CN114094738B - 自起动永磁辅助同步磁阻电机转子和电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自起动永磁辅助同步磁阻电机转子和电机，自起动永磁辅助同步磁阻电机转子包括多个转子冲片，多个所述转子冲片叠压而成转子铁芯，转子冲片上设有永磁体；所述永磁体包括相对位于径向外侧的外层永磁体、和相对位于径向内侧的内层永磁体，所述外层永磁体包括外层铁氧体，所述内层永磁体包括内层铁氧体和钕铁硼，所述钕铁硼位于所述电机转子的d轴上且所述钕铁硼位于所述外层铁氧体与所述内层铁氧体之间。根据本发明能增强内层铁氧体中间位置的磁密，使电机的抗退磁能力得以提高，且能够有效增大电机的永磁磁链，提升电机的永磁转矩，提升了电机的转矩输出能力，增强电机运行的可靠性。

Description

自起动永磁辅助同步磁阻电机转子和电机

技术领域

本发明涉及电机技术领域，具体涉及一种自起动永磁辅助同步磁阻电机转子和电机。

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，既具有自起动能力，也能够以同步转速高效运行。与永磁辅助同步磁阻电机相比，该类电机能够在无需控制器的条件下实现自起动，这就使得电机系统成本降低，而且没有控制器产生的各种损耗，电机系统效率得以提升。与自起动永磁同步电机相比，该类电机永磁材料主要使用价格低廉的非稀土永磁材料，例如铁氧体等，这就使得电机的永磁材料成本大幅度降低，具有极大的市场经济优势。与自起动同步磁阻电机相比，该类电机励磁磁场由永磁体产生，功率因数提升明显，减轻了电网系统的负担。与异步电动机相比，该类电机运行在同步转速，取消了转子的转差损耗，电机整体运行效率更高。但是由于自起动永磁辅助同步磁阻电机的永磁体主要为铁氧体，与钕铁硼相比，现阶段铁氧体材料的剩磁和矫顽力都要弱很多，铁氧体剩磁低就导致电机的永磁转矩偏小，转矩输出能力可能不足，铁氧体矫顽力小就导致电机的抗退磁能力差，在起动阶段，受到强烈的电枢反应磁场作用，永磁体存在很大的退磁风险。本发明的混合永磁转子结构，解决了自起动永磁辅助同步磁阻电机的永磁转矩偏小问题，同时提高了铁氧体的抗退磁能力，增强了电机运行的经济性和可靠性。

由于现有技术中的自起动永磁辅助同步磁阻电机存在永磁转矩偏小，导致转矩输出能力可能不足；铁氧体矫顽力小，导致电机的抗退磁能力差，在起动阶段，受到强烈的电枢反应磁场作用，永磁体存在很大的退磁风险等技术问题，因此本发明研究设计出一种自起动永磁辅助同步磁阻电机转子和电机。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的自起动永磁辅助同步磁阻电机存在铁氧体矫顽力小，导致电机的抗退磁能力差，在起动阶段，受到强烈的电枢反应磁场作用，永磁体存在很大的退磁风险的缺陷，从而提供一种自起动永磁辅助同步磁阻电机转子和电机。

为了解决上述问题，本发明提供一种自起动永磁辅助同步磁阻电机转子，其包括多个转子冲片，多个所述转子冲片叠压而成转子铁芯，转子冲片上设有永磁体；所述永磁体包括相对位于径向外侧的外层永磁体、和相对位于径向内侧的内层永磁体，所述外层永磁体包括外层铁氧体，所述内层永磁体包括内层铁氧体和钕铁硼，所述钕铁硼位于所述电机转子的d轴上且所述钕铁硼位于所述外层铁氧体与所述内层铁氧体之间。

在一些实施方式中，所述钕铁硼相对靠近所述内层铁氧体设置或与所述内层铁氧体相接。

在一些实施方式中，一个极下所述永磁体沿径向布置至少2层；和/或，所述电机转子具有4极、6极或8极。

在一些实施方式中，以转子中心到永磁体边缘处的连线之间的夹角为永磁体极弧角，则钕铁硼极弧角α1的范围为0.15α2～0.4α2，其中α2为与所述钕铁硼同层的所述内层铁氧体的极弧角。

在一些实施方式中，以转子中心到铁氧体边缘处连线之间的夹角为铁氧体的极弧角，铁氧体包括外层铁氧体和内层铁氧体，沿d轴的径向向外的方向，不同层之间的铁氧体的极弧角逐渐减小；多层铁氧体的径向厚度不相等，沿d轴的径向向外的方向的不同层之间的所述铁氧体厚度增加。

