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CN109412281B - 一种单绕组永磁辅助式无轴承同步磁阻电机 - Google Patents

一种单绕组永磁辅助式无轴承同步磁阻电机 Download PDF

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CN109412281B CN201811025629.6A CN201811025629A CN109412281B CN 109412281 B CN109412281 B CN 109412281B CN 201811025629 A CN201811025629 A CN 201811025629A CN 109412281 B CN109412281 B CN 109412281B
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朱熀秋
计宗佑
许颖
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Suzhou Jitaixing Electrical And Mechanical Equipment Co ltd
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Abstract

本发明公开了一种单绕组永磁辅助式无轴承同步磁阻电机，转子沿其周向方向均匀且对称分布有四组磁障，每组磁障由内到外分为三层；每个转子磁障中心设有矩形永磁体安装槽，组合永磁体填充于永磁体安装槽中，且切向磁化；两个三相绕组单元采用分布式绕组形式嵌入电机的定子槽内，减少了定子侧功率损耗，且电机结构更紧凑；定子齿和转子磁障均轴向同向倾斜相同角度，使得转矩径向分量能够更多地分布在整个定子上，降低了其作用在定子轭上的峰值，从而实现抑制振动，降低噪声。该电机具有高速、高转矩、微振动、低噪音、高效率和高可靠性等优点，在未来新能源汽车、航空航天、超纯净传输、空调压缩机等应用领域具有重要研究价值和广阔应用前景。

Description

一种单绕组永磁辅助式无轴承同步磁阻电机
技术领域
本发明属于电机制造及控制领域，涉及一种多变量、非线性、强耦合、微振动、低噪音的无轴承同步磁阻电机，特指一种单绕组永磁辅助式无轴承同步磁阻电机。
背景技术
无轴承同步磁阻电机是一种结构和原理均新颖独特的交流电机，其兼备磁轴承与同步磁阻电机的优点，能够最大限度地利用磁阻转矩。日本的A.Chiba等人设计的凸极式转子无轴承同步磁阻电机具有结构简单、造价低廉、易实现高速或超高速运行等优势，但凸极式转子无轴承同步磁阻电机的凸极比(交轴电感与直轴电感之比)较低，造成电机功率因数、转矩密度和效率均偏低，限制了电机的使用范围。日本的M.Takemoto等人设计的无轴承同步磁阻电机采用多层圆弧形磁障式转子，提高了无轴承同步磁阻电机的凸极比，但其转矩密度偏低的缺陷并未得到改善。
中国专利(CN106533103A)公开了一种永磁辅助式无轴承同步磁阻电机，永磁体安装位置并没有使得电机转矩最大化；定子采用一套转矩绕组和一套悬浮绕组，由于两套绕组共同占用有限的定子槽空间、且绕组绕制方向和叠绕位置受到较为严格的限制，增加了电机定转子结构设计和制造工艺的难度，两套绕组的采用加大了定子侧的功率损耗，限制了无轴承电机的进一步发展。同时在进行无轴承电机的设计时，需考虑电机转子在发生最大偏心位移时，电机所能提供最大悬浮力时的悬浮力电流的大小，使得悬浮力绕组不能过细。但在电机正常运行时，悬浮力电流的密度较小，悬浮力绕组无法得到充分有效的利用。
