转子组件和自起动永磁同步磁阻电机的制作方法

转子组件和自起动永磁同步磁阻电机
1.本技术要求于2021年1月26日提交中国专利局、申请号为2021101026526、发明名称为“转子组件和自起动永磁同步磁阻电机”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本技术中。
技术领域
2.本技术涉及电机技术领域，具体涉及一种转子组件和自起动永磁同步磁阻电机。


背景技术：

3.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，通过转子导条产生的异步转矩实现自起动，通过永磁转矩和磁阻转矩实现恒速运行。与异步电机相比，电机可恒速运行且转子损耗低，效率高；与异步起动永磁同步电机相比，永磁体用量少，电机成本低。
4.但自起动永磁辅助同步磁阻电机的转子上同时设置磁障层和导磁通道，两者的宽度相互制约，不管是磁障层还是导磁通道的宽度过小，均会影响电机效率，导致转子铁芯饱和程度较高，同时设置磁障层和永磁体会进一步增大电机饱和度，导致电机铁耗增大，电机效率降低。


技术实现要素：

5.因此，本技术要解决的技术问题在于提供一种转子组件和自起动永磁同步磁阻电机，能够增大转子空间的利用率，在利用电机磁阻转矩的同时，增大电机的永磁转矩，减小电机铁耗，提升电机出力及效率。
6.为了解决上述问题，本技术提供一种转子组件，包括转子铁芯，在垂直于转子铁芯的中心轴线的横截面上，转子铁芯上设置有轴孔、狭缝槽、q轴鼠笼槽和永磁体，q轴鼠笼槽设置在狭缝槽的两端，永磁体安装在至少部分狭缝槽的两端，位于同一狭缝槽内的两个永磁体间隔设置。
7.优选地，狭缝槽包括弧线段和直线段，直线段位于弧线段的两端。
8.优选地，弧线段的d轴方向宽度沿着远离d轴的方向递增。
9.优选地，狭缝槽至少为两层，狭缝槽的d轴方向宽度沿着从中间到两端的方向递增，相邻的狭缝槽之间的导磁通道的d轴方向宽度沿着从中间到两端的方向递增。
10.优选地，狭缝槽包括磁阻段和安装段，安装段位于磁阻段的两端，安装段沿q轴方向延伸，永磁体安装在安装段内，永磁体的充磁方向与d轴平行。
11.优选地，永磁体布置至少两层，沿着d轴径向向内的方向，永磁体沿q轴方向的长度递增。
12.优选地，永磁体布置至少两层，沿着d轴径向向内的方向，永磁体与d轴之间的最小间距递减。
13.优选地，q轴鼠笼槽沿q轴方向延伸且相对q轴平行。
14.优选地，相邻的两个q轴鼠笼槽的导磁通道宽度为d1，与该两个q轴鼠笼槽对应的两个狭缝槽之间的导磁通道宽度为d2，其中d1≥d2。
15.优选地，狭缝槽和永磁体均为多层，狭缝槽的层数大于或等于永磁体的层数。
16.优选地，狭缝槽的层数大于永磁体的层数时，未安装永磁体的狭缝槽的d轴方向宽度沿着远离d轴的方向递增，安装永磁体的狭缝槽包括弧线段和直线段，直线段位于弧线段的两端，永磁体安装在直线段内。
17.优选地，沿着d轴径向向外的方向，狭缝槽的弧线段的曲率递减，位于同一层的狭缝槽的外圆弧曲率小于内圆弧曲率。
18.优选地，转子铁芯上还设置有d轴鼠笼槽，d轴鼠笼槽位于q轴鼠笼槽靠近d轴的一侧。
19.优选地，d轴鼠笼槽沿转子铁芯的周向延伸。
20.优选地，同一极下的d轴鼠笼槽为一个，d轴鼠笼槽设置在d轴上；或，同一极下的d轴鼠笼槽为至少两个，至少两个d轴鼠笼槽沿转子铁芯的周向间隔排布。
21.优选地，在同一极下，沿着d轴方向，d轴鼠笼槽的径向宽度为m1，位于d轴上的狭缝槽的径向宽度为m2，轴孔的外圆与转子铁芯的转子外圆之间的径向宽度为m3，其中(m1 ∑m2)/m3＝0.3～0.5。
22.优选地，q轴鼠笼槽和d轴鼠笼槽的总面积为s1，q轴鼠笼槽、d轴鼠笼槽和狭缝槽的总面积为s2，其中s1/s2＝30％～70％。
