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CN114465387A - 一种高功率因数的同步磁阻电机模块化转子结构 - Google Patents

一种高功率因数的同步磁阻电机模块化转子结构 Download PDF

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CN114465387A
CN114465387A CN202210032071.4A CN202210032071A CN114465387A CN 114465387 A CN114465387 A CN 114465387A CN 202210032071 A CN202210032071 A CN 202210032071A CN 114465387 A CN114465387 A CN 114465387A
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synchronous reluctance
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reluctance motor
motor
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冯垚径
柯少宇
夏晨曦
黄守道
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Hunan University
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Hunan University
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Abstract

本发明公开了一种高功率因数的同步磁阻电机模块化转子结构，包括电机机壳、定子铁芯、定子绕组和转子本体，本发明不同于只在交轴开设磁障的传统同步磁阻电机拓扑，在普通同步磁阻电机转子基础上，将相邻极之间的直轴磁路隔开，形成各个极独立的模块化转子的同时，在交轴磁路回路上增加了一层径向的空气磁障，增大交轴磁阻进而提高同步磁阻电机凸极比，提高电机功率因数，本发明提出的模块化同步磁阻电机转子可有效补偿同步磁阻电机功率因数，且不增加电机生产的额外材料成本，提高同步磁阻电机在家电及工业应用等领域的竞争力，同时有利于节能减排，促进同步磁阻电机替代传统异步电机进程。