中国专利(CN201210056204.8和CN201210056244.2)分别公开了两种永磁辅助同步磁阻电机，磁障内嵌入的是圆弧形铁氧体永磁，其价格低廉，但铁氧体材料较脆，只能进行切片或者轻微的磨加工，因此圆弧形铁氧体永磁加工成本较高，生产工艺较繁琐。
发明内容
本发明的目的是为了解决传统无轴承同步磁阻电机磁障转子加了永磁体之后，电机运行振动大、噪音大的问题，转子中永磁体的性价比不高的问题以及传统无轴承同步磁阻电机定子设有两套绕组，功率损耗大，结构臃肿的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种单绕组永磁辅助式无轴承同步磁阻电机，包括由内向外依次同轴设置的转轴、转子和定子，定子和转子之间设有气隙；定子由定子齿、定子槽、定子轭组成，相邻两个定子齿之间形成定子槽，定子槽内安放定子绕组；转子包括转子铁心和设于转子铁心内部的永磁体，转子沿其周向方向均匀对称设置有四组磁障，每组磁障包括三层在转子铁心径向方向间隔设置的折线形磁障，第二层磁障、第三层磁障的两端各设置两个永磁体安装槽，每个永磁体安装槽中嵌入一个永磁体；转轴的两端分别由调心球轴承、辅助轴承接触支撑，调心球轴承一端的转轴上安装光电编码器，辅助轴承一端的转轴上安装电涡流传感器。
上述方案中，定子齿的径向中心处齿宽即为t2，定子轭11的径向宽度为t1，且t1＝2～3t2。
上述方案中，所述三层折线形磁障的偏折角度依次为α1、α2、α3，且α1≤α2≤α3；所述三层折线形磁障的偏折处距d轴的距离分别为d3、d4、d5，其中d3≤0.75d4、d4≤0.75d5；所述磁障空隙处填入环氧树脂基复合材料，以增强转子强度。
上述方案中，所述定子和转子均由硅钢片叠压而成，转轴采用不导磁材料。
上述方案中，所述定子齿和转子磁障均轴向同向、倾斜相同角度。
上述方案中，所述调心球轴承固定在左端盖内侧，辅助轴承固定在右端盖内侧，左端盖、右端盖位于机壳内，且通过螺丝固定连接；机壳内层还固定内螺纹冷却管。
本发明的优点在于：
1、本发明定子绕组采用一套绕组，解决了两套绕组共同占用有限的定子槽空间且绕组绕制方向和叠绕位置受到较为严格限制的问题，电机结构得到简化、更加紧凑；降低了电机定转子结构设计和制造工艺的难度，减少了定子侧的功率损耗，解决了传统无轴承同步磁阻电机悬浮力绕组无法得到充分有效利用的问题。
2、本发明转子与定子均同向倾斜，变化最激烈，因此通过使定子和转子倾斜可抑制气隙附近的转矩径向分量在转子极附近的定子轭上突然变化，使转矩径向分量能够更多地分布在整个定子上，降低了转矩径向分量作用在定子轭上的峰值，从而实现抑制振动，降低噪声。
3、在给定电机输出功率时，可选用较小容量的逆变器，降低了系统成本。
4、混合永磁体产生的永磁转矩，比单一的铁氧体永磁产生的大，但成本与单一的汝铁硼永磁相比显著降低，极大地增加了无轴承同步磁阻电机的转矩密度。
5、由于转子中注入的永磁体量较少，高速运行时较容易实现弱磁，恒功率调速范围很宽。
附图说明
图1为本发明一种单绕组永磁辅助式无轴承同步磁阻电机的径向剖面示意图；
图2为本发明一种单绕组永磁辅助式无轴承同步磁阻电机的轴向剖面示意图；
图3为图2中定子齿局部放大示意图；
图4为图2中半极转子局部放大示意图；
图5为图2中组合永磁体局部放大示意图；
图6为永磁体充磁方向示意图；
图7为定子三维示意图；
图8为转子一极三维示意图；
图9为图2中的定子绕组连接方式示意图；
图10为图2中的定子绕组结构分布示意图；
图11为传统无轴承同步磁阻电机转矩子系统的向量图；
图12为永磁辅助式无轴承同步磁阻电机的向量图。
