CN111092503B - 电机转子和磁阻电机 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种电机转子和磁阻电机。该电机转子包括沿轴向排布的稀土永磁段(1)和同步磁阻段(2)，电机转子的轴向至少一端端部设置有同步磁阻段(2)，稀土永磁段(1)与同步磁阻段(2)邻接，同步磁阻段(2)和稀土永磁段(1)同轴设置，且沿周向方向相对固定。根据本申请的电机转子，能够优化电机轴向磁密，降低永磁转子端部漏磁，缓和电机铁芯局部磁密饱和情况，减小电机转矩脉动，提高功率因数及效率。
Description
技术领域
本申请涉及电机设备技术领域，具体涉及一种电机转子和磁阻电机。
背景技术
近年来，永磁同步电动机因其优良的特性在工业控制领域得到广泛应用。但是，稀土永磁材料价格昂贵、稀土资源不可再生且生产过程污染大，为此，不使用或仅使用少量稀土永磁材料的电机设计及优化已经逐渐称为研究热点，近年来更是获得了越来越多的关注。
同步磁阻电机也称之为反应式电机，是同步电机的一种，与电励磁或者永磁同步电机相比的明显特点是转子上没有励磁绕组或永磁体，转子不能产生磁场。电机运行所需的转矩由其直、交轴磁路不同而产生的磁阻转矩提供，实现能量转化。
由于同步磁阻电机不使用永磁材料而使用磁阻转矩提供转矩输出，转子磁阻需要在空间上设计为不均匀以提升转矩，而转子磁阻分布不均匀将产生较大的转矩脉动且电机的功率因数较低。
发明内容
因此，本申请要解决的技术问题在于提供一种电机转子和磁阻电机，能够优化电机轴向磁密，降低永磁转子端部漏磁，缓和电机铁芯局部磁密饱和情况，减小电机转矩脉动，提高功率因数及效率。
为了解决上述问题，本申请提供一种电机转子，包括沿轴向排布的稀土永磁段和同步磁阻段，电机转子的轴向至少一端端部设置有同步磁阻段，稀土永磁段与同步磁阻段邻接，同步磁阻段和稀土永磁段同轴设置，且沿周向方向相对固定。
优选地，稀土永磁段和同步磁阻段的磁极数相同。
优选地，电机转子的轴向两端端部分别设置有同步磁阻段，稀土永磁段设置在两端的同步磁阻段之间。
优选地，稀土永磁段和同步磁阻段沿轴向交替排布。
优选地，同步磁阻段包括第一转子铁芯和沿周向设置在第一转子铁芯上的多个磁障组，磁障组包括沿径向间隔设置的磁通屏障，相邻的磁通屏障之间形成导磁通道。
优选地，稀土永磁段包括第二转子铁芯和设置在第二转子铁芯上的永磁体。
优选地，同步磁阻段的d轴与稀土永磁段的d轴之间形成夹角θ，其中0°≤θ≤30°。
优选地，稀土永磁段的外径为D1，同步磁阻段的外径为D2，其中D1<D2。
优选地，0.1mm≤(D2-D1)≤0.8mm。
优选地，单段稀土永磁段的叠高为Lx，单段同步磁阻段的叠高为Ly，其中0.8≤(Lx/Ly)≤1。
优选地，稀土永磁段的永磁体径向厚度为H1，磁通屏障的平均径向厚度为H2，0.5≤(H1/H2)≤0.8。
优选地，永磁体的极弧系数为A，同步磁阻段的外径为D2，径向最外侧的磁通屏障与电机转子的中心轴线的最小距离为D3，其中(D3/D2)≤A。
优选地，永磁体为一字型，永磁体垂直于稀土永磁段的d轴。
根据本申请的另一方面，提供了一种磁阻电机，包括电机转子和电机定子，该电机转子为上述的电机转子。
本申请提供的电机转子，包括沿轴向排布的稀土永磁段和同步磁阻段，电机转子的轴向至少一端端部设置有同步磁阻段，稀土永磁段与同步磁阻段邻接，同步磁阻段和稀土永磁段同轴设置，且沿周向方向相对固定。本申请中的电机转子，采用稀土永磁段和同步磁阻段混合使用的结构，综合了稀土永磁电机和同步磁阻电机的优点，通过在稀土永磁段转子的端部增加同步磁阻段转子，能够有效利用稀土转子磁密高形成的较大漏磁，提高同步磁阻转子的气隙磁密，从而提高电机整体性价比，优化电机轴向磁密，降低永磁转子端部漏磁，缓和电机铁芯局部磁密饱和情况，减小电机转矩脉动，提高功率因数及效率。
附图说明
图1为本申请实施例的电机转子的分解结构示意图；
图2为本申请实施例的电机转子的立体结构示意图；
图3为本申请实施例的电机转子的轴向磁密稀释示意图；
