CN112968554A - 转子组件和自起动永磁同步磁阻电机 - Google Patents

转子组件和自起动永磁同步磁阻电机 Download PDF

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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)的横截面上设置有轴孔(4)、安装槽和鼠笼槽(2)，鼠笼槽(2)位于安装槽的两端，安装槽内设置有永磁体(3)，鼠笼槽(2)仅设置在d轴和q轴之间靠近q轴的一侧。根据本申请的转子组件，能够提升自起动永磁同步磁阻电机的抗退磁能力，增强电机运行的可靠性。

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
自起动永磁辅助同步磁阻电机在永磁辅助同步磁阻电机的基础上，结合了异步电机的优点，通过转子导条产生的异步转矩实现自起动，通过永磁转矩和磁阻转矩实现恒速运行。与异步电机相比，电机可恒速运行且转子损耗低，效率高；与异步起动永磁同步电机相比，永磁体用量少，电机成本低。
但自起动永磁辅助同步磁阻电机的转子中内置永磁体，电枢绕组退磁磁场和鼠笼异步电机效应磁场的共同作用，可能导致永磁体的不可逆退磁。
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，能够提升自起动永磁同步磁阻电机的抗退磁能力，增强电机运行的可靠性。
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设置有轴孔、安装槽和鼠笼槽，鼠笼槽位于安装槽的两端，安装槽内设置有永磁体，鼠笼槽仅设置在d轴和q轴之间靠近q轴的一侧。
优选地，鼠笼槽沿与q轴相平行的方向向外延伸至转子铁芯的转子外圆。
优选地，安装槽内填满永磁体，鼠笼槽与永磁体之间通过第一磁桥间隔开。
优选地，永磁体关于d轴对称布置，沿着d轴方向，永磁体布置至少两层。
优选地，鼠笼槽沿q轴方向延伸的最大长度为第一长度，第一长度沿着d轴到q轴的方向递增；和/或，每个极下，鼠笼槽的总面积为鼠笼槽和安装槽的总面积的30％～70％；和/或，永磁体为铁氧体。
优选地，鼠笼槽的面积沿着d轴到q轴的方向递增，且相邻的两个鼠笼槽，靠近q轴的鼠笼槽面积为S2，靠近d轴的鼠笼槽面积为S1，S2≥1.5S1。
优选地，永磁体呈弧形，并沿d轴径向向外凸出。
优选地，以转子铁芯的中心轴线与永磁***于径向外侧的侧边两端的连线之间的夹角为永磁张角，永磁张角沿着d轴径向向外的方向递减。
优选地，沿着d轴径向向外的方向，永磁体沿充磁方向的最小厚度递增。
优选地，沿着d轴径向向外的方向，相邻的两个永磁体中，位于径向外侧的永磁体沿充磁方向的最小厚度为h1，位于径向内侧的永磁体沿充磁方向的最小厚度为h2，h1≥1.4*h2。
优选地，鼠笼槽和永磁体共同组成转子组件的多层永磁磁障结构，每层永磁磁障结构中的鼠笼槽和永磁体间隔开。
优选地，每层永磁磁障结构中的鼠笼槽的最大厚度与该层永磁体沿充磁方向的最小厚度之间满足h1≤h3≤1.1h1，其中h1为其中一层永磁体沿充磁方向的最小厚度，h3为该层永磁体同层的鼠笼槽的最大厚度。
优选地，相邻永磁磁障结构之间的最小距离h满足1.2min(h1，h2)≤h≤2.5min(h1，h2)，min(h1，h2)表示h1和h2中较小的值，h1为相邻两个永磁体中位于径向外侧的永磁体沿充磁方向的最小厚度，h2为相邻两个永磁体中位于径向内侧的永磁体沿充磁方向的最小厚度。
