结构。传统永磁电机气隙磁密波形中的基波占比低，谐波较多，本电机的外转子1表贴有Halbach永磁体，每块永磁体形状为“凸”字形，通过磁场叠加使外转子永磁体6在气隙中的磁密更加接近正弦。普通同步磁阻转子转矩密度较低，在非导磁层2-2底部及两侧非对称地嵌放进永磁体，既提高了转矩密度，又使永磁转矩和磁阻转矩得到了充分的利用。由于内外转子都有永磁体的加入，为使内外电机的磁场互不干扰，在定子3的轭部加入了隔磁环4，此时内电机与外电机的磁场互不干扰，方便分析，在电机控制方面也更加简单。内磁阻外永磁的结构使得电机的体积减小，材料的整体利用率高。

同步磁阻电机与永磁电机相比，调速范围宽，电机的过载能力高，扩大恒功率范围，且更利于散热。如图2为内转子结构及磁体非对称放置时的磁化方向示意图。内转子2每极下导磁层2-1的厚度两端较宽，中间较窄，这样使两侧的磁通多于中间的磁通，提高了电机的整体性能。鉴于转子的机械强度，在导磁层2-1和非导磁层2-2之间分配了磁肋2-3。于非导磁层2-2(磁障)中嵌放永磁体，且非对称地嵌放进去，解决了传统情况下转矩密度低的缺点，同时又提高了效率，保留了磁阻电机的优势。永磁转矩分量和磁阻转矩分量的最大值分别在电流角度为0度和45度达到，永磁体的这种放置方式可使二者最大值在同一电流角度或者相近电流角度达到，提高了两种转矩的利用率。

如图3为内转子每个极的结构示意图。非导磁层2-2(磁障)为“U”形结构，磁障数量为3，相邻两个磁障的宽度相等。考虑到定子和转子的饱和，导磁层总宽度占导磁层与非导磁层宽度总和的比值受到定子槽宽等因素影响，这里取48%，每层磁障两端的厚度比中间的厚度薄，也即两端的导磁层宽度比中间的导磁层宽度厚，其作用可以使得两侧导磁层流过的磁通多而中间少，限制了磁通路径，降低了转矩脉动。磁障层数由下式确定，即

，其中

为每对极的定子槽数，

，则

或

轴为对称轴，取每两个分离点之间的弧度相同，可以计算出每层磁障两端到对称轴的角度分别为25.71°，51.43°，77.14°。

如图4为外转子每极永磁体及其磁化方向示意图。采用Halbach阵列能提高电机的转矩密度，同时提高气隙磁通密度正弦性。为提高永磁体的利用率，每极永磁体采用8分段结构，每块永磁体分别充磁。每极下永磁体的磁化方向自两边向中间与水平方向夹角逐渐变大。每块永磁体为“凸”字型结构，新型Halbach永磁体能更加有效地削弱气隙中的谐波，提高波形的正弦性，并且还可以进一步降低齿槽转矩，减小转矩脉动。

Claims

1.一种永磁磁阻混合转子结构的同步电机，其特征在于，所述电机包括外转子(1)、内转子(2)和定子(3)；定子(3)位于外转子(1)和内转子(2)之间；外转子(1)上附有Halbach永磁体结构，并且每极中每块永磁体的形状为“凸”形；内转子(2)为等气隙宽度的同步磁阻转子，永磁体(7)非对称地放置在同步磁阻转子的各层磁障中；中间定子(3)的内外表面均匀开槽，定子中间嵌有隔磁环(4)，定子的内外表面槽内均各自嵌放一套三相双层同心式正弦绕组，形成该电机的总定子绕组(5)。

2.根据权利要求1所述的一种永磁磁阻混合转子结构的同步电机，其特征在于，所述外转子(1)上的Halbach永磁体均采用平行充磁的方式，且外转子(1)为表贴式结构，每块永磁体为一个区域，形成多个区域，且每极永磁体两边到中间的冲磁方向由切向逐渐过渡到径向。

3.根据权利要求1所述的一种永磁磁阻混合转子结构的同步电机，其特征在于，所述内转子（2）未设永磁体(7)，内磁阻转子的导磁层(2-1)与非导磁层(2-2)均采用“U”形结构，其中，非导磁层(2-2)为空气；永磁体嵌放入非导磁层(2-2)的两侧，且为非对称放置方式。

4.根据权利要求1所述的一种永磁磁阻混合转子结构的同步电机，其特征在于，所述隔磁环(4)将其分为内电机和外电机。

5.根据权利要求1所述的一种永磁磁阻混合转子结构的同步电机，其特征在于，所述外转子(1)为杯形结构，且一侧与轴承相连，内外转子同轴。