CN110601481B - 一种双转子永磁同步磁阻电机及配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双转子永磁同步磁阻电机及配置方法，包括由内向外依次是转轴、磁阻转子、定子、永磁转子，定子内外均匀开有定子槽，定子在永磁转子和磁阻转子中间；d轴被定义为永磁转子铁氧体的中心线，q轴被定义磁阻转子凸极的中心线，两个转子在转轴上的安装角度被定义为d轴和q轴之间的夹角；调整永磁转子和磁阻转子之间的安装角度来改变转矩分量的叠加机制，以使永磁转矩和磁阻转矩在相同的电流相位角达到它们的最大值。在不增加电机机械制造和冷却难度的前提下，全面提升电磁转矩和功率密度、效率及抑制转矩脉动等电磁性能，而且转子结构设计灵活、加工工艺简单，机械强度高。

Description

一种双转子永磁同步磁阻电机及配置方法

技术领域

本发明属于电机设备领域，尤其涉及一种双转子永磁同步磁阻电机及配置方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

永磁电机由于其高转矩密度、高效率等特点被广泛应用于各种领域。然而，稀土永磁材料存在价格昂贵和供应有限等问题，这给永磁电机的发展带来了巨大挑战。因此，研究具有较少或零稀土永磁体的高性能电机势在必行。

同步磁阻电机由于不使用永磁体、转子结构坚固且成本低，被认为是可代替的选择之一，但它与永磁电机相比降低了转矩密度，效率和功率因数。为了提高同步磁阻电机的性能，同步磁阻电机的转子磁障可***适量的永磁体，从而研究出一种永磁辅助式同步磁阻电机。尤其是，采用铁氧体辅助的永磁辅助同步磁阻由于其低成本，高转矩密度和宽调速范围而更具吸引力。

然而，研究者们也发现永磁辅助式同步磁阻电机也有一些缺点，其总转矩分为永磁转矩和磁阻转矩两部分，它们分别在不同的电流相位角处达到各自的最大值，理论上相差45°，如图1。因此，不能充分利用两个转矩分量来获得总转矩。所以非对称永磁体和非对称隔磁桥设计被应用到这些电机中，通过使永磁转矩和磁阻转矩在相同的电流相位角处达到最大值，进一步提高电机的性能。然而，这些电机不但结构复杂，而且气隙磁通密度弱并且带有高次谐波，导致永磁转矩低并且有较高的转矩波动。此外，***的永磁体会使隔磁桥肋条的应力状况恶化，并且以相对较低的显着比限制隔磁桥设计。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种双转子永磁同步磁阻电机，在不增加电机机械制造和冷却难度的前提下，全面提升电磁转矩和功率密度、效率及抑制转矩脉动等电磁性能。

为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

一种双转子永磁同步磁阻电机，

包括由内向外依次是转轴、磁阻转子、定子、永磁转子，定子内外均匀开有定子槽，定子在永磁转子和磁阻转子中间；

d轴被定义为永磁转子铁氧体的中心线，q轴被定义磁阻转子凸极的中心线，两个转子在转轴上的安装角度被定义为d轴和q轴之间的夹角；

调整永磁转子和磁阻转子之间的安装角度来改变转矩分量的叠加机制，以使永磁转矩和磁阻转矩在相同的电流相位角达到它们的最大值。

进一步的技术方案，所述定子包括定子铁心和定子绕组，定子铁心内外表面均有开槽，每个槽间距和槽宽相同，槽内放有定子绕组并缠绕在定子轭上。

进一步的技术方案，所述永磁转子包括永磁转子铁心和永磁体，永磁体规格相同并沿圆周方向均匀分布，永磁体为径向充磁，向里或向外，相邻永磁体充磁方向相反。

进一步的技术方案，所述内转子仅由磁阻转子铁心构成，带有多个凸极结构，每个凸极结构相同并沿圆周方向均匀分布。

或，内转子由磁阻转子铁心和U型隔磁桥构成，采用多极结构，每极结构相同并沿圆周方向均匀分布；

每极结构相同并在旋转方向上等间隔设置，隔磁桥沿着转轴方向延伸，每极采用四层隔磁桥结构，每层隔磁桥从转轴向磁阻转子边缘逐层设置，隔磁桥从转轴由里到外逐渐减小，最里面隔磁桥最大，包裹着外部隔磁桥。