在一些实施方式中，电机的极弧系数为α2/(360/2p)，其取值范围为0.7～0.9，其中p为电机的极对数，α2为与所述钕铁硼同层的铁氧体的极弧角。

在一些实施方式中，所述钕铁硼沿充磁方向的厚度d的范围为5σ～7σ，σ为电机气隙宽度。

在一些实施方式中，所述外层铁氧体和/或所述内层铁氧体为扇环状结构，其扇环状的圆心朝向远离所述转子的中心的一侧；或者，所述外层铁氧体和/或所述内层铁氧体为多段式结构，且相邻两个段之间形成弯折，多段式结构的拼接成“U”形结构、“V”形结构或“W”形结构。

在一些实施方式中，还包括填充槽，所述填充槽位于所述永磁体的径向外侧，所述填充槽内填充导电不导磁的结构；一个极具有至少2个所述填充槽，至少1个所述填充槽位于所述外层铁氧体的一端的径向外侧，至少1个所述填充槽位于所述外层铁氧体的另一端的径向外侧；且填充槽与所述外层铁氧体之间形成第一间隔，且填充槽与所述内层铁氧体之间形成第二间隔，所述第一间隔和所述第二间隔均为所述转子冲片的实体结构，不设隔磁槽。

本发明还提供一种电机，其包括前任一项所述的自起动永磁辅助同步磁阻电机转子。

本发明提供的一种自起动永磁辅助同步磁阻电机转子和电机具有如下有益效果：

1.本发明通过设置内层永磁体和外层永磁体，且外层永磁体包括外层铁氧体，内层永磁体包括内层铁氧体和钕铁硼，且钕铁硼位于所述电机转子的d轴上且所述钕铁硼位于所述外层铁氧体与所述内层铁氧体之间，能增强内层铁氧体中间位置的磁密，使电机的抗退磁能力得以提高，且能够有效增大电机的永磁磁链，提升电机的永磁转矩，提升了电机的转矩输出能力；本发明提供一种自起动永磁辅助同步磁阻电机的混合永磁转子结构，该结构能够提高铁氧体的抗退磁能力，增强电机运行的可靠性。

2.本发明提供一种自起动永磁辅助同步磁阻电机混合永磁转子结构，转子冲片上设置有填充槽、永磁体、轴孔，其中永磁体包括铁氧体和钕铁硼两种或者其他具有永磁特性的材料；填充槽沿转子圆周径向分布，且与铁氧体同层布置，填充槽内填充铝或铝合金等导电不导磁材料，通过填充槽和永磁体的结合设计，使得电机可以实现自起动，提升电机的转矩输出能力，省去了控制器损耗，提升了电机效率，增强了电机运行的经济性；

3.本发明同层布置的填充槽与铁氧体之间不设隔磁槽，仅用一定宽度的加强筋隔开，能够保证转子结构强度；由于填充槽产生的鼠笼异步磁场对电枢反应磁场起到屏蔽作用，即鼠笼磁场对永磁体有保护作用，在填充槽和铁氧体之间不设隔磁槽的目的是减少对鼠笼磁场的阻碍，使得鼠笼磁场能够直接作用在铁氧体上，提升电机的抗退磁能力；

附图说明

图1为本发明第一实施方式的自起动永磁辅助同步磁阻电机转子冲片的结构图；

图1a为本发明第一实施方式的自起动永磁辅助同步磁阻电机转子冲片的一个极内的结构图；

图2为本发明第一实施方式的自起动永磁辅助同步磁阻电机转子的轴向视图；

图3为本发明技术与现有技术永磁体磁密对比图；

图4为本发明第二实施方式的自起动永磁辅助同步磁阻电机转子冲片的结构图。

附图标记表示为：

1、转子冲片；2、填充槽；30、永磁体；31、外层永磁体；32、内层永磁体；3、铁氧体；3a、外层铁氧体；3b、内层铁氧体；4、钕铁硼；5、轴孔；6、端环。

具体实施方式

如图1-4所示，本发明提供一种自起动永磁辅助同步磁阻电机转子，其包括多个转子冲片1，多个所述转子冲片1叠压而成转子铁芯，转子冲片1上设有填充槽2、永磁体30和轴孔5；所述永磁体30包括相对位于径向外侧的外层永磁体31、和相对位于径向内侧的内层永磁体32，所述外层永磁体31包括外层铁氧体3a，所述内层永磁体32包括内层铁氧体3b和钕铁硼4，所述钕铁硼4位于所述电机转子的d轴上且所述钕铁硼4位于所述外层铁氧体3a与所述内层铁氧体3b之间。所述钕铁硼采用平行充磁，充磁方向沿转子的径向。