图中：1.定子；2.转子；3.永磁体；4.永磁体安装槽；5.第一层磁障；6.第二层磁障；7.第三层磁障转轴；8.转轴；9.定子齿；10.定子槽；11.定子轭；12.定子绕组；13.光电编码器；14.电涡流传感器；15.机壳；16.调心球轴承；17.辅助轴承；18.内螺纹冷却管；19.左端盖；20.右端盖；21.铁氧体；22.汝铁硼。
具体实施方式
下面结合附图对本发明永磁辅助式无轴承同步磁阻电机做进一步说明。
参见图1，一种永磁辅助式无轴承同步磁阻电机包括定子1、转子2、转轴8，转子2同轴位于定子1内部，转子2的中心同轴连接转轴8，在转子2中心开槽用于放置转轴8。定子1的内壁和转子2的外壁之间具有气隙，气隙的厚度与电机的功率等级、所选取的永磁材料以及定子1、转子2加工和装配工艺有关。转轴8的两端分别由调心球轴承16、辅助轴承17接触支撑，调心球轴承16使转轴8一端在轴向固定，而在径向二自由度内灵活运动，辅助轴承17是用来避免电机悬浮或静止过程中造成的碰撞。调心球轴承16外侧的转轴8上安装光电编码器13，用来检测电机的转速，光电编码器13位于左端盖19的外侧；辅助轴承17内侧的转轴8上安装电涡流传感器14，用来检测电机的径向位移。调心球轴承16固定在左端盖19内侧，辅助轴承17固定在右端盖20内侧，左端盖19位于机壳15的左侧，右端盖20位于机壳15的右侧，机壳15与左端盖19和右端盖20通过螺丝固定连接；机壳15内层还固定内螺纹冷却管18，便于电机散热，防止电机工作过程中过热。定子1和转子2都由0.35mm厚度的硅钢片叠压而成，叠压系数为0.95，转轴8由不导磁材料组成。
参见图2，该永磁辅助式无轴承同步磁阻电机的定子铁芯有24个定子槽10，采用分布式绕组结构。定子绕组具有6相电机定子绕组12，沿圆周均匀分布且嵌套在24个定子槽10内，带有正负号的大写字母(如A+、A-)分别表示每相绕组的输入端和输出端，每相绕组占4个槽，相邻两个定子槽10为同一相绕组，每三相绕组组成1组三相绕组单元。其中第一组三相绕组单元由A相、B相、C相组成，第二组三相绕组单元由U相、V相、W相组成。每组三相绕组单元的相邻相间隔2π/3的空间角度且各相绕组依次排列，每相绕组自身关于气隙圆周不对称，但两个三相绕组单元关于气隙圆周对称，在定子机械空间中，对应相A相与U相、B相与V相、C相与W相在空间上呈镜像分布，按顺时针方向定义为A+、V-、W+、U-、V+、C-、U+、B-、C+、A-、B+、W-排列，相邻的两个槽为一相的进线端或出线端。转子2包括转子铁心和设于转子铁心内部的永磁体3，转子2沿其周向方向均匀对称设置有四组磁障，每组磁障包括三层在转子铁心径向方向间隔设置的磁障，第一层磁障5内没有永磁体，第二层磁障6、第三层磁障7的两端各设置两个永磁体安装槽4，永磁体3为四组，每组永磁体中的八个永磁体3对应地嵌入八个永磁体安装槽4中。磁障空隙处填入环氧树脂基复合材料以增强转子2强度。
参见图3，定子1由定子齿9、定子槽10、定子轭11组成，相邻两个定子齿9之间形成定子槽10，定子槽10内放置定子绕组12，定子齿9径向横截面为T型，T型的顶部靠近转子2，T型的底部与定子轭11连为一体。定子轭11的径向宽度为t1，定子齿9的径向中心处齿宽即为t2，为了防止定子轭11磁路饱和，要求t1＝2～3t2。
参见图4，一种永磁辅助式无轴承同步磁阻电机的磁障沿d轴对称分布，第一层磁障5、第二层磁障6、第三层磁障7的沿d轴宽度分别为w3、w4、w5，三者之间的间隔为w8、w9；三层磁障的偏折角度依次为α1、α2、α3，且α1≤α2≤α3；三层磁障的偏折处距d轴的距离分别为d3、d4、d5，其中d3≤0.75d4、d4≤0.75d5；磁障两端距转子圆周边缘长度为Rs，Rs在1-2mm之间，具体长度可根据转速和转子尺寸来设计；第三层磁障7距转轴中心距离为w10。矩形永磁体安装槽4置于第二层磁障6、第三层磁障7两端，位于第二层磁障6一端的永磁体安装槽与磁障偏折处距离为d1，第二层磁障6的两个永磁体安装槽之间的距离为w6，其中w6＝1～1.5mm，第三层磁障7的永磁体安装槽的长宽分别是w1和w4；位于第三层磁障7一端的永磁体安装槽与磁障偏折处距离为d2，第三层磁障7的两个永磁体安装槽之间的距离为w7，其中w7＝1～2mm，第三层磁障7的永磁体安装槽长宽分别是w2和w5。