优选地，鼠笼槽为闭口槽，鼠笼槽内填充导电不导磁材料。
优选地，转子铁芯的两端设置有端环，鼠笼槽内的导电不导磁材料通过端环连接，形成鼠笼结构。
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，安装槽和鼠笼槽之间通过第一磁桥间隔开时，第一磁桥的宽度为L2，0.8σ≤L2≤2σ，其中σ为定子和转子组件之间的气隙的径向宽度；和/或，靠近转子铁芯的转子外圆的最外层永磁体与转子外圆之间的最小距离为L6，2σ≤L6≤5σ，其中σ为定子和转子组件之间的气隙的径向宽度；和/或，远离转子铁芯的转子外圆的最内层永磁体与轴孔的外圆之间的最小距离为L5，4σ≤L5≤10σ，其中σ为定子和转子组件之间的气隙的径向宽度；和/或，鼠笼槽与转子铁芯的转子外圆之间的最小距离为L1，L1≥σ，其中σ为定子和转子组件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设置有轴孔、安装槽和鼠笼槽，鼠笼槽位于安装槽的两端，安装槽内设置有永磁体，鼠笼槽仅设置在d轴和q轴之间靠近q轴的一侧。鼠笼槽产生的鼠笼异步磁场对电枢绕组的退磁磁场有阻碍作用，即鼠笼槽对永磁体有保护作用，且设置在d轴和q轴之间靠近q轴一侧的鼠笼槽对永磁体的保护作用更大，因此，在相同的鼠笼槽面积下，将鼠笼槽仅设置在d轴和q轴之间靠近q轴的一侧，能够最大化利用鼠笼槽产生的鼠笼异步磁场来提升永磁体的抗退磁能力。另外，将鼠笼槽设置在d轴和q轴之间靠近q轴的一侧，还可以增大转子在d轴方向上的空间，更大的d轴空间更有利于沿d轴方向的永磁体层数的布置以及永磁体厚度的布置，能进一步地提升电机的永磁转矩。
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结构示意图；
图3为本申请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永磁体磁密对比图。
附图标记表示为：
1、转子铁芯；2、鼠笼槽；3、永磁体；4、轴孔；5、端环。
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的横截面上设置有轴孔4、安装槽和鼠笼槽2，鼠笼槽2位于安装槽的两端，安装槽内设置有永磁体3，鼠笼槽2仅设置在d轴和q轴之间靠近q轴的一侧。
鼠笼槽2产生的鼠笼异步磁场对电枢绕组的退磁磁场有阻碍作用，即鼠笼槽2对永磁体3有保护作用，且设置在d轴和q轴之间靠近q轴一侧的鼠笼槽2对永磁体3的保护作用更大，因此，在相同的鼠笼槽2面积下，将鼠笼槽2仅设置在d轴和q轴之间靠近q轴的一侧，能够最大化利用鼠笼槽2产生的鼠笼异步磁场来提升永磁体3的抗退磁能力，提升电机运行的可靠性。另外，将鼠笼槽2设置在d轴和q轴之间靠近q轴的一侧，还可以增大转子在d轴方向上的空间，更大的d轴空间更有利于沿d轴方向的永磁体3层数的布置以及永磁体3厚度的布置，能进一步地提升电机的永磁转矩，提升电机效率。
鼠笼槽2沿与q轴相平行的方向向外延伸至转子铁芯1的转子外圆，可以在相邻的鼠笼槽2之间形成顺滑的导磁通道，方便磁力线经过。
安装槽内填满永磁体3，鼠笼槽2与永磁体3之间通过第一磁桥间隔开，使得鼠笼槽2与永磁体3之间不设隔磁槽。在本实施例中，永磁体3填充至安装槽靠近鼠笼槽2的侧边，从而能够使得永磁体3在靠近鼠笼槽2的侧边处填满安装槽，鼠笼槽2向着永磁体所在侧延伸，使得鼠笼槽2与永磁体3之间不设置隔磁槽，只留下一定宽度的第一磁桥，从而保证转子结构的机械强度，此外，鼠笼槽2与永磁体3之间不设置隔磁槽，还能够减少隔磁槽对鼠笼磁场的阻碍作用，使得鼠笼磁场能够直接作用于永磁体3上，提升永磁体3的抗退磁能力，增强电机运行的可靠性。
