CN112968546B - 转子组件和自起动永磁同步磁阻电机 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种转子组件和自起动永磁同步磁阻电机。该转子组件包括转子铁芯(1)，在转子铁芯(1)的横截面上，转子铁芯(1)上设置有狭缝槽(2)、q轴鼠笼槽(41)、独立鼠笼槽(42)、d轴鼠笼槽(43)和永磁体(3)，独立鼠笼槽(42)与d轴之间的最大距离m2小于q轴鼠笼槽(41)与d轴之间的最小距离m1，多个d轴鼠笼槽(43)沿着远离d轴的方向与q轴之间的距离递增。根据本申请的转子组件，能够增大鼠笼面积，减小转子组件的鼠笼电阻，改善电机起动同步能力。

Description

转子组件和自起动永磁同步磁阻电机

技术领域

本申请涉及电机技术领域，具体涉及一种转子组件和自起动永磁同步磁阻电机。

背景技术

自起动永磁同步磁阻电机结合了感应电机与同步永磁磁阻电机的结构特点，通过鼠笼感应产生力矩实现起动，通过转子d、q轴磁通差距及永磁体产生的转矩实现恒转速运行，能够直接通入电源实现起动运行。自起动永磁同步磁阻电机可以利用磁阻转矩提升电机输出转矩，与自起动永磁电机相比，永磁体用量减少，成本下降；与异步电机相比，自起动永磁同步磁阻电机效率高，而且转速恒定同步，转速不会随负载而变化。

传统的永磁电机及永磁同步磁阻电机需要驱动器进行起动和控制运行，成本高，控制复杂，而且驱动器占据一部分损耗，使整个电机***效率下降。

专利公开号为CN107994698A的中国发明专利提供一种自起动永磁同步磁阻电机，以降低永磁体成本，然而该专利中由于鼠笼面积较小，因此导致鼠笼电阻大，电机在起动接近同步速度时的异步转矩很小，导致电机无法牵入同步速度。

发明内容

因此，本申请要解决的技术问题在于提供一种转子组件和自起动永磁同步磁阻电机，能够增大鼠笼面积，减小转子组件的鼠笼电阻，改善电机起动同步能力。

为了解决上述问题，本申请提供一种转子组件，包括转子铁芯，在转子铁芯的横截面上，转子铁芯上设置有狭缝槽、q轴鼠笼槽、独立鼠笼槽、d轴鼠笼槽和永磁体，q轴鼠笼槽位于狭缝槽的两端，独立鼠笼槽沿d轴方向与狭缝槽错位设置，d轴鼠笼槽为多个，并且位于狭缝槽靠近转子外圆的一侧，d轴鼠笼槽相对于q轴鼠笼槽和独立鼠笼槽靠近d轴设置，永磁体安装在狭缝槽内，独立鼠笼槽与d轴之间的最大距离m2小于q轴鼠笼槽与d轴之间的最小距离m1，多个d轴鼠笼槽沿着远离d轴的方向与q轴之间的距离递增。

优选地，q轴鼠笼槽与d轴之间的最小距离m1满足0.35*r≤m1≤0.8*r，其中r为转子铁芯的半径；和/或，与d轴相邻的d轴鼠笼槽与q轴之间的距离为T1，T1≤0.8r。

优选地，q轴鼠笼槽、独立鼠笼槽和d轴鼠笼槽共同形成转子组件的鼠笼槽，鼠笼槽相对于d轴或q轴对称分布。

优选地，q轴鼠笼槽的延伸方向平行于q轴；和/或，d轴鼠笼槽沿转子铁芯的径向延伸。

优选地，q轴鼠笼槽的宽度D1大于独立鼠笼槽的宽度D2。

优选地，永磁体在转子铁芯的径向方向上设置至少两层；和/或，狭缝槽和永磁体相对于d轴或q轴对称分布。

优选地，沿d轴方向位于径向外侧的永磁体的厚度大于位于径向内侧的永磁体的厚度；和/或，沿d轴方向位于径向外侧的永磁体沿q轴方向的长度大于位于径向内侧的永磁体沿q轴方向的长度。