参见图5和图6，永磁体3中，靠近气隙处的永磁体为组合永磁体，组合永磁体包括铁氧体21和汝铁硼22；靠近转轴8的是单一永磁体，均沿切向充磁，单一永磁体材质为汝铁硼22。永磁体3填充于永磁体安装槽4中，同一磁障中的两对永磁体充磁方向相反，相邻两极的永磁体充磁方向相反，其中铁氧体21的长宽分别为w11、w12，且w11≤0.67w4，w11≤0.67w5，w12≤0.67w1、w12≤0.67w2。永磁体3指向第三层磁障7端为N极，指向第一层磁障5端为S极。通过采用铁氧体21和汝铁硼22组合的形式，利用两种永磁体不同的剩磁密度改善气隙磁场，降低气隙磁场谐波，提高效率，且铁氧体材料更强的高温退磁能力可以改善退磁情况，同时降低了汝铁硼的使用量。
参见图7和图8，每极定子齿9均轴向同向倾斜，使得每极定子齿9轴向上、下边中点的连线与电机轴线在定子齿9轴向上边中点的平行线的夹角度数为β；一极转子的每层磁障的轴向上、下边中点的连线与电机轴线在定子齿9轴向上边中点的平行线的夹角度数为β(β在5°～15°之间)，同时保持每层磁障之间的径向距离不变，保持磁障在所有转子径向截面沿d轴宽度w3、w4、w5不变，每层磁障之间的间隔w8、w9不变，磁障的偏折角度α1、α2、α3不变，偏折点距d轴的距离d3、d4、d5不变，磁障两端距转子圆周边缘长度为Rs不变；β在5°～15°之间。电机振动和噪声主要来源是定子1与转子2气隙附近转矩径向分量迅速变化，由于转矩径向分量在转子发生凸极效应附近的定子轭上变化最激烈，因此通过使定子齿和转子磁障倾斜可抑制转矩径向分量突然变化，使转矩径向分量能够更多地分布在整个定子上，降低了转矩径向分量作用在定子轭上的峰值，从而实现抑制振动，降低噪声。与此同时，磁障的倾斜不影响转矩径向分量将磁通的径向分量变为切向分量，从而使总切向分量增加的原有特点。
参见图9和图10，为直观理解一种永磁辅助式无轴承同步磁阻电机绕组的接线安排与电流流向，将定子绕组水平展开。定子绕组采用链式绕组，每两个定子槽的绕组为一相的进线端或出线端。为方便描述，转矩绕组按顺时针方向定义为A+、V-、W+、U-、V+、C-、U+、B-、C+、A-、B+、W-排列。通过外部驱动控制器在两个三相绕组单元同时通入两组不同序列的电流维持转子处于中心位置，该电机需要两个三相逆变器为其供电。
参见图11和图12，设水平方向为d轴，永磁体3中心线方向为q轴，永磁辅助式无轴承同步磁阻电机d轴对应的电机电感称为直轴电感Ld，q轴对应的电机电感称为交轴电感Lq。图11为传统无轴承同步磁阻电机转矩子系统的向量图，传统无轴承同步磁阻电机转子中不存在永磁体3，因此没有永磁通，电磁转矩由转子2各向异性产生，所以一般设计时使Lq、Ld差异尽量大；传统无轴承同步磁阻电机的d轴方向电流id产生d轴方向磁通Ldid，q轴方向电流iq产生q轴方向磁通Lqiq，d、q轴合成磁通ψs产生电动势Es，转矩绕组电流is与转矩绕组电阻R1乘积为转矩绕组产生的电动势，Es与R1is之和为端电压u，端电压u与转矩绕组电流is之间夹角很大，导致传统无轴承同步磁阻电机的功率因数偏低，并且电机中一部分d轴磁通会由磁障5端部的铁芯肋部漏掉，增大了Ld，使得转矩和功率因数进一步减小。