永磁体3关于d轴对称布置，沿着d轴方向，永磁体3布置至少两层。多层永磁体结构可以增大电机的永磁转矩和磁阻转矩，增大电机出力，提升电机效率。
鼠笼槽2沿q轴方向延伸的最大长度为第一长度，第一长度沿着d轴到q轴的方向递增。
在本实施例中，以鼠笼槽2和永磁体3沿d轴径向方向布置两层为例，其中位于径向内侧的永磁体3两端的鼠笼槽2沿q轴方向延伸的最大长度为L4，位于径向外侧的永磁体3两端的鼠笼槽2沿q轴方向延伸的最大长度为L3，L4＞L3，其中位于径向内侧的永磁体3两端的鼠笼槽2为靠近q轴的鼠笼槽2，径向外侧的永磁体3两端的鼠笼槽2为靠近d轴的鼠笼槽2。
每个极下，鼠笼槽2的总面积为鼠笼槽2和安装槽的总面积的30％～70％。优选地，鼠笼槽2的总面积为鼠笼槽2和安装槽的总面积的35％～50％，从而能够保证一定比例的鼠笼槽面积，以实现电机的带载起动能力。以单个极下鼠笼槽2的总面积为S，单个极下鼠笼槽2和安装槽的总面积为S4为例，其中整个转子组件的鼠笼槽2的总面积为2p*S，鼠笼槽2和安装槽的总面积为2p*S4，0.3≤S/S4≤0.7。
永磁体3为铁氧体，铁氧体具有成本低、无高温退磁风险的优点。
永磁体3呈弧形，并沿d轴径向向外凸出，与轴孔4保持一定距离后覆盖在轴孔4的两侧。这样的永磁体3的形状可以增大转子铁芯1的空间利用率，更有利于永磁体3的布置。本实施例中，永磁体3呈圆弧形。
鼠笼槽2的面积沿着d轴到q轴的方向递增，且相邻的两个鼠笼槽2中，靠近q轴的鼠笼槽2面积为S2，靠近d轴的鼠笼槽2面积为S1，S2≥1.5S1。这样设置的目的是提高转子q轴方向空间的利用率，以提升布置的靠近q轴位置的鼠笼槽2的面积。
以转子铁芯1的中心轴线与永磁体3位于径向外侧的侧边两端的连线之间的夹角为永磁张角，永磁张角沿着d轴径向向外的方向递减。以鼠笼槽2和永磁体3沿d轴径向方向布置两层为例，其中沿d轴方向位于内层的永磁体3的永磁张角为α2，沿d轴方向位于外层的永磁体3的永磁张角为α1，α2＞α1。这样的布置可以使多层永磁体3的磁力线串联之后进入气隙，可以提高永磁体3的利用率。
沿着d轴径向向外的方向，永磁体3沿充磁方向的最小厚度递增。以鼠笼槽2和永磁体3沿d轴径向方向布置两层为例，其中沿d轴方向位于内层的永磁体3沿充磁方向的最小厚度为h2，沿d轴方向位于外层的永磁体3沿充磁方向的最小厚度为h1，h1＞h2。从q轴向d轴逐渐增大的永磁体厚度可以保证靠近d轴的永磁体3具有更强的抗退磁能力，使不同层永磁体3的退磁一致性较好。
优选地，沿着d轴径向向外的方向，相邻的两个永磁体3中，位于径向外侧的永磁体3沿充磁方向的最小厚度为h1，位于径向内侧的永磁体3沿充磁方向的最小厚度为h2，h1≥1.4*h2。
鼠笼槽2和永磁体3共同组成转子组件的多层永磁磁障结构，每层永磁磁障结构中的鼠笼槽2和永磁体3通过第一磁桥间隔开。
每层永磁磁障结构中的鼠笼槽2的最大厚度与该层永磁体3沿充磁方向的最小厚度之间满足h1≤h3≤1.1h1，其中h1为其中一层永磁体3沿充磁方向的最小厚度，h3为该层永磁体3同层的鼠笼槽2的最大厚度。限制鼠笼槽2的最大厚度，一方面不会因鼠笼槽2厚度过小而使永磁体边缘部分直接承受电枢退磁磁场的作用而发生退磁，另一方面不会因鼠笼槽2厚度过大而使磁通道变窄，造成电机饱和度过高。
