CN215817696U - 一种转子六极的永磁辅助同步磁阻电机 - Google Patents

Abstract

一种转子六极的永磁辅助同步磁阻电机，包括转子铁芯、定子铁芯和磁极单元；转子铁芯上设置有沿转子铁芯圆周均匀分布的若干磁极单元；定子铁芯环绕在转子铁芯外围并与转子铁芯之间留有间隙；每个磁极单元包括多层径向分布的磁障，每层磁障中均内嵌有铁氧体。本实用新型电机转子采用多层磁障结构可以充分利用电机的磁阻转矩；第二层磁障和第三层磁障中间布置了径向磁钢，增加了转子的机械强度；转子磁障内嵌入铁氧体不仅可以为电机提供永磁转矩，而且可以提高电机的功率因数，降低电机转矩脉动；转子磁障两端采用锥状和弧状两种结构，进一步提高了电机的性能。综合以上优点最终实现了铁氧体永磁辅助同步磁阻电机高性能的目的。

Description

一种转子六极的永磁辅助同步磁阻电机

技术领域

本实用新型涉及电机领域，特别涉及一种转子六极的永磁辅助同步磁阻电机。

背景技术

由于内置式永磁同步电机具有功率因数高、效率高、调速范围广等优点而得到广泛的关注。但是内置式永磁同步电机主要采用高性能的稀土永磁体进行励磁，稀土是全球稀缺资源，价格不断增加，这就限制了采用稀土永磁体的同步电机更广泛的应用。目前，随着国家节能政策的不断推进，越来越多的企业想要寻求性能可以达到稀土永磁同步电机，但价格较低的电机替代产品。

为了寻求低成本的电机，同步磁阻电机被提出并得到了一定的关注，图1示出了同步磁阻电机的转子剖面图，该电机的转子只由硅钢片叠压而成，沿着转子圆周开有多组磁障组，每个磁障组由多层磁障组成，磁障内不放置任何永磁体励磁，这就降低了电机的成本。但是这种电机由于没有永磁体励磁，功率因素较低，同样转矩密度和效率也较低，一般低于相同功率等级的永磁同步电机。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种转子六极的永磁辅助同步磁阻电机，以解决上述问题。

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种转子六极的永磁辅助同步磁阻电机，包括转子铁芯、定子铁芯和磁极单元；转子铁芯上设置有沿转子铁芯圆周均匀分布的若干磁极单元；定子铁芯环绕在转子铁芯外围并与转子铁芯之间留有间隙；每个磁极单元包括多层径向分布的磁障，每层磁障中均内嵌有铁氧体。

进一步的，定子铁芯内侧沿圆周方向均匀开设有若干个槽，形成定子齿，在槽中布置双层绕组；每组磁极单元转子外围处开设有凹槽。

进一步的，磁障包括第一层磁障、第二层磁障和第三层磁障，其中第二层磁障和第三层磁障的中心处设有径向磁钢；每组磁障均嵌入设置有五块铁氧体，构成一个磁极单元。

进一步的，第二层磁障和第三层磁障靠近径向磁钢的中间处宽，两端窄，中间磁障的宽度大于或等于两端磁障宽度的1.3倍。第二层磁障的宽度大于或等于第三层磁障宽度的1.3倍。

进一步的，每两个磁障之间的磁钢两侧磁钢宽、中间磁钢窄，两侧磁钢和中间磁钢的宽度比值不小于1.2。

进一步的，铁氧体包括第一层铁氧体、第二层铁氧体和第三层铁氧体；每一块铁氧体的端部与所在磁障的端部内侧存在一定间距，其中第二、三层铁氧体中间侧端部的间距不大于1mm；第二层铁氧体的厚度大于或等于第三层铁氧体厚度的1.3倍。

进一步的，定子铁芯的内径与其外径之比大于或等于0.57；定子铁芯的内径与其外径之比小于或等于0.66；定子铁芯与转子铁芯沿着圆周的间距大于或等于0.25mm且小于或等于0.4mm。

进一步的，磁障为C形，在第二层磁障和第三层磁障中间对称处设置有径向磁钢；第一层磁障的两端和第二层磁障的两端的形状布置为直线的，末端形成角度或锥，第三层磁障的两端布置为弧状。

