CN111404340A - 一种轴向复合式永磁辅助同步磁阻电机转子 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轴向复合式永磁辅助同步磁阻电机转子,包括转轴以及沿轴向固设在转轴上多个磁阻转子以及设置在相邻磁阻转子之间的永磁转子;所述的磁阻转子包括磁阻转子铁心以及沿磁阻转子铁心周向均匀设置的若干个磁障结构;所述的永磁转子包括永磁转子铁心以及均匀设置在永磁转子铁心上的若干个永磁体。利用本发明,可以有效解决径向复合式永磁辅助同步磁阻电机存在的永磁转矩利用不充分,机械强度低,加工成本高的问题,提高了永磁辅助同步磁阻电机的可靠性,也拓宽了永磁辅助同步磁阻电机的应用场合。
Description
技术领域
本发明属于电机技术领域,尤其是涉及一种轴向复合式永磁辅助同步磁阻电机转子。
背景技术
电机是工业***中的重要组成部分,性能优异的电机对于工业***而言至关重要。同步磁阻电机通过转子上设置多层磁障提升电机凸机率,从而产生磁阻转矩,具有低成本,高功率密度的优势。但是同步磁阻电机存在功率因数低的问题,这将导致电机***对驱动变频器的容量要求大大增加,稀释了成本上的优势,也大大限制该类型电机的应用场合。
传统的径向复合永磁辅助同步磁阻电机沿用了同步磁阻电机的结构特点,同时在电机的转子磁障中加入永磁体,既保持了同步磁阻电机的优势,又解决了同步磁阻电机功率因数低的问题。这种结构中,转子内的永磁体是沿着径向一层一层地叠加放置的,同时因此可以称为径向复合式永磁辅助同步磁阻电机。
如公开号为CN104901452A的中国专利文献公开了一种可用于高速场合的永磁辅助同步磁阻电机转子,该永磁辅助同步磁阻电机转子包括转子铁心、分布在转子铁心上的磁障、以及设在磁障内的磁钢;其中转子铁心每极下分布四层船型磁障,每层磁障由位于中部且垂直于d轴向的直线部和位于两端且与d轴呈α角向的斜向直线部连接闭合而成。
但是,传统的径向复合式永磁辅助同步磁阻电机也存在一些问题:1、因为径向空间上的复合,永磁体和转子磁障的空间位置固定,磁阻转子在定子电流作用下产生的转矩(即磁阻转矩)与永磁转子在定子电流作用下产生的转矩(即永磁转矩)不能同时趋于最大化,当某个转矩最大化时另一个转矩已经变小,因此无法使电机总转矩(即磁阻转矩与永磁转矩之和)最大化。2、磁阻电机转子上存在尺寸较小的磁桥部位,磁桥越细,磁阻转矩越大,但转子机械强度越低。而在磁障中加入永磁体,使磁桥上承受的离心力进一步加大,这在一定程度上限制了磁桥的尺寸,降低了电机的输出转矩。3、为了提高电机的磁阻转矩,同步磁阻电机转子上一般设有多层磁障,而传统的径向复合式永磁辅助同步磁阻电机就要求永磁体也分为多层,即在每层磁障中加入永磁体。因此永磁体数量多,用量大,大大增加了永磁体的材料成本以及转子的工艺成本及生产成本。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题,本发明提供了一种轴向复合式永磁辅助同步磁阻电机转子,可以有效解决径向复合式永磁辅助同步磁阻电机存在的永磁转矩利用不充分,机械强度低,加工成本高的问题,提高了电机的可靠性,也拓宽了永磁辅助同步磁阻电机的应用场合。
本发明的技术方案如下:
一种轴向复合式永磁辅助同步磁阻电机转子,包括转轴以及沿轴向固设在转轴上多个磁阻转子以及设置在相邻磁阻转子之间的永磁转子;
所述的磁阻转子包括磁阻转子铁心以及沿磁阻转子铁心周向均匀设置的若干个磁障结构;所述的永磁转子包括永磁转子铁心以及均匀设置在永磁转子铁心上的若干个永磁体。
传统的径向复合式永磁辅助同步磁阻电机需要在磁阻转子上加入永磁体,这需要在磁阻转子的磁障上另外加入永磁体槽和固定台阶;同时,磁阻转子上存在尺寸精细部位,例如轴向磁桥,径向磁桥等,物理尺寸越小,电机的功率密度越高,但是电机转子的机械强度越低。而在转子磁障内加入永磁体,恶化了这些尺寸精密部位的应力状况。
本发明通过轴向复合式的结构,将永磁转子和磁阻转子进行解耦。移除了磁阻转子磁障中的永磁体,将这些永磁体单独的作为一个永磁转子进行设计。这样使得两部分转子的设计工作可以独立并行的进行。
为了防止因为三维效应而互相影响,导致性能恶化,不同永磁转子和磁阻转子之间要隔开。本发明中,相邻的磁阻转子和永磁转子之间采用隔磁挡板或空气隔开,隔开距离是电机定转子之间的气隙大小的5-10倍。
