自起动永磁同步磁阻电机的制作方法

1.本发明涉及电机领域，具体地，涉及一种自起动永磁同步磁阻电机。


背景技术：

2.交流调速异步电机已经在空调、洗衣机、电动车、电梯等领域得到广泛应用。异步电机调速可采用变频控制，这种开环控制结构简单、成本低且可靠性好。但是，异步电机效率低。随后不断发展的永磁同步电机具有结构紧凑、效率高的优势，但永磁同步电机的劣势在于闭环控制附加的结构和成本。
3.永磁同步磁阻电机同样需要闭环控制，而且钕铁硼永磁材料退磁温度低。此外，转子的磁阻电感q轴和永磁电感d轴存之间在夹角，使得在同步运行过程中，转子位置在磁阻电感q轴和永磁电感d轴之间摇摆导致转矩脉动。这种夹角在极对数越少的情况下在转子机械位置上的角度差越大。同时，永磁同步磁阻转子还存在磁障层数受限，导致凸极率不足的劣势。
4.此外，电机转子的温升(高达200℃)超过稀土永磁体的退磁温度(180℃)，因此由铁氧体(退磁温度高达350℃)取代稀土永磁体非常重要。然而，铁氧体永磁体的磁能积只有钕铁硼永磁体的10％，铁氧体永磁体的体积需要增加。减少磁通道层数同时增大磁障宽度有利于设置更厚的永磁体从而提高永磁电感，但磁阻电感减少导致磁通道磁场饱和。相反，降低磁障宽度无法设置足够的永磁体，电磁转矩不足导致电机效率的下降。挖掘永磁体腔体的空间是解决由铁氧体永磁体代替钕铁硼永磁体的关键。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于解决，异步电机效率低，永磁同步电机控制结构复杂，而当前永磁同步磁阻电机的磁阻电感q轴和永磁电感d轴之间存在角度差且磁障结构和永磁体的使用受到诸多限制。
6.本发明的一方面提供一种自起动永磁同步磁阻电机，包括同轴地布置的定子和转子，所述转子包括：异步组件，具有鼠笼结构用于电机的启动；磁阻组件，包括转子铁心和多层磁障；以及永磁组件，包括转子铁心和永磁体磁极，其中，所述磁阻组件和所述永磁组件沿转子轴向分段设置使得所述磁阻组件的磁阻电感q轴方向和所述永磁组件的永磁电感d轴方向重合。
7.所述异步组件插入所述磁阻组件，在所述转子的轴向上所述异步组件的长度与所述磁阻组件的长度相同，且所述永磁组件不设置容纳所述异步组件的导条的槽。
8.所述异步组件还插入所述永磁组件，在所述转子的轴向上所述异步组件的长度与所述磁阻组件和所述永磁组件的长度之和相同，且所述永磁组件中设置有容纳所述异步组件的导条的槽。
9.所述永磁组件的轴向长度占所述永磁组件和所述磁阻组件的轴向长度之和的20％至30％。
10.所述磁阻组件包括的磁障层数大于或等于3。
11.所述永磁组件的永磁电感d轴方向朝向所述永磁组件中的永磁体的周向表面。
12.所述异步组件利用非磁性导电材料构成。
13.所述永磁组件设置在所述磁阻组件的轴向外侧。
14.根据本发明的自起动永磁同步磁阻电机由于采用异步启动，因此可适用于开环调速控制，而不局限于闭环调速控制，应用范围更加广泛。同时，电机转子的同步磁阻组件和永磁同步组件独立设置，可增加永磁组件中的永磁体的占用空间并且同时增加同步磁阻组件的磁障层数，并且，磁阻组件的磁阻电感q轴与永磁组件的永磁电感d轴重合，从而使的电机的启动过程中易于并入同步转速并且同步运行过程中平均电磁转矩增大且效率提高。
附图说明
15.根据以下结合附图和具体实施方式，本发明的以上和其他方面、特征和优点将更清楚地理解，在附图中：
16.图1是常规永磁同步磁阻电机的转子截面图。图2是磁障层数的与凸极率ρ的关系的示意图。
17.图3是二极和四极永磁同步磁阻电机的磁阻电感q轴与永磁电感d轴的示意图。
18.图4是根据本发明的示例的转子分解示意图。
19.图5a是磁阻组件的铁心叠片的平面图；图5b是异步组件和磁阻组件的装配体的示意图。
20.图6a是永磁组件的铁心叠片的平面图；图6b是永磁体的形状的示意图；并且图6c是异步组件和永磁组件的装配体的示意图。