图4为本申请实施例的电机转子的同步磁阻段的结构示意图；
图5为本申请实施例的电机转子的稀土永磁段的结构示意图；
图6为本申请实施例的电机转子的转子磁场示意图。
附图标记表示为：
1、稀土永磁段；2、同步磁阻段；3、第一转子铁芯；4、磁通屏障；5、导磁通道；6、第二转子铁芯；7、永磁体；8、铆钉。
具体实施方式
结合参见图1至图6所示，根据本申请的实施例，电机转子包括沿轴向排布的稀土永磁段1和同步磁阻段2，电机转子的轴向至少一端端部设置有同步磁阻段2，稀土永磁段1与同步磁阻段2邻接，同步磁阻段2和稀土永磁段1同轴设置，且沿周向方向相对固定。
本申请中的电机转子，采用稀土永磁段和同步磁阻段混合使用的结构，综合了稀土永磁电机和同步磁阻电机的优点，通过在稀土永磁段转子的端部增加同步磁阻段转子，能够有效利用稀土转子磁密高形成的较大漏磁，提高同步磁阻转子的气隙磁密，从而提高电机整体性价比，优化电机轴向磁密，降低永磁转子端部漏磁，缓和电机铁芯局部磁密饱和情况，减小电机转矩脉动，提高功率因数及效率。
优选地，稀土永磁段1和同步磁阻段2的磁极数相同，能够使得稀土永磁段1和同步磁阻段2的磁极形成较优的对应关系，进而保证稀土转子的漏磁能够通过同步磁阻转子得到最大程度的利用，进一步降低电机漏磁，提高电机性能。
优选地，电机转子的轴向两端端部分别设置有同步磁阻段2，稀土永磁段1设置在两端的同步磁阻段2之间，可以在稀土永磁段1的两端同时利用同步磁阻段进行优化，使得稀土永磁段1的两端漏磁均能够得到更加充分的利用，更进一步地降低永磁转子端部漏磁，提高电机效率。
稀土永磁段1和同步磁阻段2沿轴向交替排布。在本实施例中，采用一段稀土永磁段1和两段同步磁阻段2进行组合的方式，稀土永磁段1设置在两段同步磁阻段2之间，形成组合分段式电机转子。
在其他的实施例中，稀土永磁段1和同步磁阻段2的排布方式也可以为其它多种类型，例如2-1-2-1-2，或者是2-1-2-1，或者2-1，或者2-1-2-1-2-1-2等等，优选地，稀土永磁段1和同步磁阻段2的数量之和为奇数，最中间的为稀土永磁段1，最两端的为同步磁阻段2，其它的稀土永磁段1和同步磁阻段2则为沿轴向交替排布。
同步磁阻段2包括第一转子铁芯3和沿周向设置在第一转子铁芯3上的多个磁障组，磁障组包括沿径向间隔设置的磁通屏障4，相邻的磁通屏障4之间形成导磁通道5。
稀土永磁段1包括第二转子铁芯6和设置在第二转子铁芯6上的永磁体7。
同步磁阻段2的d轴与稀土永磁段1的d轴之间形成夹角θ，其中0°≤θ≤30°。
电机转子的内部磁场如图6所示，实现对应同步磁阻段转子，虚线对应稀土永磁段转子，同步磁阻段转子的d轴与稀土永磁段转子的d轴之间存在夹角θ，电机出力转矩由磁阻转矩和永磁转矩构成，根据电机理论转矩公式：
其中的p为电机极数，ψf为永磁磁链，Is为定子电流，Ld为电机直轴电感，Lq为电机交轴电感，β为弱磁角度。
而本申请电机轴向上有稀土永磁电机和同步磁阻电机同时输出转矩，其合成转矩公式如下：
其中的p为电机极数，ψf为永磁磁链，Is为定子电流，Ld1为同步磁阻转子的d轴电感，Lq1为同步磁阻转子的q轴电感，Ld2为磁阻转子的d轴电感，Lq2为磁阻转子的q轴电感，β1为同步磁阻段的弱磁角度，β2为永磁段的弱磁角度。
稀土永磁段1和同步磁阻段2之间的β角差值为θ，当0°≤θ≤30°时，能够有效控制负载转矩的弱磁状态，提高高效运行区间。
稀土永磁段1的外径为D1，同步磁阻段2的外径为D2，其中D1<D2。
优选地，0.1mm≤(D2-D1)≤0.8mm。
结合参见图3所示，当限定稀土永磁段1的外径与同步磁阻段2的外径之间的关系后，能够使得稀土永磁段转子的端部漏磁更加有效地通过轴向传递至相邻的同步磁阻段转子上，在增加同步磁阻转子磁密同时减少稀土永磁段转子的端部漏磁，并缓和气隙磁密，从而增加了电机效率和有效功率因数，相比同步磁阻电机，电机效率增加6％。