进一步的，第二层铁氧体和第三层铁氧体分为两段。

与现有技术相比，本实用新型有以下技术效果：

本实用新型电机转子采用多层磁障结构可以充分利用电机的磁阻转矩；第二层磁障和第三层磁障中间布置了径向磁钢，增加了转子的机械强度；转子磁障内嵌入铁氧体不仅可以为电机提供永磁转矩，而且可以提高电机的功率因数，降低电机转矩脉动；转子磁障两端采用锥状和弧状两种结构，进一步提高了电机的性能。综合以上优点最终实现了铁氧体永磁辅助同步磁阻电机高性能的目的。

附图说明

图1示出了本实用新型的一种转子六极的永磁辅助同步磁阻电机的剖面图；

图2示出了本实用新型的一种转子六极的永磁辅助同步磁阻电机定子的剖面图；

图3示出了本实用新型的一种转子六极的永磁辅助同步磁阻电机转子的剖面图；

图4示出了本实用新型的一种转子六极的永磁辅助同步磁阻电机转子磁障中间宽度和两侧宽度示意图；

图5示出了本实用新型的一种转子六极的永磁辅助同步磁阻电机转子磁障两侧端部的形状，以及两磁障之间的中间磁钢和两侧磁钢的位置；

图6示出了本实用新型的一种转子六极的永磁辅助同步磁阻电机磁障内铁氧体端部距离磁障内壁宽度示意图；

图7示出了本实用新型的一种转子六极的永磁辅助同步磁阻电机磁力线图；

图8示出了本实用新型的一种转子六极的永磁辅助同步磁阻电机的气隙宽度对d、q轴电感影响的图表；

图9示出了本实用新型的一种转子六极的永磁辅助同步磁阻电机在设计过程中电机转矩优化前后对比图表；

图10示出了本实用新型的一种转子六极的永磁辅助同步磁阻电机的电磁转矩和电流相位角关系的图表；

图11：无永磁体励磁的同步磁阻电机剖面图；

转子铁芯2、凹槽21、定子铁芯3、槽31、定子齿32、磁障4、铁氧体5、第一层磁障41、第二层磁障42、第三层磁障43、径向磁钢6、第一层铁氧体51、第二层铁氧体52、第三层铁氧体53。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型进一步说明：

请参阅图1至图11：

一种转子六极的永磁辅助同步磁阻电机，包括：转子铁芯2，所述转子铁芯2内设置有沿转子铁芯2圆周均匀分布的磁极单元；定子铁芯3，所述定子铁芯3环绕在转子铁芯2外围并与所述转子铁芯2存在一定间隙，包括在定子铁芯2内侧圆周均匀开出多个槽31，形成定子齿32，在槽中规则布置双层绕组；

每组磁极单元包括多层径向分布的磁障4，每层磁障中内嵌有铁氧体5，每组磁极单元位于d轴的转子外围处开一凹槽21。

所述磁障有三层，其中第一层磁障41无径向磁钢6，第二层磁障42和第三层磁障43有径向磁钢6，每组磁障有五块铁氧体5嵌入其中，构成一个磁极单元，包括第一层铁氧体51、第二层铁氧体52和第三层铁氧体53。

第二层磁障42和第三层磁障43具有中间宽，即靠近径向磁钢6处宽，两端窄的特征，中间磁障的宽度大于或等于两端磁障宽度的1.3倍。

每两个磁障之间的磁钢具有两侧磁钢8宽、中间磁钢7窄的特征，两侧磁钢和中间磁钢的宽度比值不小于1.2倍。

每一块铁氧体5的端部与所在磁障的端部内侧存在一定间距，其中第二、三层铁氧体中间侧端部的所述间距不大于1mm，靠近转子铁芯2外围的铁氧体端部所述距离可随电机设计过程灵活调整。