相邻永磁磁障结构之间的最小距离h满足1.2min(h1，h2)≤h≤2.5min(h1，h2)，min(h1，h2)表示h1和h2中较小的值，h1为相邻两个永磁体3中位于径向外侧的永磁体3沿充磁方向的最小厚度，h2为相邻两个永磁体3中位于径向内侧的永磁体3沿充磁方向的最小厚度。这样设置可以降低转子加工难度，同时保证转子磁密分布的均匀度和不饱和度。
鼠笼槽2为闭口槽，鼠笼槽2内填充导电不导磁材料。导电不导磁材料例如为铝或铝合金。
转子铁芯1的两端设置有端环5，鼠笼槽2内的导电不导磁材料通过端环5进行自行短路连接，形成鼠笼结构，端环材料与鼠笼槽内的填充材料相同。在电机起动过程中，自行短路的鼠笼结构为电机提供异步转矩，以实现电机的自起动。
在一个实施例中，轴孔4为椭圆形、圆形或正方形。轴孔4也可以为圆弧和直线组合形成的类椭圆形、类圆形或者类正方形，这样设置可以增大转子空间，方便永磁体3的布置。轴孔4也可以设计为鼓形。
永磁体3可以设置为等厚圆弧形或者不等厚圆弧形。
本申请的转子组件为二极结构。上述的转子组件也可以应用于多极电机。
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永磁体磁密对比图，从图中可以看出，相比于相关技术中的电机，采用本申请转子组件的电机，能够提升永磁体部分的磁密，增强电机的抗退磁能力。
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。
安装槽和鼠笼槽2之间通过第一磁桥间隔开时，第一磁桥的宽度为L2，0.8σ≤L2≤2σ，其中σ为定子和转子组件之间的气隙的径向宽度。这样设置的目的是保证转子部分结构的机械强度，减小鼠笼槽2和永磁体3之间的漏磁。
靠近转子铁芯1的转子外圆的最外层永磁体3与转子外圆之间的最小距离为L6，2σ≤L6≤5σ，其中σ为定子和转子组件之间的气隙的径向宽度。这样设置的目的是保证转子部分结构的机械强度。
远离转子铁芯1的转子外圆的最内层永磁体3与轴孔4的外圆之间的最小距离为L5，4σ≤L5≤10σ，其中σ为定子和转子组件之间的气隙的径向宽度。这样设置的目的是保证转子部分结构的机械强度。
鼠笼槽2与转子铁芯1的转子外圆之间的最小距离为L1，L1≥σ，其中σ为定子和转子组件之间的气隙的径向宽度，这样设置的目的是在保证转子机械强度的条件下，减小电机漏磁，提升电机效率。
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 (17)

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)的横截面上设置有轴孔(4)、安装槽和鼠笼槽(2)，所述鼠笼槽(2)位于所述安装槽的两端，所述安装槽内设置有永磁体(3)，所述鼠笼槽(2)仅设置在d轴和q轴之间靠近q轴的一侧。
2.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，所述鼠笼槽(2)沿与q轴相平行的方向向外延伸至所述转子铁芯(1)的转子外圆。
3.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，所述安装槽内填满所述永磁体(3)，所述鼠笼槽(2)与所述永磁体(3)之间通过第一磁桥间隔开。
4.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)关于d轴对称布置，沿着d轴方向，所述永磁体(3)布置至少两层。
5.根据权利要求4所述的转子组件，其特征在于，所述鼠笼槽(2)沿q轴方向延伸的最大长度为第一长度，所述第一长度沿着d轴到q轴的方向递增；和/或，每个极下，所述鼠笼槽(2)的总面积为所述鼠笼槽(2)和所述安装槽的总面积的30％～70％；和/或，所述永磁体(3)为铁氧体。