优选地，相对于d轴对称的两个独立鼠笼槽之间的间距大于与该独立鼠笼槽相邻且位于该独立鼠笼槽径向内侧的永磁体沿q轴方向的长度。

优选地，q轴鼠笼槽和独立鼠笼槽的长度大于其自身宽度的四倍以上。

优选地，q轴鼠笼槽与狭缝槽之间的磁桥宽度以及q轴鼠笼槽与转子外圆之间的磁桥宽度为L3，d轴鼠笼槽与转子外圆之间的磁桥宽度为L4，L4＞L3。

优选地，q轴鼠笼槽、独立鼠笼槽和d轴鼠笼槽中填充有导电不导磁材料；和/或，转子铁芯的两端设置有端环，q轴鼠笼槽、d轴鼠笼槽和独立鼠笼槽通过端环进行短路连接，形成鼠笼结构。

优选地，永磁体两端端部位置的狭缝槽的至少一个侧边上设置有对永磁体进行限位的限位凸起；和/或，转子铁芯的两端设置有不导磁挡板，不导磁挡板能够遮挡永磁体；和/或，永磁体两端的狭缝槽内填充有注塑材料。

优选地，q轴鼠笼槽、独立鼠笼槽和d轴鼠笼槽的总面积为S1，q轴鼠笼槽、独立鼠笼槽、d轴鼠笼槽和狭缝槽的总面积为S，0.4*S≤S1。

根据本申请的另一方面，提供了一种自起动永磁同步磁阻电机，包括定子和转子组件，该转子组件为上述的转子组件。

优选地，q轴鼠笼槽与狭缝槽之间的磁桥宽度以及q轴鼠笼槽与转子外圆之间的磁桥宽度为L3，其中0.5σ≤L3≤1.5σ，σ为定子和转子铁芯之间的气隙的径向宽度。

本申请提供的转子组件，包括转子铁芯，在转子铁芯的横截面上，转子铁芯上设置有狭缝槽、q轴鼠笼槽、独立鼠笼槽、d轴鼠笼槽和永磁体，q轴鼠笼槽位于狭缝槽的两端，独立鼠笼槽沿q轴方向延伸，且沿d轴方向与狭缝槽错位设置，d轴鼠笼槽为多个，并且位于狭缝槽靠近转子外圆的一侧，d轴鼠笼槽相对于q轴鼠笼槽和独立鼠笼槽靠近d轴设置，永磁体安装在狭缝槽内，独立鼠笼槽与d轴之间的最大距离m2小于q轴鼠笼槽与d轴之间的最小距离m1，多个d轴鼠笼槽沿着远离d轴的方向与q轴之间的距离递增。该转子组件通过对q轴鼠笼槽与独立鼠笼槽在q轴方向上的位置关系进行限定，能够加大独立鼠笼槽的长度，从而加大鼠笼面积，减小转子组件的鼠笼电阻，改善电机起动同步能力，通过对沿着远离d轴方向的d轴鼠笼槽与q轴之间的间距变化进行限定，能够避免鼠笼槽对永磁体的磁通流动造成阻碍，从而提高电机输出转矩。

附图说明

图1为本申请一个实施例的转子组件的结构示意图；

图2为本申请一个实施例的转子组件的局部放大结构示意图；

图3为本申请一个实施例的转子组件的轴向视图；

图4为本申请实施例的电机与相关技术中的电机的启动过程转速曲线对比图。

附图标记表示为：

1、转子铁芯；2、狭缝槽；3、永磁体；4、鼠笼槽；41、q轴鼠笼槽；42、独立鼠笼槽；43、d轴鼠笼槽；5、轴孔；6、磁桥；7、限位凸起；8、端环；9、注塑材料。