第二层磁障42的宽度大于或等于第三层磁障43宽度的1.3倍。

第二层铁氧体52的厚度大于或等于第三层铁氧体53厚度的1.3倍。

所述定子3的内径与其外径之比大于或等于0.57。

所述定子3的内径与其外径之比小于或等于0.66。

所述定子3与所述转子2沿着圆周的间距大于或等于0.25mm且小于或等于0.4mm。

所述磁障4为C形，并且在第二层磁障42和第三层磁障43中间对称处设置有径向磁钢6，以保证转子机械强度。

第一层磁障的两端11和第二层磁障的两端12的形状布置为直线的，使末端形成明显的角度或锥，第三层磁障的两端13布置为弧状，末端没有明显的角度。

第二层铁氧体52和第三层铁氧体53分为两段，一个磁极单元下有五块铁氧体组成。

图1中示出了本实用新型的一种转子6极的永磁辅助同步磁阻电机的剖面图，该电机包括转子铁芯，转子铁芯内设置有沿其圆周均匀分布的磁障组，这些磁障组构成转子的磁极单元，按照N极和S极交替排列分布；每组磁障组位于d轴的转子外围处开一凹槽；定子铁芯绕在转子铁芯外围并与转子铁芯存在一定间隙，包括在定子铁芯内侧圆周均匀开出多个槽，形成定子齿，在槽中规则布置双层绕组；每个磁障组分为三层磁障，其中第一层磁障无径向磁钢，第二层磁障和第三层磁障有径向磁钢，每组磁障有五块铁氧体嵌入其中，构成一个磁极组，包括第一层铁氧体、第二层铁氧体和第三层铁氧体。

为了提高电机的抗退磁能力，每个磁障槽内壁两端距离铁氧体两端都保持一定的距离。为了充分利用磁阻转矩，需要尽量增大d、q轴的电感差值，本实用新型采取的设计方式是第二层磁障的厚度大于第三层磁障的厚度，两者厚度关系，前者大于或等于后者的1.3倍。

查阅文献资料可知，为了得到高性能的永磁辅助同步磁阻电机，电机转子磁障两端靠近转子外围的磁肋应尽可能的薄，这样就降低了电机转子的机械强度，不利于电机高速运转。为了在保证电机性能的前提下，尽量提高转子的机械强度，在第二层磁障和第三层磁障中间对称处布置有径向磁钢。

图2和图3分别示出了电机的定子和转子，在选择定子绕组时，需要尽可能提高基波绕组系数，所以选择磁动势分布更加正弦的分布绕组；然后需要考虑尽量提高奇数次谐波的次数，查阅资料可知，采用分数槽绕组的奇数次谐波次数通常更高，本实用新型选择6极27槽的分数槽双层分布绕组。

图8示出了电机气隙宽度对d、q轴电感影响。从图中可以看出，随着气隙宽度的不断增加，d、q轴电感都在下降，但是q轴电感下降的很快，d轴电感下降的很慢，q轴电感和d轴电感的差值也在逐渐下降，这就导致电机的磁阻转矩利用率降低，因此电机气隙宽度不能过宽。考虑到电机制作和装配工艺的难度，通常电机的气隙宽度不小于0.25mm，本实用新型电机的气隙宽度采用0.3mm。

图4示出了电机转子的一个磁障组，标出了磁障两侧和中间处的宽度，本实用新型采用磁障宽度由中间向两侧逐渐变窄的策略，通过在电磁场仿真软件中不断调整磁障中间和两侧的宽度比，进行仿真验证，最终得到磁障中间的宽度应大于等于磁障两侧宽度的1.3倍。增加磁障中间的宽度目的是增加转子d轴的磁阻，进而减小d轴电感，使q轴电感与d轴电感差值增大，从而增加电机的磁阻转矩。

图5示出了两磁障之间磁钢的中间位置和两侧位置，为了增加电机的磁阻转矩，在减少d轴电感的同时，应尽量增大q轴电感，增加两侧磁钢的宽度会增大q轴电感，通过调整两侧磁障和中间磁障的宽度，最终得到两侧磁障和中间磁障的宽度比应大于等于1.2。

在确定磁障基本宽度之后，达到了充分利用电机磁阻转矩的目的。接下来需要提高电机的功率因数，提高电机效率。通过查阅资料可知，在电机转子磁障内插入低成本的铁氧体可以提高电机的功率因素，实现电机的高效化。图6示出了电机转子磁障内铁氧体端部距离磁障内壁宽度示意图，为了防止铁氧体退磁，铁氧体端部距离磁障内壁应有一定的距离，其中第二、三层铁氧体中间侧端部的所述间距不大于1mm，靠近转子铁芯外围的铁氧体端部所述距离可随电机设计过程灵活调整。

为了验证充磁方向对电机性能的影响，在电磁场仿真软件中分别设置铁氧体平行充磁和径向充磁，通过仿真结对比，最终得到平行充磁的效果更好，图7示出了的是铁氧体平行充磁的电机磁力线仿真图。