23.优选地，在转子铁芯的横截面上，d轴鼠笼槽的周向两端与转子铁芯的中心轴线之间的连线所形成的夹角为α1，其中20
°
≤α1≤60
°
。
24.优选地，d轴鼠笼槽在每极下的总面积为s3，单个q轴鼠笼槽的最大面积为s4，其中s3≥2s4。
25.优选地，q轴鼠笼槽和d轴鼠笼槽内填充导电不导磁材料，转子铁芯的两端设置有端环，q轴鼠笼槽和d轴鼠笼槽通过端环进行短路连接，形成鼠笼结构。
26.优选地，轴孔在d轴上的宽度小于或等于在q轴上的宽度；和/或，转子组件为两极结构。
27.根据本技术的另一方面，提供了一种自起动永磁同步磁阻电机，包括定子和转子组件，该转子组件为上述的转子组件。
28.优选地，当狭缝槽和永磁体均为多层，永磁体的充磁方向与d轴平行时，各层永磁体沿着磁化方向的最小厚度为h，其中4σ≤h≤8.5σ，σ为定子和转子铁芯之间的气隙的径向宽度。
29.优选地，与q轴相邻的两个q轴鼠笼槽之间的导磁通道宽度为d3，定子的齿部宽度为t，其中d3＞t。
30.优选地，q轴鼠笼槽与同一层的狭缝槽之间的最小间隔为h1，其中0.8σ≤h1≤2σ，σ为定子和转子铁芯之间的气隙的径向宽度。
31.优选地，q轴鼠笼槽与转子铁芯的转子外圆之间的最小间隔为h2，其中h2＞σ，σ为定子和转子铁芯之间的气隙的径向宽度。
32.优选地，当转子铁芯上设置有q轴鼠笼槽、狭缝槽、永磁体和d轴鼠笼槽时，位于同一层的q轴鼠笼槽、狭缝槽和永磁体形成一个永磁磁障层，和/或，位于同一层的q轴鼠笼槽
和狭缝槽形成一个永磁磁障层，和/或，位于同一层的d轴鼠笼槽形成一个永磁磁障层，相邻的永磁磁障层之间的最小距离为h3，该相邻永磁磁障层中沿d轴方向宽度较小的永磁磁障层在d轴方向的最小宽度为h4，其中h3≥1.8h4。
33.本技术提供的转子组件，包括转子铁芯，在转子铁芯的横截面上，转子铁芯上设置有轴孔、狭缝槽、q轴鼠笼槽和永磁体，q轴鼠笼槽设置在狭缝槽的两端，永磁体安装在至少部分狭缝槽的两端，位于同一狭缝槽内的两个永磁体间隔设置。该转子组件将永磁体布置在狭缝槽的两端，一方面可以合理利用转子空间进行永磁体的布置，在保证电机磁阻转矩的同时，增大电机的永磁转矩，提升电机出力及效率，提升电机功率因数；另一方面，放置在两端的永磁体还可以降低电机铁耗，进一步提升电机效率。
附图说明
34.图1为本技术一个实施例的转子组件的结构示意图；
35.图2为本技术一个实施例的转子组件的结构示意图；
36.图3为本技术实施例的电机与相关技术中的电机的转矩曲线对比图；
37.图4为本技术实施例的电机与相关技术中的电机的铁耗对比图；
38.图5为本技术实施例的电机中输出转矩与(m1 ∑m2)/m3的关系曲线；
39.图6为本技术实施例的电机中牵入转矩与s1/s2的关系曲线；
40.图7为本技术实施例的电机中牵入转矩和效率与α1的关系曲线；
41.图8为本技术实施例的电机起动过程中转速与s3的关系；
42.图9为本技术实施例的电机永磁体平均磁密和效率与h/σ的关系曲线；
43.图10为本技术实施例的电机转矩曲线与d3的关系；
44.图11为本技术实施例q轴鼠笼槽和狭缝槽之间磁路的漏磁系数与h1/σ的关系曲线；
45.图12为本技术实施例电机输出转矩与h3的关系；
46.图13为本技术实施例电机铁耗与h3的关系。
47.附图标记表示为：
48.1、转子铁芯；2、狭缝槽；3、q轴鼠笼槽；4、永磁体；5、d轴鼠笼槽；6、轴孔；7、安装段；8、磁阻段。
具体实施方式
49.结合参见图1至图4所示，根据本技术的实施例，转子组件包括转子铁芯1，在垂直于转子铁芯1的中心轴线的横截面上，转子铁芯1上设置有轴孔6、狭缝槽2、q轴鼠笼槽3和永磁体4，q轴鼠笼槽3设置在狭缝槽2的两端，永磁体4安装在至少部分狭缝槽2的两端，位于同一狭缝槽2内的两个永磁体4间隔设置。
