CN105703502A - 一种同步磁阻电机转子结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同步磁阻电机转子结构，包括定子、转子，所述定子包括定子铁心和绕组，所述转子包括转子铁心，其特征在于：所述转子铁心由转子冲片叠压而成，所述转子冲片包括若干个对称的磁极，所述磁极沿所述转子圆周N极和S极交替排列，所述磁极包括3～4层栅格，所述各相邻栅格层之间间距H与转子极距T之间的关系为：T/16≤H≤T/8，所述栅格中部分放置磁钢，其他部分空置或放入环氧树脂等非导磁非导电材料，该结构节省成本且加工工艺简单，而且电机的调速范围宽、凸极比大且转矩波动小。

Description

一种同步磁阻电机转子结构

技术领域

本发明涉及一种同步磁阻电机结构，具体涉及一种同步磁阻电机转子结构。

技术背景

当前电动汽车(包括纯电动汽车和混合动力汽车)所用驱动电机，一般为交流异步电机和永磁同步电机。交流异步电机虽结构简单、运行可靠，但存在功率密度较低、恒功率调速范围较窄的固有缺点，同时由于异步电机转子有铜损，转子发热量将传导至轴承处，将会极大地降低轴承的寿命，从而导致电机整体寿命缩短；永磁同步电机虽然效率较高、功率密度较高、恒功率调速范围较宽同时转子发热量较低，但一般以永磁转矩为主，其反电动势在高速过高，失控会损坏系统，不利于车辆高速运行的控制。因此，研发一种用于电动汽车驱动，具有高效率、高功率密度、宽调速范围同时转子发热量较低，且不存在反电势损坏系统风险的电机就很有必要了。

同步磁阻电机具有功率密度高、调速范围宽、效率高、体积小等优点，但是由于需要提供永磁体的性能来提供电机性能，所以往往采用稀土类永磁体，而稀土类永磁体不可再生、价格昂贵，为了节约稀有金属资源，减轻环境负担，更为了提高电机性能、效率，本发明提出一种新的永磁辅助式永磁同步电机及其转子机构，该结构加工简单，高速下机械强度高、反电动势低，且凸极比大、转矩波动小。

发明内容

本发明出于克服现有技术中的不足，提出一种新的同步磁阻电机转子结构，解决了现有永磁同步电机和交流异步电机的固有缺陷，而且相比现有的同步磁阻电机，加工工艺简单、凸极比大、转矩波动小。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种同步磁阻电机转子结构，包括定子、转子，所述定子包括定子铁心和绕组，所述转子包括转子铁心，所述转子铁心由转子冲片叠压而成，所述转子冲片包括若干个对称的磁极，所述磁极沿所述转子圆周N极和S极交替排列，所述磁极包括3～4层栅格，所述各相邻栅格层之间间距H与转子极距T之间的关系为：T/16≤H≤T/8。