Description

一种高功率因数的同步磁阻电机模块化转子结构
技术领域
本发明涉及电机技术领域，具体是一种高功率因数的同步磁阻电机模块化转子结构。
背景技术
同步磁阻电机遵循磁通总是沿着磁阻最小路径闭合的原理，通过转子本体开设多层磁障引起交直轴磁阻差异，进而产生磁拉力形成转矩，与普通永磁同步电机相比，同步磁阻电机转子中没有稀土永磁材料，不会因高温或反向磁场等环境和运行问题产生退磁，提高了电机可靠性，且避免了稀土永磁材料带来的高额成本问题，相较于异步电机，同步磁阻电机转子上没有鼠笼导条，降低成本的同时避免转子本体损耗，提升了电机效率，且较低的损耗降低了其运行温升，同样的温度条件下能提供比异步电机更大的转矩密度，简单的结构、低廉的成本和相对有竞争力的运行效率，使同步磁阻电机受到了广泛的关注，在电梯、家电、车辆驱动等行业中崭露头角，随着设计技术的进步，高效同步磁阻电机将进一步替代异步电机和永磁电机，应用前景广阔。
目前电机市场的主流仍然由感应电机、永磁同步电机主导，同步磁阻电机主要缺陷在于定子绕组提供励磁分量导致其功率因数偏低，制约了其在高性能需求场合的应用，为尽可能提高转子本体凸极比，从而提高电机功率因数，专家学者针对同步磁阻电机的转子本体进行了诸多设计与优化，同步磁阻电机转子根据叠压方式的不同分为轴向叠压式(ALA)转子本体与横向叠压式(TLA)转子本体，ALA结构将强导磁材料和非导磁材料(或空气层)按比例交替叠压并用螺栓固定，磁肋和磁障中部磁桥的取消减少了漏磁并获得最大程度上的转子本体凸极比，但其极其复杂的加工工艺与低机械强度制约了该结构电机的生产及应用，因此，实际中工业应用同步磁阻电机均基于生产成本低廉、加工方式简单、机械强度高的TLA转子本体结构，TLA结构通过在转子本体叠片上冲压出多层磁障结构以获得较大的凸极比，但在电机性能上仍存在不足：
①相较ALA结构来说，TLA转子本体凸极比较低，在功率因数、转矩密度等方面的表现均不如前者；
②部分TLA转子本体拓扑通过开设多层磁障、增加磁障占比来减小交轴电感，进而增大凸极比，但该方法同时也会增大直轴磁路饱和程度，对功率因数的提升有限；
③部分TLA转子本体拓扑去除了转子本体磁肋和径向磁桥，通过减小漏磁增大电机功率因数，但该方法存在转子本体机械强度不足的问题且增加了电机加工难度，功率因数的表现仍然不理想。
专利CN103701236A公布了一种外转子本体同步磁阻电机转子结构，所述专利的创新点在于转子本体轭上设计磁极单元，每个单元内径向安装磁道，磁道之间具有空隙，该设计转子本体无磁桥结构，可有效提高交直轴电感差，提升电机转子的功率密度，但每个磁极各导磁层尺寸不一，且需在气隙处打孔固定，加工困难，针对TLA结构转子本体的机械强度也难以保证；
专利CN102474139A公布了一种用于同步磁阻电机的模块化转子本体，利用多个转子极模块沿共同轴线分段，每段转子极模块包括多个极，每个极各层导磁层彼此独立并且固定在各段转子本体两侧的支撑板上，该方法实现了转子极模块化设计，但多层支撑板降低了电机的有效铁芯长度进而减小了转矩密度，且在制作过程中需要大量的非磁性材料用于支撑与粘合无法保证电机的机械强度，容易出现磁极不对称等问题。
以上方法技术均未能在不使用永磁体和转子本体励磁绕组的条件下妥善解决同步磁阻电机功率因数偏低的问题，且目前国内已有相关专利和文献在同步磁阻电机功率因数方面尚未提出有效的实施案例。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高功率因数的同步磁阻电机模块化转子结构，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种高功率因数的同步磁阻电机模块化转子结构，包括电机机壳、定子铁芯、定子绕组和转子本体，所述电机机壳的内部安装有定子铁芯，所述定子铁芯内绕制有若干个定子绕组，所述定子铁芯内部设置有转子本体，所述转子本体包括六个转子极模块，所述转子极模块的内侧开设有扇形凹槽，所述转子本体中间安装有机械转轴，所述机械转轴外壁上安装有与扇形凹槽相适配的扇形凸台，所述机械转轴与六个转子极模块过盈配合。
作为本发明进一步的方案：所述转子本体由偶数个相互独立的转子极模块组成，相邻两个所述转子极模块之间设置有直轴空气间隙。
作为本发明再进一步的方案：所述转子极模块内设置有三层空气磁障以增大交、直轴电感差，所述转子极模块各导磁层之间设置有周向磁肋并由周向磁肋连接。
作为本发明再进一步的方案：所述定子铁芯以及定子绕组的组合形式与常规旋转电机相同。
作为本发明再进一步的方案：所述转子极模块由相同的取向硅钢薄片横向叠压而成，并由螺栓固定。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、采用极与极之间开槽的转子结构，降低交轴电感，电机功率因数高。
2、每一极采用模块化转子，减少电机重量，提升转子机械强度，提高电机转矩密度，节约材料成本。
3、由于各极模块的转子冲片结构一致，在加工时可仅制作一极的转子冲片。
4、适用于制造取向硅钢片转子，各极冲片交轴为低磁导方向，方便切割加工。
附图说明
图1为本发明高功率因数的同步磁阻电机的横向剖面图。
图2为本发明转子极模块与机械转轴的装配示意图。
图3为本发明转子极模块取向硅钢片冲片示意图。