50.在相关技术中披露，自起动永磁同步磁阻电机的转子组件的每极具有多层狭缝槽2和q轴鼠笼槽3所形成的永磁磁障层，当永磁体4设置在永磁磁障层的中间位置，也即d轴上时，转子磁极中心也即d轴位置处由于轴孔6的影响，导致d主轴方向上的转子铁芯空间不足，如果要保持较大的磁通量，则永磁体4的宽度必须要保证，如此一来，就会导致相邻永磁磁障层之间的导磁通道变窄，进而导致导磁通道出现过饱和现象，使得电机效率降低，而如
果要保证导磁通道不出现过饱和现象，永磁体4的宽度又会受到限制，导致电机磁通量降低，电机效率降低。因此，将永磁体4设置在d轴上，不管如何对永磁体4和导磁通道的宽度进行调整，受到d轴上转子铁芯1的径向厚度的限制，都会从一定程度上降低电机效率，增大电机铁耗。
51.为了解决上述问题，本技术将位于狭缝槽2内的永磁体4分别设置在狭缝槽2的两端，使得本来位于d轴上的永磁体4变为位于狭缝槽2的两端，避免了d轴位置处的磁通量集中所导致的过饱和现象，同时保证了整个电机的磁通量，此外，将永磁体4设置在狭缝槽2的两端，避开了受到轴孔6影响最大的d轴方向上的厚度较小的转子铁芯，使得转子铁芯位于狭缝槽2两端的空间能够得到充分的利用，既可以保证狭缝槽2两端的永磁体4能够具有足够的厚度，提供更多的磁通量，又能够保证相邻的狭缝槽2之间的导磁通道的宽度足够，不会出现过饱和现象，因此一方面可以合理利用转子空间进行永磁体4的布置，在保证电机磁阻转矩的同时，增大电机的永磁转矩，提升电机出力及效率，提升电机功率因数；另一方面，放置在两端的永磁体4还可以降低电机铁耗，进一步提升电机效率。在本实施例中，转子组件为两极结构。
52.此外，将永磁体4设置在狭缝槽2的两端，还能够使得永磁体4的磁场方向不会与定子退磁磁场直接相对，因此能够有效提高永磁体4的抗退磁能力。
53.在一个实施例中，狭缝槽2至少为两层，狭缝槽2的d轴方向宽度沿着从中间到两端的方向递增，相邻的狭缝槽2之间的导磁通道的d轴方向宽度沿着从中间到两端的方向递增，使得永磁体4沿d轴方向的宽度能够大于d轴上的狭缝槽2的宽度，同时使得永磁体4所在位置处的导磁通道的宽度能够大于d轴上的导磁通道的宽度，在永磁体4的厚度增加，磁通量增加的基础上，也使得导磁通道的宽度增加，使得导磁通道的宽度仍然能够满足厚度增加的永磁体4的导磁需求，从而避免了导磁通道的过饱和现象，提高了电机磁通量，在保证电机磁阻转矩的同时，增大电机的永磁转矩，提升电机出力及效率，提升电机功率因数。
54.在一个实施例中，为稀土永磁体，由于稀土永磁体具有剩磁高、抗退磁能力强的优点，因此可以提高永磁体4的抗退磁能力。
55.在一个实施例中，永磁体4布置至少两层，沿着d轴径向向内的方向，永磁体4沿q轴方向的长度递增。以转子组件包括四层永磁体4为例，永磁体4的宽度沿着d轴径向向内的方向依次为l1、l2、l3和l4，其中l4＞l3＞l2＞l1。
56.在一个实施例中，永磁体4布置至少两层，沿着d轴径向向内的方向，永磁体4与d轴之间的最小间距递减。以转子组件包括四层永磁体4为例，永磁体4与d轴之间的最小间距沿着d轴径向向内的方向依次为l8、l7、l6和l5，其中l8＞l7＞l6＞l5。
57.通过上述结构能够对永磁体4沿着d径向向内方向的结构和位置进行限定，从而减小永磁体4自行短路的漏磁部分，提高永磁体的利用率。
58.狭缝槽2和永磁体4均为多层，狭缝槽2的层数大于或等于永磁体4的层数，从而可以更好的利用电机的磁阻转矩，以提升电机出力。