在电机方案基本确定以后，为了提高电机性能，对该电机进行了优化。图5示出了转子磁障两侧端部的形状，其中第一、二层磁障两侧端部布置为锥状，第三层磁障两侧端部布置为弧状。通过两种磁障端部结构混合使用，电机转矩脉动得到显著降低。为了进一步降低转矩脉动，在每组磁极单元位于d轴的转子外围处开一凹槽，图5示出了凹槽的位置，同样达到降低转矩脉动的目的。图9示出了优化前后电机转矩示意图表，从图表中可以看出，优化后电机转矩脉动得到明显降低，转矩也得到一定提升。

图10示出了电机优化后的电机的电磁转矩和电流相位角的关系，从图中可以看出随着电流角度增加，电磁转矩先增大后减小，在电流角为90°是电瓷砖胶基本为零，最大转矩是的电流角度范围为40°～60°，这是由于该电机达到了充分利用磁阻转矩的目的，使得电机的磁阻特性显著。

根据本实用新型的一种转子6极的永磁辅助同步磁阻电机，具有如下有益效果：

本实用新型电机的转子采用多层磁障结构可以充分利用电机的磁阻转矩；第二层磁障和第三层磁障中间布置了径向磁钢，增加了转子的机械强度；转子磁障嵌入铁氧体不仅可以为电机提供永磁转矩，而且可以提高电机的功率因数，降低电机转矩脉动；转子磁障两端采用锥状和弧状两种结构，进一步提高了电机的性能。综合以上效果最终实现了铁氧体永磁辅助同步磁阻电机高性能的目的。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以以各种方式进行修改和变化。依照本实用新型的精神和原则所作的改动或修改，均应列入本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种转子六极的永磁辅助同步磁阻电机，其特征在于，包括转子铁芯(2)、定子铁芯(3)和磁极单元；转子铁芯(2)上设置有沿转子铁芯(2)圆周均匀分布的若干磁极单元；定子铁芯(3)环绕在转子铁芯(2)外围并与转子铁芯(2)之间留有间隙；每个磁极单元包括多层径向分布的磁障(4)，每层磁障中均内嵌有铁氧体(5)；

定子铁芯(3)内侧沿圆周方向均匀开设有若干个槽(31)，形成定子齿(32)，在槽中布置双层绕组；每组磁极单元转子外围处开设有凹槽(21)；

磁障(4)包括第一层磁障(41)、第二层磁障(42)和第三层磁障(43)，其中第二层磁障(42)和第三层磁障(43)的中心处设有径向磁钢(6)；每组磁障(4)均嵌入设置有五块铁氧体(5)，构成一个磁极单元。

2.根据权利要求1所述的一种转子六极的永磁辅助同步磁阻电机，其特征在于，第二层磁障(42)和第三层磁障(43)靠近径向磁钢(6)的中间处宽，两端窄，中间磁障的宽度大于或等于两端磁障宽度的1.3倍；第二层磁障(42)的宽度大于或等于第三层磁障(43)宽度的1.3倍。

3.根据权利要求1所述的一种转子六极的永磁辅助同步磁阻电机，其特征在于，每两个磁障之间的磁钢两侧磁钢宽、中间磁钢窄，两侧磁钢和中间磁钢的宽度比值不小于1.2。

4.根据权利要求1所述的一种转子六极的永磁辅助同步磁阻电机，其特征在于，铁氧体(5)包括第一层铁氧体(51)、第二层铁氧体(52)和第三层铁氧体(53)；每一块铁氧体(5)的端部与所在磁障的端部内侧存在一定间距，其中第二、三层铁氧体中间侧端部的间距不大于1mm；第二层铁氧体(52)的厚度大于或等于第三层铁氧体(53)厚度的1.3倍。

5.根据权利要求1所述的一种转子六极的永磁辅助同步磁阻电机，其特征在于，定子铁芯的内径与其外径之比大于或等于0.57；定子铁芯的内径与其外径之比小于或等于0.66；定子铁芯与转子铁芯沿着圆周的间距大于或等于0.25mm且小于或等于0.4mm。

6.根据权利要求1所述的一种转子六极的永磁辅助同步磁阻电机，其特征在于，磁障(4)为C形，在第二层磁障(42)和第三层磁障(43)中间对称处设置有径向磁钢(6)；第一层磁障的两端和第二层磁障的两端的形状布置为直线的，末端形成角度或锥，第三层磁障的两端布置为弧状。

7.根据权利要求1所述的一种转子六极的永磁辅助同步磁阻电机，其特征在于，第二层铁氧体(52)和第三层铁氧体(53)分为两段。

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