1、电机机壳；2、定子铁芯；3、定子绕组；4、转子本体；5、转子极模块；6、扇形凹槽；7、机械转轴；8、扇形凸台；9、空气磁障；10、直轴空气间隙；11、周向磁肋。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1～3，本发明实施例中，一种高功率因数的同步磁阻电机模块化转子结构，包括电机机壳1、定子铁芯2、定子绕组3和转子本体4，电机机壳1的内部安装有定子铁芯2，定子铁芯2内绕制有若干个定子绕组3，定子铁芯2内部设置有转子本体4，转子本体4包括六个转子极模块5，本发明采用六极电机对应模块数为六，转子极模块5的内侧开设有扇形凹槽6，转子本体4中间安装有机械转轴7，机械转轴7外壁上安装有与扇形凹槽6相适配的扇形凸台8，机械转轴7与六个转子极模块5过盈配合，扇形凸台8卡入扇形凹槽6以防止转子极模块5在运行时飞出或偏移。
转子本体4由偶数个相互独立的转子极模块5组成，各转子极模块5之间无机械连接，相邻两个转子极模块5之间设置有直轴空气间隙10，并由直轴空气间隙10或在直轴空气间隙10内填充非导磁材料进行隔开。
转子极模块5内设置有三层空气磁障9以增大交、直轴电感差，转子极模块5无径向磁桥，转子极模块5各导磁层之间设置有周向磁肋11并由周向磁肋11连接。
定子铁芯2以及定子绕组3的组合形式与常规旋转电机相同。
转子极模块5由相同的取向硅钢薄片横向叠压而成，并由螺栓固定。
本发明的目的在于克服现有技术的不足，针对同步磁阻电机功率因数偏低的固有缺陷，从电机本体设计角度考虑，提出一种新型的模块化同步磁阻电机转子结构，可有效提高电机功率因数，本发明不同于只在交轴开设磁障的传统同步磁阻电机拓扑，在普通同步磁阻电机转子基础上，将相邻极之间的直轴磁路隔开，形成各个极独立的模块化转子的同时，在交轴磁路回路上增加了一层径向的空气磁障9，增大交轴磁阻进而提高同步磁阻电机凸极比，提高电机功率因数，本发明提出的模块化同步磁阻电机转子可有效补偿同步磁阻电机功率因数，且不增加电机生产的额外材料成本，提高同步磁阻电机在家电及工业应用等领域的竞争力，同时有利于节能减排，促进同步磁阻电机替代传统异步电机进程。
本发明提出的高功率因数模块化同步磁阻电机转子，包括偶数个由硅钢片横向叠压的转子极模块5和用于固定各个转子极模块5的机械转轴7；转子极模块5数量与极数相等，各模块在机械上彼此独立，相邻模块之间的间隙为直轴空气间隙10或由非导磁材料填充；机械转轴7与转子本体4之间采用过盈配合，为保证各转子极模块5固定不动，机械转轴7表面加工与转子极模块5数量相同的扇形凸台8，同时各转子极模块5内侧开设扇形凹槽6进行固定。
同步磁阻电机直轴磁路不饱和，但交轴磁路饱和较为严重，所述各转子极模块5之间的间隙会进一步加剧交轴磁路的饱和程度，使得交轴电感大幅降低，间隙不宜过宽，以减小对直轴磁路的影响，因此直轴电感降低比例较小。根据同步磁阻电机的功率因数表达式：
Figure BDA0003466823810000061
式中，θ为电流角，K为直、交轴电感的比值。
本发明可通过结构设计以减小交轴电感，进而提升电机的功率因数。
此外，各转子极模块5结构相同，方便进行统一激光切割加工，更适用于取向硅钢片的应用，采用取向硅钢片材料，可利用其易磁化轧制方向的高磁导率特性提升凸极比，从而进一步提高同步磁阻电机的功率因数。
根据以上实例与转子未设置直轴空气隔断的普通同步磁阻电机进行仿真对比，保证空气磁障9等其他参数条件相同，额定工作点运行参数如下表：
表1模块化转子与普通转子同步磁阻电机对比数据
Figure BDA0003466823810000062
由以上数据可得，本发明所提出模块化结构可大幅降低交轴电感，但对直轴电感的减小比例较低，从而增大凸极比，因此在降低材料成本及电机重量的情况下使得同步磁阻电机功率因数得到提升。
此外，在所提实例的基础上可采用取向硅钢片替代各相同性硅钢片，利用取向硅钢片易磁化轧制方向的高磁导率特性，进一步增大同步磁阻电机的凸极比，多对极取向硅钢转子加工难度大，且一次冲孔制造往往造成大量原材料浪费，采用如附图3所示的转子极模块5切割方法不仅可以减少材料浪费，且模块化的切割是多对极同步磁阻电机取向硅钢转子的最佳加工方式。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高功率因数的同步磁阻电机模块化转子结构，包括电机机壳(1)、定子铁芯(2)、定子绕组(3)和转子本体(4)，其特征在于：所述电机机壳(1)的内部安装有定子铁芯(2)，所述定子铁芯(2)内绕制有若干个定子绕组(3)，所述定子铁芯(2)内部设置有转子本体(4)，所述转子本体(4)包括六个转子极模块(5)，所述转子极模块(5)的内侧开设有扇形凹槽(6)，所述转子本体(4)中间安装有机械转轴(7)，所述机械转轴(7)外壁上安装有与扇形凹槽(6)相适配的扇形凸台(8)，所述机械转轴(7)与六个转子极模块(5)过盈配合。
2.根据权利要求1所述的一种高功率因数的同步磁阻电机模块化转子结构，其特征在于：所述转子本体(4)由偶数个相互独立的转子极模块(5)组成，相邻两个所述转子极模块(5)之间设置有直轴空气间隙(10)。
3.根据权利要求1所述的一种高功率因数的同步磁阻电机模块化转子结构，其特征在于：所述转子极模块(5)内设置有三层空气磁障(9)以增大交、直轴电感差，所述转子极模块(5)各导磁层之间设置有周向磁肋(11)并由周向磁肋(11)连接。
4.根据权利要求1所述的一种高功率因数的同步磁阻电机模块化转子结构，其特征在于：所述定子铁芯(2)以及定子绕组(3)的组合形式与常规旋转电机相同。
5.根据权利要求1所述的一种高功率因数的同步磁阻电机模块化转子结构，其特征在于：所述转子极模块(5)由相同的取向硅钢薄片横向叠压而成，并由螺栓固定。
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