21.图7a是根据变型示例的永磁组件的铁心叠片的平面图；图7b是根据变型示例的永磁体的形状的示意图；并且图7c是根据变型示例的永磁组件的装配体的示意图。
具体实施方式
22.提供以下具体实施方式以帮助读者获得对在此所描述的方法、设备和/或系统的全面理解。然而，在理解本技术的公开内容之后，在此描述的方法、设备和/或系统的各种变型、修改及等同物将是显而易见的。例如，在此所描述的操作的顺序仅仅是示例，其并不限于在此所阐述的顺序，而是除了必须以特定顺序发生的操作之外，可做出在理解本技术的公开内容之后将是显而易见的改变。此外，为了提高清楚性和简洁性，可省略本领域中已知的特征的描述。为了使本领域技术人员能够更好的理解本发明，下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。
23.图1是常规永磁同步磁阻电机的转子截面图。
24.参照图1，转子10包括转子铁心100、磁障200、永磁体300。转子10的磁阻电感q轴与永磁电感d轴之间的夹角为90
°
电角度，在转子的机械位置上夹角为45
°
。
25.图2是磁障层数的与凸极率ρ的关系的示意图。
26.参照图2，以四极电机转子为例，当磁障层数为1层时，凸极率ρ为1～3；当磁障层数为2时，凸极率ρ为3～8；当磁障层数为3时，凸极率ρ为8～12；当磁障层数为4时，凸极率ρ为12以上。可见磁障层数增加可使凸极率增大。但磁障层数为5或更多时，凸极率和转矩增加
不明显。磁障层数增加使得可减少永磁体的用量。双层磁障的永磁同步磁阻电机与单层磁障的结构相比功率密度提高40％，永磁体用量减少30％。
27.图3是二极和四极永磁同步磁阻电机的磁阻电感q轴与永磁电感d轴的示意图。
28.参照图3，两极永磁同步磁阻电机的磁阻电感q轴与永磁电感d轴之间的机械角度差为90
°
，四极永磁同步磁阻电机的磁阻电感q轴与永磁电感d轴之间的机械角度差为45
°
。六极永磁同步磁阻电机的磁阻电感q轴与永磁电感d轴之间的机械角度差为30
°
，八极永磁同步磁阻电机的磁阻电感q轴与永磁电感d轴之间的机械角度差为22.5
°
。可见，电机极数越多磁阻电感与永磁电感之间的矢量夹角越小，越有利于减少波动。
29.图4是根据本发明的示例的转子的分解示意图。
30.根据本发明的示例的电机包括同轴地布置的定子和转子，参照图4，转子结构30包括异步组件330和转子的驱动轴340以及沿转子轴向分段设置的永磁组件310和磁阻组件320。永磁组件310可以是两个分别设置在磁阻组件320的两端或转子轴向外侧的组件，并且永磁组件310靠近转子端部。异步组件330在此以鼠笼转子结构作为示例，所述异步组件可利用非磁性导电材料构成，例如，铝或铜。但异步组件330的结构不局限于此，还可以是绕线转子结构。转子的驱动轴340的中部主要承担中心定位作用，同时可承担部分或全部动力传递作用，当转子的驱动轴340的中部承担部分动力传递时转子的驱动轴340的两端的机械强度需加强以保证传动轴承受载荷。例如，转子的驱动轴340的与永磁组件310结合的部分的直径可大于所述转子的驱动轴340的与磁阻组件320结合的部分的直径。
31.根据本发明的示例的转子结构30中的永磁组件310和磁阻组件320沿转子轴向分开独立设置，永磁组件310’设置在磁阻组件320的轴向外侧且靠近转子端部，其中，永磁组件310和磁阻组件320的轴向长度的比例可以是3:7或2：8，但不限于此，并且永磁组件310的轴向长度可占永磁组件310和磁阻组件320的轴向长度之和的20％至30％。转子永磁组件310和磁阻组件320独立设置使得设计的灵活性增加，可增加永磁组件310的占用空间并且同时增加同步磁阻组件的磁障层数。永磁组件310可包括内置式永磁体，永磁体可采用铁氧体材料。在此示例中，永磁组件310可包括4个n极和s极交替设置的磁极，并且永磁体的永磁电感d轴可从转子的旋转轴线朝向永磁体的面向转子外周的表面。磁阻组件320可包括多层磁障，例如，磁障层数可大于等于3，例如，可以是3或4。永磁组件310、磁阻组件320和异步组件330轴向装配，转子驱动轴340插入其中，并且磁阻组件320的磁阻电感q轴与永磁组件310的永磁电感d轴平行(或对齐)，当在转子径向截面中观察时两者处于重合(或接近重合)位置。异步组件330插入永磁组件310和磁阻组件320中用作启动笼。所述转子的轴向上异步组件330的长度与磁阻组件320和永磁组件310的长度之和相同。