所述磁阻转子铁心和转轴之间、永磁转子铁心和转轴之间均采用过盈配合,可通过键槽和轴键实现定位。
所述的磁障结构采用多层空气磁障,每层空气磁障与磁阻转子的外圆之间设有磁桥。
优选地,每个磁障结构的多层空气磁障由尺寸参数不同的多个非同心圆弧组成。
本发明中,磁阻转子移除了原径向复合式永磁辅助同步磁阻电机上的永磁体槽和固定台阶。移除了永磁体后,转子上周向磁桥和径向磁桥等尺寸精密部位所承受的应力大大减小,可以通过继续减小尺寸,在保证机械强度的同时获得更高磁阻转矩。
优选地,每个磁障结构中不同层的空气磁障沿着径向(即q轴方向)依次排布,不同磁障结构的空气磁障之间具有相同的排列和形状。
进一步地,每个磁障结构由3~5层空气磁障组成。
本发明中,永磁转子可视实际性能要求采用两种不同的转子结构,永磁体可以采取表贴式结构或内置式结构。
当电机常用转速偏低时,永磁转子采用表贴式永磁转子设计。永磁体设计为瓦片状,通过胶水粘在转子铁心上。当电机转速偏高时,可采用内置式永磁转子设计,内置永磁体可以设置为V字形和直线型。
相邻磁阻转子的d轴重合,且与永磁转子的d轴偏离固定角度。
本发明通过轴键定位确定转轴和不同转子之间的相对位置。通过轴键将永磁转子d轴偏离磁阻转子d轴固定角度,从而磁阻转子的磁极与永磁转子的磁极在周向错开一定的角度。两类转子保持合适的周向相对位置,使得在相同定子电流作用下,各种转子产生的转矩都趋于最大化,提高了电机的出力;各类转子产生的转矩脉动分量相互抵消,减小电机输出转矩的脉动分量;永磁转子和磁阻转子在定子绕组中形成的感应电势以及定子绕组自身的阻抗压降相互合成后,总的电压的相位角趋近于电流的相位角,进而提高了电机的功率因数。
本发明的转子在制造过程中,磁阻转子铁心和永磁转子铁心分可分别由对应的转子叠片叠压后由螺栓固定。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
1、本发明中,磁阻转子移除了原径向复合式永磁辅助同步磁阻电机上的永磁体槽和固定台阶;移除了永磁体后,转子上周向磁桥和径向磁桥等尺寸精密部位所承受的应力大大减小,可以通过继续减小尺寸,在保证机械强度的同时获得更高磁阻转矩。
2、传统径向复合式永磁辅助同步磁阻电机需要加装转子端压板,转子端压板的作用是防止永磁体沿轴向发生位移,起到加固转子结构的作用;而本发明中,通过将永磁转子组装在两段磁阻转子中间,取代了原转子端压板的作用,降低了转子制造的工艺复杂度。
3、传统径向复合式永磁辅助同步磁阻电机永磁体用量一般偏少,加上磁障多分层,导致每一层永磁体尺寸偏小,增加了镶嵌永磁体的难度;而本发明通过独立永磁转子的设计,在相同成本下,永磁体的尺寸,形状可以独立优化,大大降低了永磁体镶嵌的难度,节省了转子制造的人工成本。
附图说明
图1为传统的径向复合式永磁辅助同步磁阻电机转子结构示意图;
图2为本发明实施例中轴向复合式永磁辅助同步磁阻电机转子的整体结构示意图;
图3为本发明实施例中轴向复合式永磁辅助同步磁阻电机转子的磁阻转子结构示意图;
图4为本发明实施例中轴向复合式永磁辅助同步磁阻电机转子的永磁转子结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述,需要指出的是,以下所述实施例旨在便于对本发明的理解,而对其不起任何限定作用。
如图1所示,为现有的径向复合式永磁辅助同步磁阻电机转子结构,由转子铁心1、转轴2、永磁体槽3、空气磁障4、磁桥8组成。
如图2~4所示,为本发明实施例中轴向复合式永磁辅助同步磁阻电机转子的结构,包括转轴2以及沿轴向固设在转轴2上多个磁阻转子5以及设置在相邻磁阻转子5之间的永磁转子6。转轴2上设有键槽9,通过键槽9实现转轴2分别与磁阻转子5、永磁转子6的定位。
本实施例中,磁阻转子5的数量为两个,永磁转子6的数量为一个,永磁转子6和磁阻转子5可以具有相同或不相同的轴向长度。相邻的磁阻转子5和永磁转子6之间采用隔磁挡板7隔开,隔开距离是电机定转子之间的气隙大小的5-10倍。
如图3所示,磁阻转子5包括磁阻转子铁心51以及沿磁阻转子铁心51周向均匀设置的若干个磁障结构;磁阻转子铁心51与转轴2之间采用过盈配合,通过键槽9实现定位。
本实施例中采用四个磁障结构,磁障结构采用四层空气磁障52,由尺寸参数不同的四个非同心圆弧组成,每层空气磁障52与磁阻转子5的外圆之间设有磁桥8,通过磁桥8保持转子各部分连接。相同极下,每层空气磁障52形状不同;不同极下,对应的磁障层形状和排列方式相同。