具体实施方式

结合参见图1至图4所示，根据本申请的实施例，转子组件包括转子铁芯1，在转子铁芯1的横截面上，转子铁芯1上设置有轴孔5、狭缝槽2、q轴鼠笼槽41、独立鼠笼槽42、d轴鼠笼槽43和永磁体3，q轴鼠笼槽41位于狭缝槽2的两端，独立鼠笼槽42沿d轴方向与狭缝槽2错位设置，d轴鼠笼槽43为多个，并且位于狭缝槽2靠近转子外圆的一侧，d轴鼠笼槽43相对于q轴鼠笼槽41和独立鼠笼槽42靠近d轴设置，永磁体3安装在狭缝槽2内，独立鼠笼槽42与d轴之间的最大距离m2小于q轴鼠笼槽41与d轴之间的最小距离m1，也即m2＜m1，多个d轴鼠笼槽43沿着远离d轴的方向与q轴之间的距离递增。在一个实施例中，d轴鼠笼槽43为八个，且四个为一组分别设置在d轴的两侧，每一侧四个d轴鼠笼槽，且d轴两侧的d轴鼠笼槽关于d轴对称，其中沿着远离d轴的方向，各个d轴鼠笼槽与q轴之间的最小间距依次为T1、T2、T3和T4，T1＜T2＜T3＜T4。

上述的永磁体3例如为稀土永磁体。

在本实施例中，独立鼠笼槽42由于相对于q轴鼠笼槽41更加靠近d轴，因此独立鼠笼槽42会有一部分位于狭缝槽2之间的区域，而狭缝槽2一般为沿径向向外凸出的弧形槽或者折线形槽，因此，为了保证导磁通道的均匀性，独立鼠笼槽42包括连接的直线段和延伸段，其中直线段设置在远离d轴的一侧，延伸段设置在靠近d轴的一侧，直线段沿直线方向延伸，延伸段的形状与其径向内侧的狭缝槽2的形状相匹配。当独立鼠笼槽42位于相邻的狭缝槽2之间时，独立鼠笼槽42应该位于相邻的狭缝槽2的中间位置，使得独立鼠笼槽42两侧的导磁通道的宽度能够大致相等，从而可以保证导磁能力的一致性，提高导磁效率。

该转子组件通过对q轴鼠笼槽41与独立鼠笼槽42在q轴方向上的位置关系进行限定，能够使得独立鼠笼槽42延伸至q轴鼠笼槽41靠近d轴的一侧，加大独立鼠笼槽42的长度，从而加大鼠笼面积，减小转子组件的鼠笼电阻，改善电机起动同步能力，通过对沿着远离d轴方向的d轴鼠笼槽43与q轴之间的间距变化进行限定，能够利用鼠笼磁场保护永磁体3，改善永磁体3的抗退磁能力。

q轴鼠笼槽41与d轴之间的最小距离m1满足0.35*r≤m1≤0.8*r，其中r为转子铁芯1的半径。

与d轴相邻的d轴鼠笼槽43与q轴之间的距离为T1，T1≤0.8r。

q轴鼠笼槽41与d轴之间的最小距离m1以及与d轴相邻的d轴鼠笼槽43与q轴之间的距离T1均通过转子铁芯1的半径r进行限定，能够通过转子铁芯1的半径来限定q轴鼠笼槽41和d轴鼠笼槽43的结构尺寸，进而对整个鼠笼槽的结构进行限定，优化鼠笼槽结构和永磁体3的分布，增大电机磁阻转矩及永磁转矩，提升电机效率。

q轴鼠笼槽41、独立鼠笼槽42和d轴鼠笼槽43共同形成转子组件的鼠笼槽4，鼠笼槽4相对于d轴或q轴对称分布。此处的鼠笼槽4相对于d轴或q轴对称分布具体是指，所有的q轴鼠笼槽41相对于d轴或q轴对称分布，所有的独立鼠笼槽42相对于d轴或q轴对称分布，所有的d轴鼠笼槽43相对于d轴或q轴对称分布，从而能够对整体鼠笼槽4在转子铁芯1上的分布结构进行优化，进一步提高电机起动能力。

q轴鼠笼槽41的延伸方向平行于q轴，能够减小q轴鼠笼槽41对q轴磁通的影响，增大q轴磁通，提升磁阻转矩。

d轴鼠笼槽43沿转子铁芯1的径向延伸，能够使得永磁体3的磁通顺利通过相邻d轴鼠笼槽43之间的导磁通道进入定子，提升永磁转矩，提升电机性能。

在一个实施例中，q轴鼠笼槽41的宽度D1大于独立鼠笼槽42的宽度D2，也即D1＞D2，能够保证q轴鼠笼槽41在一定宽度范围内，从而避免导磁通道严重饱和，使得q轴磁通能够得到增加。