本发明通过设置内层永磁体和外层永磁体，且外层永磁体包括外层铁氧体，内层永磁体包括内层铁氧体和钕铁硼，且钕铁硼位于所述电机转子的d轴上且所述钕铁硼位于所述外层铁氧体与所述内层铁氧体之间，能增强内层铁氧体中间位置的磁密，使电机的抗退磁能力得以提高，且能够有效增大电机的永磁磁链，提升电机的永磁转矩，提升了电机的转矩输出能力；本发明提供一种自起动永磁辅助同步磁阻电机的混合永磁转子结构，该结构能够提高铁氧体的抗退磁能力，增强电机运行的可靠性。

本发明提供一种自起动永磁辅助同步磁阻电机的混合永磁转子结构，通过在转子上设置填充槽，槽内填充导电不导磁材料，并将填充槽两端用端环连接，构成转子鼠笼结构，从而实现电机的自起动；通过在铁氧体层间放置钕铁硼，提升内层铁氧体中间位置的磁密，同时增大电机的永磁磁链，从而增大电机出力，提升电机效率；通过填充槽和永磁体结构设计，最大化鼠笼异步磁场对永磁体的保护作用，从而增强电机的抗退磁能力，提升电机运行的可靠性。

图1为本发明第一实施方式转子冲片结构图，转子由具有特定结构的转子冲片1和转子铁芯两端的端环6构成，转子冲片1上设有填充槽2、铁氧体3、钕铁硼4和轴孔5。所述填充槽2和铁氧体3共同组成转子的多层永磁磁障结构。其中，每层永磁磁障中的填充槽和永磁体之间不设隔磁槽，只用一定宽度的加强筋进行隔开。

在一些实施方式中，所述钕铁硼4相对靠近所述内层铁氧体3b设置或与所述内层铁氧体3b相接。这是本发明的钕铁硼的进一步优选设置位置和设置形式，其靠近内层铁氧体或与内层铁氧体相接，能够有效地进一步增大内层铁氧体中间位置的磁密强度，进一步提高电机的抗退磁能力，并且进一步增大电机的永磁磁链，进一步提升电机的永磁转矩，提升电机的转矩输出能力。

在一些实施方式中，一个极下所述永磁体30沿径向布置至少2层；和/或，所述电机转子具有4极、6极或8极。本发明进一步优选一个极下的永磁体为2层以上，能够进一步增大磁密强度，提高抗退磁能力，本发明的电机转子优选为沿周向方向均匀布置的4极、6极或8极的结构，进一步提高磁场强度，提高转矩输出能力。

在一些实施方式中，以转子中心到永磁体边缘处的连线之间的夹角为永磁体极弧角，则钕铁硼极弧角α1的范围为0.15α2～0.4α2，其中α2为与所述钕铁硼同层的所述内层铁氧体的极弧角。以转子中心到钕铁硼边缘处的连线为钕铁硼的极弧角α1，α1的范围为0.15α2～0.4α2，α2为内层铁氧体的极弧角；这样设置的目的在于，不会因钕铁硼极弧角过大造成永磁体利用率下降，电机饱和程度增大，也不会因钕铁硼极弧角过小，使得内层铁氧体的中间部分存在退磁风险。

在一些实施方式中，以转子中心到铁氧体边缘处连线之间的夹角表示铁氧体的极弧角，铁氧体包括外层铁氧体3a和内层铁氧体3a，沿d轴的径向向外的方向，不同层之间的铁氧体的极弧角逐渐减小；多层铁氧体的径向厚度不相等，沿d轴的径向向外的方向的不同层之间的所述铁氧体厚度增加。

控制钕铁硼的极弧角度α1以及充磁方向的厚度在此范围内，主要在于提高电机的抗退磁能力，同时充分利用钕铁硼的磁性能，提升电机的效率。

在一些实施方式中，电机的极弧系数为α2/(360/2p)，其取值范围为0.7～0.9，其中p为电机的极对数，α2为与所述钕铁硼同层的铁氧体的极弧角。进一步地，所述铁氧体在一个极下沿径向布置2层及以上，以转子中心到内层铁氧体边缘处连线之间的夹角表示永磁体的极弧角α2，则α2/(360/2p)为电机的极弧系数，其取值范围为0.7～0.9，这里p为电机的极对数，这样设置的目的是使电机的极弧系数在合理地范围内，使得电机的气隙磁场和空载反电动势尽量大，有利于提升电机的效率。