进一步的技术方案，所述磁阻转子和定子内壁之间有一层内气隙；永磁转子和定子外壁之间有一层外气隙。

进一步的技术方案，所述永磁体的外径和外转子的内径相同，贴合在一起，六个永磁体大小相同并等间距分布，形成表贴式永磁转子。

进一步的技术方案，所述永磁转子和磁阻转子共同安装在转轴上进行输出，定转子铁心均采用硅钢片，沿转轴方向叠压而成。

进一步的技术方案，所述永磁体采用低成本铁氧体。

本发明公开一种双转子永磁同步磁阻电机的配置方法，包括：

定义d轴为永磁转子铁氧体的中心线，定义q轴为磁阻转子凸极的中心线，两个转子在转轴上的安装角度被定义为d轴和q轴之间的夹角；

调整永磁转子和磁阻转子之间的安装角度来改变转矩分量的叠加机制，以使永磁转矩和磁阻转矩在相同的电流相位角达到它们的最大值。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

(1)本公开采用双转子单定子结构，定子内外开槽，位于两个转子中间，大大提高了电机的转矩密度和材料利用率，并且在同等功率下可大幅度减小电机的体积和重量，该电机还具有结构可靠、成本低、效率高等突出优点。同时，该电机实现了永磁转矩和磁阻转矩的解耦，使得永磁转子和磁阻转子相对独立，解决了传统永磁辅助式同步磁阻电机设计参数多、优化难度大的问题，设计方式更加灵活。

(2)该电机的永磁转子和磁阻转子径向通过特殊的组合角度配置，能够改变转矩叠加机制，以使永磁转矩和磁阻转矩的最大值能够在相同的电流相位角处叠加，从而充分利用电机的两种转矩成分，显著提高电磁转矩，进而极大提高电机的效率等整体性能。

(3)永磁转子采用表贴式永磁转子，具有结构简单、加工工艺方便、制造成本低、漏磁少等优点，同时永磁体采用高磁导率、低损耗和耐高温退磁的铁氧体设计，对降低电机成本和损耗亦有显著作用。

(4)磁阻转子结构简单，具有较高的机械强度和较高的磁阻转矩，配合永磁电机的使用可有效减少电机永磁体的用量，在节省电机材料成本、降低铁心和磁铁损耗等方面具有显著作用。同时，采用凸极结构的磁阻转子，可有效降低转矩脉动并增强机械强度，结构简单易于加工制造；采用U型隔磁桥的磁阻转子具有更高的凸极比，有利于提高电机的磁阻转矩，进而提高电机的总转矩。

(5)该电机主要由外转子、内转子和定子构成，定子位于内外转子中间，外转子为表贴式永磁转子，内转子为磁阻转子，两个转子用于同一个轴输出。通过集成多种性能提升技术，尤其是通过两个转子组合配置角度设计，使永磁转矩和磁阻转矩在相同电流相位角处达到最大值，如图2，充分利用两部分转矩，在不增加电机机械制造和冷却难度的前提下，全面提升电磁转矩和功率密度、效率及抑制转矩脉动等电磁性能，而且转子结构设计灵活、加工工艺简单，机械强度高。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是传统永磁辅助式同步磁阻电机转矩叠加关系图；

图2为本公开电机转矩叠加关系图；

图3为本公开电机的结构示意图；

图4为本公开电机的三分之一结构图；

图5为本公开电机转矩随安装角度变化的示意图；

图6为本公开电机转矩随电流相角的关系图；

图中：1.永磁转子；2.永磁转子铁心；3.永磁体；4.定子；5.定子铁心；6.定子绕组；7.定子槽；8.磁阻转子；9.外气隙；10.内气隙；11.磁阻转子铁心；12.转轴；13.隔磁桥。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明提出的总体思路：