永磁体3在转子铁芯1的径向方向上设置至少两层，狭缝槽2和永磁体3相对于d轴或q轴对称分布，能够保证一定凸极差，增加电机磁阻转矩，提升电机输出能力及效率。从而能够增加电机d、q轴磁通之差，增加磁阻转矩。

沿d轴方向位于径向外侧的永磁体3的厚度大于位于径向内侧的永磁体3的厚度。在一个实施例中，永磁体3沿d轴方向布置两层，其中外层永磁体3沿d轴方向的厚度为L2，内层永磁体3沿d轴方向的厚度为L1，L2＞L1，从而能够有效改善外层永磁体的退磁。

沿d轴方向位于径向外侧的永磁体3沿q轴方向的长度大于位于径向内侧的永磁体3沿q轴方向的长度。在一个实施例中，永磁体3沿d轴方向布置两层，其中外层永磁体3沿q轴方向的长度为K2，内层永磁体3沿q轴方向的长度为K1，K2＞K1，从而能够保证内层永磁体3得到更加合理的利用。

在一个实施例中，相对于d轴对称的两个独立鼠笼槽42之间具有第一间距，与该独立鼠笼槽42相邻且位于该独立鼠笼槽42径向内侧的永磁体3沿q轴方向具有第一长度，第一间距大于第一长度。在一个实施例中，永磁体3沿d轴方向布置两层，其中外层永磁体3沿q轴方向的长度为K2，内层永磁体3沿q轴方向的长度为K1，位于内层永磁体3外侧且与内层永磁体3相邻的两个独立鼠笼槽42沿q轴方向之间的间距为K3，位于外层永磁体3外侧且与外层永磁体3相邻的两个独立鼠笼槽42沿q轴方向之间的间距为K4，其中K3＞K1，K4＞K2，从而能够保证鼠笼槽不会严重阻碍永磁体磁通流动。

q轴鼠笼槽41和独立鼠笼槽42的长度大于其自身宽度的四倍以上。在一个实施例中，q轴鼠笼槽41沿q轴方向的长度为m11，q轴鼠笼槽41沿d轴方向的宽度为D1，独立鼠笼槽42沿q轴方向的长度为m21，d轴鼠笼槽43沿d轴方向的宽度为D2，其中m11＞4D1，m21＞4D2，从而能够通过鼠笼槽的延伸来增加鼠笼槽面积，进而减小鼠笼电阻，提高电机起动能力。

q轴鼠笼槽41与狭缝槽2之间的磁桥6宽度以及q轴鼠笼槽41与转子外圆之间的磁桥6宽度为L3，d轴鼠笼槽43与转子外圆之间的磁桥6宽度为L4，L4＞L3，能够使得不同位置的磁桥6具有合适的宽度，在保证机械强度的同时，尽量减小漏磁。

q轴鼠笼槽41、独立鼠笼槽42和d轴鼠笼槽43中填充有导电不导磁材料。导电不导磁材料例如为铝或者铝合金。

转子铁芯1的两端设置有端环8，q轴鼠笼槽41、d轴鼠笼槽43和独立鼠笼槽42共同组成沿转子铁芯1的周向排布的鼠笼槽4，各个鼠笼槽4通过端环8进行短路连接，形成鼠笼结构。端环8的材料与鼠笼槽4内的填充材料相同。自行短路的鼠笼结构在电机起动阶段提供异步转矩，以实现电机的自起动。狭缝槽2、鼠笼槽4和永磁体3组成的转子多层永磁磁障结构为电机提供永磁转矩和磁阻转矩，以实现电机的同步运行。