永磁转子6的结构如图4所示,包括永磁转子铁心61以及均匀设置在永磁转子铁心61上的若干个永磁体62,本实施例中,永磁体62的数量与磁障结构的数量相同,都为四个。永磁转子铁心61与转轴2之间采用过盈配合,通过键槽9实现定位。永磁体62通过胶水紧贴于永磁转子铁心61表面。
本发明的原理为:
参见图1,现有的径向复合永磁辅助同步磁阻电机中,磁阻电机转子沿q轴设置多层空气磁障4,在保持d轴电感不变的前提下,尽可能的减小q轴电感,通过d、q轴的电感差异产生较大的磁阻转矩,供电机运行。径向复合永磁辅助同步磁阻电机加入永磁体于永磁体槽3内,通过永磁体产生反电势,在提供一定永磁转矩的同时,提升电机的功率因数。
而本发明中,将原置于径向复合式永磁辅助同步磁阻电机空气磁障中永磁体槽3内的永磁体移出,保证体积相同前提下,设计永磁转子6,使永磁体提供相同的反电势,保证电机的功率因数。通过改变永磁转子6和磁阻转子5之间的相对位置,从而旋转永磁转子6的d轴,逐渐缩小永磁转矩和磁阻转矩的夹角,使永磁转矩和磁阻转矩重合,充分利用永磁转矩,提升了永磁辅助同步磁阻电机的功率密度。
在设计过程中,永磁转子6和磁阻转子5可以独立解耦的进行设计;磁阻转子5移除了永磁体槽3,具有更高的设计自由度,同时,机械强度薄弱部位的磁桥8可以采用更小的尺寸,在提升电机整体功率密度的同时,更容易减小电机的谐波含量和转矩脉动。
在具体生产过程中,首先,永磁转子6和磁阻转子5独立进行叠压。转子叠片过程移除了繁琐的镶嵌磁钢步骤,通过螺栓定位,各取固定冲片叠压至指定长度。然后,在永磁转子铁心61叠压完成后,通过胶水将永磁体62紧紧贴在永磁转子铁心61外表面。然后,在转轴2上套上一段叠好的磁阻转子5,加入定位螺栓。依靠轴键和螺栓定位,加入隔磁挡板7和永磁转子6。最后,再加入另一块隔磁挡板7和叠好的另一端磁阻转子5,在螺栓的另一端拧上螺帽,确保各段转子之间没有明显空隙。
作为一个实施案例,对于一台每分钟三千转、四千瓦的永磁辅助同步磁阻电机,采用本发明的径向复合结构后,保证电机体积与功率因数不变的前提下,总功率密度提升7%,同时,大大降低了电机的工艺难度和制作时间。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明,应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例,并不用于限制本发明,凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种轴向复合式永磁辅助同步磁阻电机转子,其特征在于,包括转轴以及沿轴向固设在转轴上多个磁阻转子以及设置在相邻磁阻转子之间的永磁转子;
所述的磁阻转子包括磁阻转子铁心以及沿磁阻转子铁心周向均匀设置的若干个磁障结构;所述的永磁转子包括永磁转子铁心以及均匀设置在永磁转子铁心上的若干个永磁体。
2.根据权利要求1所述的轴向复合式永磁辅助同步磁阻电机转子,其特征在于,相邻的磁阻转子和永磁转子之间采用隔磁挡板或空气隔开,隔开距离是电机定转子之间的气隙大小的5-10倍。
3.根据权利要求1所述的轴向复合式永磁辅助同步磁阻电机转子,其特征在于,所述磁阻转子铁心和转轴之间、永磁转子铁心和转轴之间均采用过盈配合。
4.根据权利要求1所述的轴向复合式永磁辅助同步磁阻电机转子,其特征在于,所述的磁障结构采用多层空气磁障,每层空气磁障与磁阻转子的外圆之间设有磁桥。
5.根据权利要求4所述的轴向复合式永磁辅助同步磁阻电机转子,其特征在于,每个磁障结构中不同层的空气磁障沿着q轴方向依次排布,不同磁障结构的空气磁障之间具有相同的排列和形状。
6.根据权利要求4所述的轴向复合式永磁辅助同步磁阻电机转子,其特征在于,每个磁障结构由3~5层空气磁障组成。
7.根据权利要求1所述的轴向复合式永磁辅助同步磁阻电机转子,其特征在于,所述的永磁转子中,永磁体采取表贴式结构或内置式结构。
8.根据权利要求1所述的轴向复合式永磁辅助同步磁阻电机转子,其特征在于,相邻磁阻转子的d轴重合,且与永磁转子的d轴偏离固定角度。
9.根据权利要求1所述的轴向复合式永磁辅助同步磁阻电机转子,其特征在于,磁阻转子铁心和永磁转子铁心分别由对应的转子叠片叠压后固定。
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