所述各栅格层包括3～4个栅格。

所述各层栅格之间间距W与所述转子、定子之间气隙δ的关系为：δ/3≤W≤3δ。

所述磁极栅格中部分放置磁钢，其余部分空置。

所述磁极栅格中一部分放置磁钢，其余部分放置环氧树脂。

所述磁极栅格放置磁钢的体积占栅格总体积的比例为10％～50％。

所述磁钢为钕铁硼磁钢。

所述定子绕组为分布式绕组。

一种混合动力驱动系统，包括发动机、变速箱、电机，所述发动机、变速箱、电机顺序连接，所述电机为上述的任意一种永磁辅助式同步磁阻电机。

与现有的同步磁阻电机相比，本发明有显著优点和有益效果，具体体现为：

1、使用本发明的同步磁阻电机转子结构，采用部分放置磁钢的设计，减少磁钢的使用量，节省成本；

2、使用本发明的同步磁阻电机转子结构，设计了栅格的位置及磁钢的分布，进一步提高了磁阻转矩的利用率及电机效率；

附图说明

图1为本发明永磁辅助式同步磁阻电机转子结构第一实施例的示意图；

图2为本发明永磁辅助式同步磁阻电机转子结构中栅格层数与凸极比和转矩的关系示意图；

图3为本发明永磁辅助式同步磁阻电机转子结构中同一层栅格个数与凸极比和转矩的关系示意图；

图4为本发明永磁辅助式同步磁阻电机转子结构中相邻两层栅格间距与凸极比和转矩的关系示意图；

图5为本发明永磁辅助式同步磁阻电机转子结构中同一栅格层相邻栅格之间距离与最高转速下转子剪切应力和转矩的关系示意图；

图6为本发明永磁辅助式同步磁阻电机转子结构中磁钢填充率与空载线反电势的关系示意图；

图7为本发明永磁辅助式同步磁阻电机转子结构中相邻磁极之间最小间距与凸极比和转矩的关系示意图；

图8为本发明永磁辅助式同步磁阻电机转子结构中相邻磁极栅格间角度与凸极比和转矩的关系示意图；

图9为本发明永磁辅助式同步磁阻电机转子结构第二实施例的示意图；

图10为本发明永磁辅助式同步磁阻电机转子结构第三实施例的示意图；

图11为本发明永磁辅助式同步磁阻电机转子结构第四实施例的示意图。

具体实施方式

本发明的具体实施方法如下：

现有的永磁同步电机设多使用昂贵的稀土永磁材料，而且由于永磁体分布产生的反电动势较大；同步磁阻电机虽然能够提供较小的反电动势，但是由于其转子不使用永磁体，故在电机大小相同的情况下，同步磁阻电机的功率密度要小得多。

本发明提供的永磁辅助式同步磁阻电机转子具有多个永磁体槽组，每组永磁体槽包括多层栅格。本文中所谓“栅格”是指在转子铁心上设置的槽状或沿轴向贯通于转子铁芯的结构，类似于永磁同步电机的磁极槽，但该栅格内可以填充或者不填充永磁材料。本发明电机转子同一永磁体槽组内的永磁体磁性相同，相邻永磁体槽组间的永磁体磁性相反，即采用沿圆周方向排列成N极和S极交替的形式，图1为本发明第一实施例中永磁辅助式同步磁阻电机转子结构示意图，转子铁心由转子冲片叠压而成，转子冲片由六个对称的磁极构成，每个磁极由多层栅格组成，经过大量的试验和仿真得出每个磁极的栅格层数对电机输出转矩及电机凸极比的影响如图2所示。本文中所谓“凸极比”是指电机交轴电感与直轴电感的比值。本实施例选用3层栅格结构，每层栅格由若干直线型的栅格组成，图1中所示结构中每层栅格设置为2个以上栅格，所有栅格具有相同的宽度，相邻两层栅格之间具有相同的间距H，且每层栅格相邻栅格之间具有相同的间隔W，沿电机转子外圆半径由外向内第一层栅格组由两个栅格组成，两栅格呈一直线排列；在转子尺寸允许的情况下，第一层栅格可以由多于2个栅格组成，且各栅格不一定呈直线排列。由第一层栅格组向内的第二层及第N层栅格组分别由2个以上的栅格组成，每两个栅格之间互相形成小于180度的夹角，相对弧形结构来说，该结构加工工艺更加简单，易于操作。本实施例中第二层栅格组及第三层栅格组分别由三个栅格组成，每一层栅格组的栅格向转子外沿构成U形排列。在工艺允许的情况下，每一层栅格组都可以包括3个甚至多个栅格，且栅格不限于相同的长度。对于汽车领域所使用的驱动电机，每个磁极的栅格层数对电机输出转矩及电机凸极比的影响如图2所示，栅格的层数对电机的d轴电感的变化很小，但是q轴电感在随着层数的变化会有较大变化，即当永磁辅助同步磁阻电机栅格层数增加时，永磁辅助同步磁阻电机的q轴电感急剧增大，这主要是因为在多层的栅格层结构中，q轴磁通更多地经由两层栅格层间的导磁通道流过，导致产生更大的q轴电感，从而增大了永磁辅助同步磁阻电机产生磁阻转矩。且每层栅格的栅格数对于电机输出转矩及电机凸极比的影响如图3所示，因此，处于电机输出转矩及电机凸极比的考虑，优选地，选择3～4层栅格，每层栅格包含3～4个栅格。