在一个实施例中，永磁体3两端端部位置的狭缝槽2的至少一个侧边上设置有对永磁体3进行限位的限位凸起7，限位凸起7朝向对侧的侧边凸出，能够从永磁体3的两端对永磁体3进行限位，防止永磁体3滑动，提高永磁体3安装位置的稳定性和可靠性。

永磁体3两端的狭缝槽2内填充有注塑材料9，能够利用注塑材料9使得永磁体3与转子铁芯1之间注塑为一体，从而对永磁体3形成更加良好的固定。

在图中未示出的一个实施例中，转子铁芯1的两端设置有不导磁挡板，不导磁挡板能够遮挡永磁体3，但是不遮挡所有的狭缝槽2。不导磁挡板能够对永磁体3沿转子铁芯1的轴向方向的两端形成固定，而狭缝槽2的未被遮挡的部分能够在转子铁芯1的轴向方向形成通孔，有助于空气或冷媒流动，改善转子散热，提升电机效率。

转子铁芯1上还设有铆钉孔，转子组件通过铆钉将转子铁芯1两端的不导磁挡板沿轴向压紧，从而组成转子组件。不导磁挡板能够对永磁体3起到轴向固定作用，防止永磁体3掉出。

在一个实施例中，q轴鼠笼槽41、独立鼠笼槽42和d轴鼠笼槽43的总面积为S1，q轴鼠笼槽41、独立鼠笼槽42、d轴鼠笼槽43和狭缝槽2的总面积为S，0.4*S≤S1，优选地，0.4*S≤S1≤0.8*S，能够有效增加鼠笼槽面积，改善电机同步能力。结合参见图4所示，为本申请实施例的电机与相关技术中的电机的起动过程转速曲线对比图，从图中可以看出，在相同负载及惯量下，相关技术的电机在接近同步速度时牵入转矩不足，转速无法牵入同步速度，而本申请实施例的电机则能够顺利牵入同步速度。

在进行转子组件的组装时，通过将转子冲片堆叠形成转子铁芯1，通过铸造方式往鼠笼槽4里铸造导电不导磁材料，该材料例如为铝或铝合金，同时转子铁芯1铸造形成端环8，将所有鼠笼槽短接，形成鼠笼结构；之后往狭缝槽2中***永磁体3，狭缝槽2的槽边至少一边设置有限位凸起7，能够防止永磁体3滑动偏移；最后往狭缝槽2中注入注塑材料9，并使注塑材料9凝固，或者在转子铁芯1的两端安装不导磁盖板进行轴向压紧，形成转子组件。

根据本申请的实施例，自起动永磁同步磁阻电机包括定子和转子组件，该转子组件为上述的转子组件。

q轴鼠笼槽41与狭缝槽2之间的磁桥6宽度以及q轴鼠笼槽41与转子外圆之间的磁桥6宽度为L3，其中0.5σ≤L3≤1.5σ，σ为定子和转子铁芯1之间的气隙的径向宽度，能够对磁桥宽度与气隙宽度之间的关系进行限定，既能够避免磁桥的宽度过小，从而提高转子组件的机械强度，又能够避免磁桥的宽度过大，从而减小漏磁。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。

以上仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。以上仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本申请的保护范围。

Claims (15)

1.一种转子组件，其特征在于，包括转子铁芯(1)，在所述转子铁芯(1)的横截面上，所述转子铁芯(1)上设置有狭缝槽(2)、q轴鼠笼槽(41)、独立鼠笼槽(42)、d轴鼠笼槽(43)和永磁体(3)，所述q轴鼠笼槽(41)位于所述狭缝槽(2)的两端，所述独立鼠笼槽(42)沿d轴方向与所述狭缝槽(2)错位设置，所述d轴鼠笼槽(43)为多个，并且位于所述狭缝槽(2)靠近转子外圆的一侧，所述d轴鼠笼槽(43)相对于所述q轴鼠笼槽(41)和所述独立鼠笼槽(42)靠近d轴设置，所述永磁体(3)安装在所述狭缝槽(2)内，所述独立鼠笼槽(42)与d轴之间的最大距离m2小于所述q轴鼠笼槽(41)与d轴之间的最小距离m1，所述独立鼠笼槽(42)有一部分位于所述狭缝槽(2)之间的区域，多个所述d轴鼠笼槽(43)沿着远离d轴的方向与q轴之间的距离递增。