优选地，单段稀土永磁段1的叠高为Lx，单段同步磁阻段2的叠高为Ly，其中0.8≤(Lx/Ly)≤1。随着Lx/Ly的比值增加，电机效率能够得到一定的提升，然而相应的电机成本会大幅正价，因此综合能效和成本方面的考虑，限定0.8≤(Lx/Ly)≤1是较优的方案，能够使得能效和成本两方面达到较好的均衡。
优选地，稀土永磁段1的永磁体7径向厚度为H1，磁通屏障4的平均径向厚度为H2，0.5≤(H1/H2)≤0.8；在该范围内的电机效率和成本的综合性价比最高。
优选地，永磁体7的极弧系数为A，同步磁阻段2的外径为D2，径向最外侧的磁通屏障4与电机转子的中心轴线的最小距离为D3，其中(D3/D2)≤A；该设计可以保证电机的综合功率因数在0.85以上，从而保证电机的工作能效。
在本实施例中，永磁体7为一字型，永磁体7垂直于稀土永磁段1的d轴。永磁体7也可以为其它的结构和形式，例如V字形或者梯形等。
在本申请中，以三段式转子为例对电机转子的装配进行说明。同步磁阻段2和稀土永磁段1上分别设置有铆钉孔，同步磁阻段2上设置有磁通屏障4，稀土永磁段1上设置有永磁体安装槽，永磁体安装在稀土永磁段1的永磁体安装槽内，当稀土永磁段1上的永磁体7完成安装后，依次按照同步磁阻段2-稀土永磁段1-同步磁阻段2的顺序，将三段转子通过铆钉8装配成一个转子整体。三段转子也可以通过其他的方式固定连接在一起，例如螺杆连接等。
根据本申请的实施例，磁阻电机包括电机转子和电机定子，该电机转子为上述的电机转子。
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 (11)
1.一种电机转子，其特征在于，包括沿轴向排布的稀土永磁段(1)和同步磁阻段(2)，所述电机转子的轴向至少一端端部设置有所述同步磁阻段(2)，所述稀土永磁段(1)与所述同步磁阻段(2)邻接，所述同步磁阻段(2)和所述稀土永磁段(1)同轴设置，且沿周向方向相对固定；所述同步磁阻段(2)包括第一转子铁芯(3)和沿周向设置在所述第一转子铁芯(3)上的多个磁障组，所述磁障组包括沿径向间隔设置的磁通屏障(4)，相邻的所述磁通屏障(4)之间形成导磁通道(5)；所述稀土永磁段(1)包括第二转子铁芯(6)和设置在所述第二转子铁芯(6)上的永磁体(7)；所述永磁体(7)的极弧系数为A，所述同步磁阻段(2)的外径为D2，径向最外侧的所述磁通屏障(4)与所述电机转子的中心轴线的最小距离为D3，其中(D3/D2)≤A。
2.根据权利要求1所述的电机转子，其特征在于，所述稀土永磁段(1)和所述同步磁阻段(2)的磁极数相同。
3.根据权利要求1所述的电机转子，其特征在于，所述电机转子的轴向两端端部分别设置有所述同步磁阻段(2)，所述稀土永磁段(1)设置在两端的所述同步磁阻段(2)之间。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的电机转子，其特征在于，所述稀土永磁段(1)和所述同步磁阻段(2)沿轴向交替排布。
5.根据权利要求1所述的电机转子，其特征在于，所述同步磁阻段(2)的d轴与所述稀土永磁段(1)的d轴之间形成夹角θ，其中0°≤θ≤30°。
6.根据权利要求1所述的电机转子，其特征在于，所述稀土永磁段(1)的外径为D1，所述同步磁阻段(2)的外径为D2，其中D1<D2。
7.根据权利要求6所述的电机转子，其特征在于，0.1mm≤(D2-D1)≤0.8mm。
8.根据权利要求1所述的电机转子，其特征在于，单段所述稀土永磁段(1)的叠高为Lx，单段所述同步磁阻段(2)的叠高为Ly，其中0.8≤(Lx/Ly)≤1。
9.根据权利要求1所述的电机转子，其特征在于，所述稀土永磁段(1)的永磁体(7)径向厚度为H1，所述磁通屏障(4)的平均径向厚度为H2，0.5≤(H1/H2)≤0.8。
10.根据权利要求1所述的电机转子，其特征在于，所述永磁体(7)为一字型，所述永磁体(7)垂直于所述稀土永磁段(1)的d轴。
11.一种磁阻电机，包括电机转子和电机定子，其特征在于，所述电机转子为权利要求1至10中任一项所述的电机转子。
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