在一些实施方式中，所述钕铁硼4沿充磁方向的厚度d的范围为5σ～7σ，σ为电机气隙宽度。所述钕铁硼沿充磁方向的厚度为d，d的取值范围为5σ～7σ，σ为电机气隙宽度，这样设置的目的在于，不会因钕铁硼厚度过大造成永磁体利用率下降，也不会因钕铁硼厚度过小，使钕铁硼自身面临退磁风险。

在一些实施方式中，所述外层铁氧体3a和/或所述内层铁氧体3b为扇环状结构，其扇环状的圆心朝向远离所述转子的中心的一侧(如图1-2，第一实施方式)；或者，所述外层铁氧体3a和/或所述内层铁氧体3b为多段式结构，且相邻两个段之间形成弯折，多段式结构的拼接成“U”形结构、“V”形结构或“W”形结构。所述外层铁氧体3a和/或所述内层铁氧体3b优选为多个矩形磁钢组成。

图4所示为本发明第二实施方式转子冲片结构图。如图中所示，所述铁氧体3为矩形磁钢，铁氧体设计成多层U形，可分段布置，矩形磁钢容易加工成型，充磁和安装也较简单。所述转子结构也可用于2极电机或其它极数电机。采用本技术方案可以达到与第一实施方式相同的技术效果。

进一步地，所述填充槽与铁氧体同层布置，填充槽沿与d轴垂直的方向向d轴延伸。填充槽内填充铝或者铝合金等导电不导磁材料，并在转子轴向两端通过端环连接，形成鼠笼结构，端环材料与填充槽内材料相同；铝或铝合金导电性能好，价格便宜，在工业电机领域已有大量使用，适合作为填充槽材料。

本发明提供一种自起动永磁辅助同步磁阻电机混合永磁转子结构，转子冲片上设置有填充槽、永磁体、轴孔，其中永磁体包括铁氧体和钕铁硼两种或者其他具有永磁特性的材料；填充槽沿转子圆周径向分布，且与铁氧体同层布置，填充槽内填充铝或铝合金等导电不导磁材料，通过填充槽和永磁体的结合设计，使得电机可以实现自起动，提升电机的转矩输出能力，省去了控制器损耗，提升了电机效率，增强了电机运行的经济性；

在一些实施方式中，所述填充槽2位于所述永磁体30的径向外侧，所述填充槽2内填充导电不导磁的结构；一个极具有至少2个所述填充槽2，至少1个所述填充槽2位于所述外层铁氧体3a的一端的径向外侧，至少1个所述填充槽2位于所述外层铁氧体3a的另一端的径向外侧；且填充槽与所述外层铁氧体3a之间形成第一间隔，且填充槽与所述内层铁氧体3b之间形成第二间隔，所述第一间隔和所述第二间隔均为所述转子冲片1的实体结构，不设隔磁槽，只留一定宽度的加强筋。

本发明同层布置的填充槽与铁氧体之间不设隔磁槽，仅用一定宽度的加强筋隔开，能够保证转子结构强度；由于填充槽产生的鼠笼异步磁场对电枢反应磁场起到屏蔽作用，即鼠笼磁场对永磁体有保护作用，在填充槽和铁氧体之间不设隔磁槽的目的是减少对鼠笼磁场的阻碍，使得鼠笼磁场能够直接作用在铁氧体上，提升电机的抗退磁能力。

所述填充槽和铁氧体共同组成的多层永磁磁障结构中，不设隔磁槽，仅用加强筋分隔，这样设计的目的在于确保转子机械结构强度的同时，充分利用鼠笼异步磁场对永磁体的保护作用；由于电机起动阶段鼠笼条上感应出电流，该电流产生的鼠笼异步磁场能够屏蔽掉部分电枢反应退磁磁场，从而对转子上永磁体起到保护；不设隔磁槽，是为了能最大化利用这种保护作用。