2.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，所述q轴鼠笼槽(41)与d轴之间的最小距离m1满足0.35*r≤m1≤0.8*r，其中r为所述转子铁芯(1)的半径；和/或，与d轴相邻的所述d轴鼠笼槽(43)与q轴之间的距离为T1，T1≤0.8r。

3.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，所述q轴鼠笼槽(41)、所述独立鼠笼槽(42)和所述d轴鼠笼槽(43)共同形成所述转子组件的鼠笼槽(4)，所述鼠笼槽(4)相对于d轴或q轴对称分布。

4.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，所述q轴鼠笼槽(41)的延伸方向平行于q轴；和/或，所述d轴鼠笼槽(43)沿所述转子铁芯(1)的径向延伸。

5.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，所述q轴鼠笼槽(41)的宽度D1大于所述独立鼠笼槽(42)的宽度D2。

6.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，所述永磁体(3)在所述转子铁芯(1)的径向方向上设置至少两层；和/或，所述狭缝槽(2)和所述永磁体(3)相对于d轴或q轴对称分布。

7.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，沿d轴方向位于径向外侧的所述永磁体(3)的厚度大于位于径向内侧的所述永磁体(3)的厚度；和/或，沿d轴方向位于径向外侧的所述永磁体(3)沿q轴方向的长度大于位于径向内侧的所述永磁体(3)沿q轴方向的长度。

8.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，相对于d轴对称的两个所述独立鼠笼槽(42)之间的间距大于与该独立鼠笼槽(42)相邻且位于该独立鼠笼槽(42)径向内侧的所述永磁体(3)沿q轴方向的长度。

9.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，所述q轴鼠笼槽(41)和所述独立鼠笼槽(42)的长度大于其自身宽度的四倍以上。

10.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，所述q轴鼠笼槽(41)与所述狭缝槽(2)之间的磁桥(6)宽度以及所述q轴鼠笼槽(41)与所述转子外圆之间的磁桥(6)宽度为L3，所述d轴鼠笼槽(43)与所述转子外圆之间的磁桥(6)宽度为L4，L4＞L3。

11.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，所述q轴鼠笼槽(41)、所述独立鼠笼槽(42)和所述d轴鼠笼槽(43)中填充有导电不导磁材料；和/或，所述转子铁芯(1)的两端设置有端环(8)，所述q轴鼠笼槽(41)、所述d轴鼠笼槽(43)和所述独立鼠笼槽(42)通过所述端环(8)进行短路连接，形成鼠笼结构。

12.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，所述永磁体(3)两端端部位置的所述狭缝槽(2)的至少一个侧边上设置有对所述永磁体(3)进行限位的限位凸起(7)；和/或，所述转子铁芯(1)的两端设置有不导磁挡板，所述不导磁挡板能够遮挡所述永磁体(3)；和/或，所述永磁体(3)两端的所述狭缝槽(2)内填充有注塑材料(9)。

13.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，所述q轴鼠笼槽(41)、所述独立鼠笼槽(42)和所述d轴鼠笼槽(43)的总面积为S1，所述q轴鼠笼槽(41)、所述独立鼠笼槽(42)、所述d轴鼠笼槽(43)和所述狭缝槽(2)的总面积为S，0.4*S≤S1。

14.一种自起动永磁同步磁阻电机，包括定子和转子组件，其特征在于，所述转子组件为权利要求1至13中任一项所述的转子组件。

15.根据权利要求14所述的自起动永磁同步磁阻电机，其特征在于，所述q轴鼠笼槽(41)与所述狭缝槽(2)之间的磁桥(6)宽度以及所述q轴鼠笼槽(41)与所述转子外圆之间的磁桥(6)宽度为L3，其中0.5σ≤L3≤1.5σ，σ为所述定子和所述转子铁芯(1)之间的气隙的径向宽度。

Images