为了增加d轴方向磁阻，减小电机的d轴电感，电机的栅格厚度必须加大，但在厚度达到一定程度后，因为d轴磁力线很难直接穿过永磁体槽，继续增加永磁体槽的厚度，而d轴电感却很难下降，为了减小d轴电感及使导磁通道不发生局部饱和，导磁通道设计成各处的宽度相差不大。结合电机转子多层永磁体结构的设计，可使得同步磁阻电机的q轴电感迅速增大，尽可能增大q轴与d轴的电感差，进一步提高电机磁阻转矩的利用率，出于上述目的，本发明设计并通过仿真得出每个磁极相邻栅格层之间的间距H与转子极距T的比例对于电机凸极比和输出转矩的影响，本文所述“转子极距”T＝π*D1/(2p)，其中D1为定子内径，p为极对数。相邻栅格层之间的间距H与转子极距T的比例对应电机凸极比和输出转矩的具体试验数据如图4所示，由于电机体积有限，间距H增大会导致栅格变薄，从而影响电机的抗退磁能力，因此间距H也不是越大越好，为了保证电机的磁通量及抗退磁能力，由图中数据可得出间距H小于T/16或者大于T/8时输出转矩明显降低，故各栅格层之间间距H与转子极距T的比例选取范围为T/16～T/8，最优选取T/12～T/10。

而且，各栅格层内栅格之间的间距W对电机的机械强度和漏磁控制也有很大影响，硅钢片的剪切应力一般不超过270Mpa，一旦超过，材料极有可能断裂，所述剪切应力为所考察的截面某一点单位面积上的内力称为应力，同截面相切的称为剪应力或剪切应力。各栅格层内栅格之间的间距W过小会导致硅钢片能够承受的剪切应力小，当电机高速旋转时可能导致硅钢片的断裂和磁钢的泄露，而间距W多大会使得栅格容量减少且硅钢片机械强度的冗余。电机的气隙δ＝(D1-D2)/2，其中D1为定子内径，D2为转子外径，各栅格层内栅格间距W对应于输出转矩和转子最高转速下剪切应力的试验数据如图5所示，当栅格间距W小于δ/3时，转子高速下的剪切应力明显提高且输出转矩提升不高，而当W大于3δ时，虽然剪切应力有所下降，但是漏磁严重、输出转矩大幅下降，故而W应该选取δ/3～3δ，对于本发明实施例1，优选地，W为δ～2δ，这样既能提高转子的机械强度，保证其能够承受高速转动时的离心应力，也能控制漏磁在一个较小的范围。

本实施例采用钕铁硼磁钢和非导磁非导电材质配合使用，在第二层与第三层栅格的中间段内放置钕铁硼磁钢，而其它部空置或放置环氧树脂等非导磁非导电材料，大大减少了钕铁硼磁钢的使用量，节省材料、减轻重量，同时由于整个磁路只使用了部分磁钢。而如何选取磁钢填充量对于电机性能也有很大影响，磁钢填充率对应空载线反电势的试验数据如图6所示，其中磁钢填充率定义为磁钢总宽度/栅格槽总宽度，空载线反电势定义为额定转速下空载线反电势。通常电动汽车驱动电机的最高转速一般为额定转速的2～3倍，如果保证最高速下线反电势不超过电源电压，则额定转速下的空载线反电势峰值/电源电压为0.33～0.5，选取磁钢填充率为10％～50％，优选地20％～40％，这样就会使得电机性能兼顾永磁电机与异步电机的优点，同时又能尽量避免永磁电机与异步电机的缺点，既能保证该电机比异步电机效率高、调速范围宽，也能保证其高速下的反电动势不大，不会超过电源电压，确保电机的正常运转。配合使用分布式定子绕组，所述分布式绕组的电动机定子没有凸形极掌，每个磁极由一个或几个线圈按照一定的规律嵌装布线组成线圈组，通电后形成不同极性的磁极，以保证了磁阻转矩的波动小。