图12为永磁辅助式无轴承同步磁阻电机的向量图，永磁辅助式无轴承同步磁阻电机的d轴方向电流id产生d轴方向磁通Ldid，q轴方向电流iq产生q轴方向磁通Lqiq，由于d轴添加的永磁体3产生永磁磁通ψf，削弱了d轴磁通ψd，d、q轴合成磁通ψs产生电动势Es，转矩绕组电流is与转矩绕组电阻R1乘积为转矩绕组产生的电动势，Es与R1is之和为端电压u。对比图11可以发现，端电压矢量u与端电流矢量is之间夹角减小，从而增大了电机的功率因数。此外，永磁体3位于d轴上，使得d轴电感增加，这样使得d轴电感与q轴电感差异增大，从而增加无轴承同步磁阻电机的磁阻转矩，永磁体产生的永磁转矩也使得永磁辅助式无轴承同步磁阻电机的电磁转矩进一步增加。
本发明工作时，由于转子中注入的永磁体量较少，且采用组合永磁体，有效改善气隙磁场，降低气隙磁场谐波，提高效率，降低退磁风险，并且减少电机成本；由于定子绕组采用单绕组形式，定子侧功率损耗小，电机结构紧凑，能满足无轴承同步磁阻电机在全运行区间内宽调速、高转矩密度和高功率密度的性能要求；定子和转子均同向倾斜相同度数，能有效抑制转子振动，降低噪声。根据以上所述，便可实现本发明。

Claims (7)

1.一种单绕组永磁辅助式无轴承同步磁阻电机，其特征在于，包括由内向外依次同轴设置的转轴(8)、转子(2)和定子(1)，定子(1)和转子(2)之间设有气隙；
定子(1)由定子齿(9)、定子槽(10)、定子轭(11)组成，相邻两个定子齿(9)之间形成定子槽(10)，定子槽(10)内安放定子绕组(12)；每组三相绕组单元的相邻相间隔2π/3的空间角度且各相绕组依次排列，每相绕组自身关于气隙圆周不对称，但两个三相绕组单元关于气隙圆周对称；所述定子齿(9)和转子磁障均轴向同向、倾斜相同角度；
转子(2)包括转子铁心和设于转子铁心内部的永磁体(3)，转子(2)沿其周向方向均匀对称设置有四组磁障，每组磁障包括三层在转子铁心径向方向间隔设置的折线形磁障，第二层磁障(6)、第三层磁障(7)的两端各设置两个永磁体安装槽(4)，每个永磁体安装槽(4)中嵌入一个永磁体(3)；所述永磁体(3)中，靠近气隙处的永磁体为组合永磁体，组合永磁体包括铁氧体(21)和钕 铁硼(22)；
转轴(8)的两端分别由调心球轴承(16)、辅助轴承(17)接触支撑，调心球轴承(16)一端的转轴(8)上安装光电编码器(13)，辅助轴承(17)一端的转轴(8)上安装电涡流传感器(14)。
2.如权利要求1所述的一种单绕组永磁辅助式无轴承同步磁阻电机，其特征在于，所述定子齿(9)的径向中心处齿宽为t2，定子轭（ 11） 的径向宽度为t1，且t1＝2～3t2。
3.如权利要求1所述的一种单绕组永磁辅助式无轴承同步磁阻电机，其特征在于，所述三层折线形磁障的偏折角度依次为α1、α2、α3，且α1≤α2≤α3。
4.如权利要求1所述的一种单绕组永磁辅助式无轴承同步磁阻电机，其特征在于，所述三层折线形磁障的偏折处距d轴的距离分别为d3、d4、d5，其中d3≤0.75d4、d4≤0.75d5。
5.如权利要求3或4所述的一种单绕组永磁辅助式无轴承同步磁阻电机，其特征在于，所述磁障空隙处填入环氧树脂基复合材料，以增强转子(2)强度。
6.如权利要求1所述的一种单绕组永磁辅助式无轴承同步磁阻电机，其特征在于，所述定子(1)和转子(2)均由硅钢片叠压而成，转轴(8)采用不导磁材料。
7.如权利要求1所述的一种单绕组永磁辅助式无轴承同步磁阻电机，其特征在于，所述调心球轴承(16)固定在左端盖(19)内侧，辅助轴承(17)固定在右端盖(20)内侧，左端盖(19)、右端盖(20)位于机壳(15)内，且通过螺丝固定连接；机壳(15)内层还固定内螺纹冷却管(18)。
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