32.在电机起动的初始阶段，由定子线圈产生旋转磁场，在鼠笼导条中产生感应电流。电机从异步启动逐步提高到额定转差的异步转速(通常是旋转磁场速度的94～98％)，随后由同步磁阻电感和永磁同步电感共同使转子并入同步转速，同步转速状态下鼠笼结构不工作，电机从异步电机运行状态变成同步电机运行状态。由于磁阻电感q轴与永磁电感d轴夹角越小越容易使电机转速并入同步转速，因此磁阻电感q轴与永磁电感d轴重合有助于电机转速并入同步转速，优化电机的启动。
33.图5a是磁阻组件的铁心叠片的平面图；图5b是异步组件和磁阻组件的装配体的示意图。
34.参照图5a，磁阻组件320的铁心叠片321的外周设置有开口槽，用于容纳异步组件330的导条。参照图5b，示出了将异步组件330的导条设置在磁阻组件320中的装配体的转子切向示意图。
35.图6a是永磁组件的铁心叠片的平面图；图6b是永磁体的形状的示意图；并且图6c是异步组件和永磁组件的装配体的示意图。
36.参照图6a，永磁组件310的铁心叠片311的外周也设置有开口槽，用于容纳异步组件330的导条。参照图6b，永磁体312由于体积可增大，因此可采用铁氧体材料，永磁组件310的永磁电感的d轴位于永磁体中央，并且永磁电感d轴方向朝向永磁体的周向表面。例如可从转子旋转轴线朝向永磁体外周边缘的中央。参照图6c，示出了将异步组件330的导条设置在永磁组件310中的装配体的转子切向示意图。
37.图7a是根据变型示例的永磁组件的铁心叠片的平面图；图7b是根据变型示例的永磁体的形状的示意图；并且图7c是根据变型示例的永磁组件的装配体的示意图。
38.根据本发明的变型示例的转子结构30’可包括永磁组件310’、磁阻组件320、异步组件330’和转子驱动轴340。永磁组件310’设置在磁阻组件320的轴向外侧且靠近转子端部。参照图7a，永磁组件310’的铁心叠片311’的外周可不设置开口槽。参照图7b，由于铁心叠片311’的外周不设置开口槽，因此永磁体312的体积可进一步增大。参照图6c，永磁组件310的装配体的转子切向示意图。由于永磁组件310’不设置容纳异步组件330’的导条的槽，因此异步组件330’仅插入磁阻组件320中。根据本发明的变型示例的转子结构30’的其余结构与根据本发明的示例的转子结构30的结构相同，在此省略重复的部分的描述。在转子的轴向上异步组件330’的长度与磁阻组件320的长度相同。由于异步组件330’的结构与异步组件330的结构相似但相比之下导条长度较短，因此电机的启动过程相同，启动更平缓。
39.根据本发明的自起动永磁同步磁阻电机由于采用异步启动，因此可适用于开环调速控制，而不局限于闭环调速控制，应用范围更加广泛。同时，电机转子的同步磁阻组件和永磁同步组件独立设置，可增加永磁组件中的永磁体的占用空间并且同时增加同步磁阻组件的磁障层数，并且，磁阻组件的磁阻电感q轴与永磁组件的永磁电感d轴重合，从而使的电机的启动过程中易于并入同步转速并且同步运行过程中平均电磁转矩增大且效率提高。
40.以上对本发明的具体实施方式进行了详细描述，虽然已表示和描述了一些实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可对这些实施例进行修改和变型，这些修改和变型也应在本发明权利要求的保护范围内。