该电机主要由外转子、内转子和定子构成，定子设置在外转子和内转子之间；内外两个转子径向通过组合角度配置，以使永磁转矩和磁阻转矩的最大值能够在相同的电流相位角处叠加，从而充分利用电机的两种转矩成分，因此提高了电机的总转矩、效率和功率因数。

实施例一

本实施例公开了一种双转子永磁同步磁阻电机，主要由外转子永磁转子1、内转子磁阻转子8和定子4构成。定子4内外均匀开有定子槽7，定子4在永磁转子1和磁阻转子8中间。

定子4包括定子铁心5和定子绕组6，定子铁心5内外表面均有开槽，共具有36个定子槽7，每个槽间距和槽宽相同，槽内放有定子绕组6并缠绕在定子轭上，以改善定子铁心的工作表面积和槽填充系数。

外转子永磁转子1包括永磁转子铁心2和永磁体3，永磁体3规格相同并沿圆周方向均匀分布，紧贴在外转子铁心内壁构成表贴式永磁转子；永磁体3为径向充磁，向里或向外，相邻永磁体充磁方向相反。

内转子为磁阻转子8，作为可选的一种实施方式，内转子仅由磁阻转子铁心11构成，带有六个凸极结构，每个凸极结构相同并沿圆周方向均匀分布。

或，内转子由磁阻转子铁心11和U型隔磁桥13构成，同样采用六极结构，每极结构相同并沿圆周方向均匀分布。

具体实施例子中，参见图3，由内向外依次是转轴12、磁阻转子8、定子4、永磁转子1；磁阻转子8和定子4内壁之间有一层内气隙10；永磁转子1和定子4外壁之间有一层外气隙9；定子绕组6缠绕在定子铁心5上；磁阻转子8和永磁转子1共同安装在转轴12上，用于共同输出。内、外气隙的厚度与电机的功率等级、所选取的永磁材料以及磁阻转子8、定子4、永磁转子1加工和装配工艺有关。

本发明具有两个转子，定子在两个转子中间，因而有两个气隙，一个磁阻转子和一个永磁转子，可以兼顾同步磁阻电机和永磁电机的优点，且采用低成本铁氧体即可达到传统永磁电机的功率密度。

参见图3和图4，定子由定子铁心5和定子绕组6构成，定子铁心5内外均匀分布着36个定子槽，每个定子槽宽度相同，36个内外定子槽绕有定子绕组。图4中的“+”为定子绕组6的进线方向，“-”为定子绕组6的出线方向，A、B、C为电机的三相电枢绕组。

本公开永磁转子1由外转子铁心2和永磁体3构成，永磁体采用低成本铁氧体，永磁体3的外径和外转子1的内径相同，紧紧的贴合在一起，六个永磁体大小相同并等间距分布，形成表贴式永磁转子，永磁体3充磁方向为径向充磁，向里或向外，相邻永磁体3的充磁方向相反。

作为可选的一种实施方式，参见图3，本公开磁阻转子8仅由转子铁心11构成，采用六极结构，也可以是更多极，但需要每一极的配置形式与下述配置形式相同：六个凸极结构相同并沿圆周方向等间隔分布，构成磁阻转子，结构简单易于加工，可有效降低转矩脉动并增强机械强度，保证电机平稳、高效、可靠运行。

或，参见图3，磁阻转子8可采用U型隔磁桥结构，同样采用六极结构，也可更多磁极，但需要每一磁极的配置形式与下述磁极配置形式相同：每极结构相同并在旋转方向上等间隔设置，隔磁桥13沿着转轴方向延伸。每极采用四层隔磁桥13结构，每层隔磁桥13从转轴12向磁阻转子8边缘逐层设置，隔磁桥13从转轴12由里到外逐渐减小，最里面隔磁桥最大，可以包裹着外部隔磁桥。U型隔磁桥磁阻转子具有更高的凸极比，能够产生更高的磁阻转矩，进而提高电机的总转矩。