进一步地，所述填充槽采用闭口槽，现阶段闭口槽内铸铝的工艺成熟，方便大规模生产。

进一步地，所述与铁氧体同层布置的填充槽，其厚度与铁氧体靠近q轴位置的厚度相同，这样设置的目的在于保证q轴磁通路径的通畅，避免转子磁路出现局部饱和。

本发明还提供一种自起动永磁辅助同步磁阻电机，其包括前任一项所述的自起动永磁辅助同步磁阻电机转子。

本发明提供一种自起动永磁辅助同步磁阻电机的混合永磁转子结构，通过填充槽、和永磁体的结合设计，实现电机的自起动，提升电机的转矩输出能力，增强了电机运行的经济性。

本发明提供一种自起动永磁辅助同步磁阻电机的混合永磁转子结构，该结构能够提高铁氧体的抗退磁能力，增强电机运行的可靠性。

通过填充槽和永磁体的结合设计，使得电机可以实现自起动，省去了控制器损耗，提升了电机效率。

通过填充槽和永磁体的结构设计，提升了电机的抗退磁能力。

通过永磁体的结构设计，提升了电机的转矩输出能力。

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

Claims (8)

1.一种自起动永磁辅助同步磁阻电机转子，其特征在于：

包括多个转子冲片(1)，多个所述转子冲片(1)叠压而成转子铁芯，转子冲片(1)上设有永磁体(30)；所述永磁体(30)包括相对位于径向外侧的外层永磁体(31)、和相对位于径向内侧的内层永磁体(32)，所述外层永磁体(31)包括外层铁氧体(3a)，所述内层永磁体(32)包括内层铁氧体(3b)和钕铁硼(4)，所述钕铁硼(4)位于所述电机转子的d轴上且所述钕铁硼(4)位于所述外层铁氧体(3a)与所述内层铁氧体(3b)之间；

所述钕铁硼(4)相对靠近所述内层铁氧体(3b)设置或与所述内层铁氧体(3b)相接；以转子中心到永磁体边缘处的连线之间的夹角为永磁体极弧角，则钕铁硼极弧角α1的范围为0.15α2～0.4α2，其中α2为与所述钕铁硼同层的所述内层铁氧体的极弧角。

2.根据权利要求1所述的自起动永磁辅助同步磁阻电机转子，其特征在于：

一个极下所述永磁体(30)沿径向布置至少2层；和/或，所述电机转子具有4极、6极或8极。

3.根据权利要求1所述的自起动永磁辅助同步磁阻电机转子，其特征在于：

以转子中心到铁氧体边缘处连线之间的夹角为铁氧体(3)的极弧角，铁氧体包括外层铁氧体(3a)和内层铁氧体(3b)，沿d轴的径向向外的方向，不同层之间的铁氧体的极弧角逐渐减小；多层铁氧体的径向厚度不相等，沿d轴的径向向外的方向的不同层之间的所述铁氧体厚度增加。

4.根据权利要求1所述的自起动永磁辅助同步磁阻电机转子，其特征在于：

电机的极弧系数为α2/(360/2p)，其取值范围为0.7～0.9，其中p为电机的极对数，α2为与所述钕铁硼同层的铁氧体的极弧角。

5.根据权利要求1所述的自起动永磁辅助同步磁阻电机转子，其特征在于：

所述钕铁硼(4)沿充磁方向的厚度d的范围为5σ～7σ，σ为电机气隙宽度。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的自起动永磁辅助同步磁阻电机转子，其特征在于：

所述外层铁氧体(3a)和/或所述内层铁氧体(3b)为扇环状结构，其扇环状的圆心朝向远离所述转子的中心的一侧；或者，所述外层铁氧体(3a)和/或所述内层铁氧体(3b)为多段式结构，且相邻两个段之间形成弯折，多段式结构的拼接成“U”形结构、“V”形结构或“W”形结构。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的自起动永磁辅助同步磁阻电机转子，其特征在于：

还包括填充槽(2)，所述填充槽(2)位于所述永磁体(30)的径向外侧，所述填充槽(2)内填充导电不导磁的结构；一个极具有至少2个所述填充槽(2)，至少1个所述填充槽(2)位于所述外层铁氧体(3a)的一端的径向外侧，至少1个所述填充槽(2)位于所述外层铁氧体(3a)的另一端的径向外侧；且填充槽与所述外层铁氧体(3a)之间形成第一间隔，且填充槽与所述内层铁氧体(3b)之间形成第二间隔，所述第一间隔和所述第二间隔均为所述转子冲片(1)的实体结构，不设隔磁槽。

8.一种电机，其特征在于：包括权利要求1-7中任一项所述的自起动永磁辅助同步磁阻电机转子。

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