6.根据权利要求4所述的转子组件，其特征在于，所述鼠笼槽(2)的面积沿着d轴到q轴的方向递增，且相邻的两个所述鼠笼槽(2)，靠近q轴的鼠笼槽(2)面积为S2，靠近d轴的鼠笼槽(2)面积为S1，S2≥1.5S1。
7.根据权利要求4所述的转子组件，其特征在于，所述永磁体(3)呈弧形，并沿d轴径向向外凸出。
8.根据权利要求7所述的转子组件，其特征在于，以所述转子铁芯(1)的中心轴线与所述永磁体(3)位于径向外侧的侧边两端的连线之间的夹角为永磁张角，所述永磁张角沿着d轴径向向外的方向递减。
9.根据权利要求4所述的转子组件，其特征在于，沿着d轴径向向外的方向，所述永磁体(3)沿充磁方向的最小厚度递增。
10.根据权利要求9所述的转子组件，其特征在于，沿着d轴径向向外的方向，相邻的两个所述永磁体(3)中，位于径向外侧的所述永磁体(3)沿充磁方向的最小厚度为h1，位于径向内侧的所述永磁体(3)沿充磁方向的最小厚度为h2，h1≥1.4*h2。
11.根据权利要求4所述的转子组件，其特征在于，所述鼠笼槽(2)和所述永磁体(3)共同组成所述转子组件的多层永磁磁障结构，每层所述永磁磁障结构中的所述鼠笼槽(2)和所述永磁体(3)间隔开。
12.根据权利要求11所述的转子组件，其特征在于，每层所述永磁磁障结构中的鼠笼槽(2)的最大厚度与该层所述永磁体(3)沿充磁方向的最小厚度之间满足h1≤h3≤1.1h1，其中h1为其中一层所述永磁体(3)沿充磁方向的最小厚度，h3为该层所述永磁体(3)同层的所述鼠笼槽(2)的最大厚度。
13.根据权利要求11所述的转子组件，其特征在于，相邻所述永磁磁障结构之间的最小距离h满足1.2min(h1，h2)≤h≤2.5min(h1，h2)，min(h1，h2)表示h1和h2中较小的值，h1为相邻两个所述永磁体(3)中位于径向外侧的所述永磁体(3)沿充磁方向的最小厚度，h2为相邻两个所述永磁体(3)中位于径向内侧的所述永磁体(3)沿充磁方向的最小厚度。
14.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，所述鼠笼槽(2)为闭口槽，所述鼠笼槽(2)内填充导电不导磁材料。
15.根据权利要求14所述的转子组件，其特征在于，所述转子铁芯(1)的两端设置有端环(5)，所述鼠笼槽(2)内的导电不导磁材料通过所述端环(5)连接，形成鼠笼结构。
16.一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15中任一项所述的转子组件。
17.根据权利要求16所述的自起动永磁同步磁阻电机，其特征在于，所述安装槽和所述鼠笼槽(2)之间通过第一磁桥间隔开时，所述第一磁桥的宽度为L2，0.8σ≤L2≤2σ，其中σ为定子和转子组件之间的气隙的径向宽度；和/或，靠近所述转子铁芯(1)的转子外圆的最外层所述永磁体(3)与所述转子外圆之间的最小距离为L6，2σ≤L6≤5σ，其中σ为定子和转子组件之间的气隙的径向宽度；和/或，远离所述转子铁芯(1)的转子外圆的最内层所述永磁体(3)与所述轴孔(4)的外圆之间的最小距离为L5，4σ≤L5≤10σ，其中σ为定子和转子组件之间的气隙的径向宽度；和/或，所述鼠笼槽(2)与所述转子铁芯(1)的转子外圆之间的最小距离为L1，L1≥σ，其中σ为定子和转子组件之间的气隙的径向宽度。
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