永磁转子1和磁阻转子8共同安装在转轴12上进行输出，定转子铁心均采用硅钢片，沿转轴方向叠压而成，易于加工。永磁体选用低成本铁氧体永磁材料。

实施例子二

该实施例子公开了一种双转子永磁同步磁阻电机的配置方法，本公开结构保持圆周对称，d轴被定义为永磁转子铁氧体的中心线，q轴被定义磁阻转子凸极的中心线，如图4，两个转子在转轴12上的安装角度θ被定义为d轴和q轴之间的夹角。

本公开通过设计永磁转子1和磁阻转子8之间的安装角度θ来改变转矩分量的叠加机制，以使永磁转矩和磁阻转矩几乎在相同的电流相位角达到它们的最大值，提高总转矩，进一步提高电机性能。

d轴和q轴之间的夹角被定义为两个转子的安装角度，通过改变这个安装角度进而改变转矩叠加关系，从而使永磁转矩和磁阻转矩在相同电流相位角下达到最大值，如图2。

理论上两个转矩在相同电流相位角处达到最大值，但由于漏磁和局部饱和的影响，两个转矩达到最大值的电流相位角相差5°以内，转矩与电流相角度的关系如图6，转矩与安装角度的关系见图5。

图5为转矩随安装角度变化图，曲线1为总转矩，曲线2为磁阻转矩，曲线3为永磁转矩。由图可知，安装角度约在15°时，可使转矩利用最充分。

图6为确定安装角度以后，保持安装角度不变，转矩随电流相位角的变化图，曲线4为总转矩，曲线5为磁阻转矩，曲线6为永磁转矩。由图可知，永磁转矩和磁阻转矩几乎在相同电流相位角处达到最大值，使电机的电磁转矩获得显著提升。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (2)

1.一种双转子永磁同步磁阻电机，其特征是，包括由内向外依次是转轴、磁阻转子、定子、永磁转子，定子内外均匀开有定子槽，定子在永磁转子和磁阻转子中间；

所述定子包括定子铁心和定子绕组，定子铁心内外表面均有开槽，每个槽间距和槽宽相同，槽内放有定子绕组并缠绕在定子轭上；

所述永磁转子包括永磁转子铁心和永磁体，永磁体规格相同并沿圆周方向均匀分布，永磁体为径向充磁，向里或向外，相邻永磁体充磁方向相反；所述永磁体的外径和外转子的内径相同，贴合在一起，六个永磁体大小相同并等间距分布，形成表贴式永磁转子；所述永磁体采用低成本铁氧体；

所述磁阻转子仅由磁阻转子铁心构成，带有多个凸极结构，每个凸极结构相同并沿圆周方向均匀分布；所述永磁转子和磁阻转子共同安装在转轴上进行输出定转子铁心均采用硅钢片，沿转轴方向叠压而成；

所述磁阻转子和定子内壁之间有一层内气隙；永磁转子和定子外壁之间有一层外气隙；

d轴被定义为永磁转子铁氧体的中心线，q轴被定义磁阻转子凸极的中心线，两个转子在转轴上的安装角度被定义为d轴和q轴之间的夹角；

调整永磁转子和磁阻转子之间的安装角度来改变转矩分量的叠加机制，以使永磁转矩和磁阻转矩在相同的电流相位角达到它们的最大值；

安装角度在15°时，使转矩利用最充分。

2.如权利要求1所述的一种双转子永磁同步磁阻电机，其特征是，所述磁阻转子由磁阻转子铁心和U型隔磁桥构成，采用多极结构，每极结构相同并沿圆周方向均匀分布；

每极结构相同并在旋转方向上等间隔设置，隔磁桥沿着转轴方向延伸，每极采用四层隔磁桥结构，每层隔磁桥从转轴向磁阻转子边缘逐层设置，隔磁桥从转轴由里到外逐渐减小，最里面隔磁桥最大，包裹着外部隔磁桥。