进一步，试验数据表明在相同磁钢条件下相邻两个磁极之间的最小间距A与转子极距T的比例对于电机的凸极比和输出转矩的对应关系如图7所示，由图中试验数据可得，选取磁极间距A为T/14～T/6，最优选择T/10～T/8。

进一步，相邻磁极栅格延长线形成的角度α的大小影响到电机的性能，如电机凸极比和输出转矩，相邻磁极栅格延长线形成的角度α对应电机凸极比和输出转矩的试验结果如图8所示，由图中数据可得出α应该选取10°～60°，最优选择为20°～40°。

本发明的永磁辅助式同步磁阻电机转子采用的磁路结构，其磁阻转矩占总转矩的比例在70％左右，永磁转矩占总转矩的比例在30％左右，其效率比同样等级的异步电机效率要高4个点左右，调速范围可以从额定转速到2倍额定转速，且其峰值功率可维持不变。

本发明的同步磁阻电机转子通过提高d、q轴磁阻差异来提高单位电流产生电磁转矩的能力，在相同的电流下能产生更大的磁阻转矩，从而使得合成的电磁转矩更大，因此采用本发明转子的同步磁阻电机工作电流可以更小，这也间接地提高了同步磁阻电机的退磁电流倍数，更有效地保证了同步磁阻电机在抗退磁方面的可靠性。此外，由于采用本发明转子的同步磁阻电机单位电流产生的电磁转矩更大，同步磁阻电机功率密度可以做的更高，无需为了提高电机的退磁电流而增大同步磁阻电机的体积或材料使用量，本发明的同步磁阻电机成本可以做得更低。

图9为本发明永磁辅助式同步磁阻电机转子第二实施例的结构示意图，本实施例中磁钢仅填充在离转子中心最近的的一层。

图10为本发明永磁辅助式同步磁阻电机转子第三实施例的结构示意图，本实施例中距离转子中心最远的一层栅格层为三段结构。

图11为本发明永磁辅助式同步磁阻电机转子第四实施例的结构示意图，本实施例中距离转子中心最远的一层栅格层为三段结构且磁钢仅填充在离转子中心最近的的一层。

对于为本发明的示范性实施例，应当理解为是本发明的权利要求书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的指导性作用，而非对本发明的限定。

Claims (9)

1.一种同步磁阻电机转子结构，包括定子、转子，所述定子包括定子铁心和绕组，所述转子包括转子铁心，其特征在于：所述转子铁心由转子冲片叠压而成，所述转子冲片包括若干个对称的磁极，所述磁极沿所述转子圆周N极和S极交替排列，所述磁极包括3～4层栅格，所述各相邻栅格层之间间距H与转子极距T之间的关系为：T/16≤H≤T/8。

2.根据权利要求1所述的同步磁阻电机转子结构，其特征在于：所述各栅格层包括3～4个栅格。

3.根据权利要求2所述的同步磁阻电机转子结构，其特征在于：所述各层栅格之间间距W与所述转子、定子之间气隙δ的关系为：δ/3≤W≤3δ。

4.根据权利要求3所述的同步磁阻电机转子结构，其特征在于：所述磁极栅格中部分放置磁钢，其余部分空置。

5.根据权利要求3所述的同步磁阻电机转子结构，其特征在于：所述磁极栅格中一部分放置磁钢，其余部分放置环氧树脂。

6.根据权利要求4或者权利要求5所述的同步磁阻电机转子结构，其特征在于：所述磁极栅格放置磁钢的体积占栅格总体积的比例为10％～50％。

7.根据权利要求6所述的同步磁阻电机转子结构，其特征在于：所述磁钢为钕铁硼磁钢。

8.根据权利要求1所述的同步磁阻电机转子结构，其特征在于：所述定子绕组为分布式绕组。

9.一种混合动力驱动系统，包括发动机、变速箱、电机，所述发动机、变速箱、电机顺序连接，其特征在于：所述电机为权利要求1-8所述的任意一种永磁辅助式同步磁阻电机。