59.在一个实施例中，狭缝槽2的层数大于永磁体4的层数时，未安装永磁体4的狭缝槽2的d轴方向宽度沿着远离d轴的方向递增，安装永磁体4的狭缝槽2包括弧线段和直线段，直线段位于弧线段的两端，永磁体4安装在直线段内。
60.狭缝槽2包括磁阻段8和安装段7，安装段7位于磁阻段8的两端，安装段7沿q轴方向
延伸，永磁体4安装在安装段7内，永磁体4的充磁方向与d轴平行。
61.将永磁体4布置在狭缝槽2的两端，一方面可以合理利用转子空间进行永磁体4的布置，在保证电机磁阻转矩的同时，增大电机的永磁转矩，提升电机出力及效率，提升电机功率因数，如图3所示为本技术电机和相关技术电机的转矩对比图；另一方面，放置在两端的永磁体还可以降低电机铁耗，进一步提升电机效率，如图4所示为本技术电机和相关技术电机的铁耗对比。
62.从图3可以看出，本技术的电机转矩相对于相关技术中的电机转矩提升达到10％左右，铁耗降低10％左右，因此电机性能和效率均得到大幅度提升。
63.在一个实施例中，q轴鼠笼槽3沿q轴方向延伸且相对q轴平行，从而能够使q轴鼠笼槽3与狭缝槽2配合，形成顺畅的转子导磁通道。
64.在一个实施例中，相邻的两个q轴鼠笼槽3的导磁通道宽度为d1，与该两个q轴鼠笼槽3对应的两个狭缝槽2之间的导磁通道宽度为d2，其中d1≥d2，从而能够保证q轴鼠笼槽3之间留有足够的宽度，避免出现磁场饱和，影响相邻永磁磁障层之间导磁通道的磁通流通。
65.在一个实施例中，狭缝槽2包括弧线段和直线段，直线段位于弧线段的两端，弧线段的d轴方向宽度沿着远离d轴的方向递增。
66.在一个实施例中，沿着d轴径向向外的方向，狭缝槽2的弧线段的曲率递减，位于同一层的狭缝槽2的外圆弧曲率小于内圆弧曲率。此处的外圆弧是指同一层狭缝槽2中沿d轴方向位于径向外侧的圆弧，内圆弧是指同一层狭缝槽2中沿d轴方向位于径向外侧的圆弧。转子铁芯1中间开有轴孔6，采用这样的设置方式可以增大转子空间的利用率，合理布置狭缝槽2，以增大转子凸极比，提升电机磁阻转矩。狭缝槽2的两端沿q轴方向延伸成直线段，与q轴平行，该直线段作为安装永磁体4的安装段7使用。通过上述限定，能够根据转子铁芯1靠近外圆侧空间较大的特点，利用狭缝槽2的特殊形状设计永磁体4的位置，在保证电机磁阻转矩的同时，增大永磁转矩，进一步提升电机出力。
67.转子铁芯1上还设置有d轴鼠笼槽5，d轴鼠笼槽5位于q轴鼠笼槽3靠近d轴的一侧。
68.在一个实施例中，d轴鼠笼槽5沿转子铁芯1的周向延伸。
69.在一个实施例中，同一极下的d轴鼠笼槽5为一个，d轴鼠笼槽5设置在d轴上。
70.在一个实施例中，同一极下的d轴鼠笼槽5为至少两个，至少两个d轴鼠笼槽5沿转子铁芯1的周向间隔排布。
71.在同一极下，沿着d轴方向，d轴鼠笼槽5的径向宽度为m1，位于d轴上的狭缝槽2的径向宽度为m2，轴孔6的外圆与转子铁芯1的转子外圆之间的径向宽度为m3，其中(m1 ∑m2)/m3＝0.3～0.5，目的是选择合理的磁障占比，既保证足够的磁障宽度，又保证合理的磁通通道，增加电机凸极比的同时，防止出现磁路过饱和。如图5所示为本技术技术电机输出转矩与(m1 ∑m2)/m3的关系曲线，(m1 ∑m2)/m3在0.3～0.5的范围内时，电机可以保证较大的输出转矩，(m1 ∑m2)/m3在小于0.3或大于0.5的范围时，电机转矩下降较快。
72.q轴鼠笼槽3和d轴鼠笼槽5的总面积为s1，q轴鼠笼槽3、d轴鼠笼槽5和狭缝槽2的总面积为s2，其中s1/s2＝30％～70％，优选地，s1/s2＝35％～50％。通过合理限定s1和s2之间的比例关系，能够保证一定比例的鼠笼槽面积，使电机具有一定的带载起动能力。如图6所示为本技术技术电机牵入转矩与s1/s2的关系曲线，牵入转矩随s1/s2的增大先增加后减小，当s1/s2大于70％时，牵入转矩开始减小，s1/s2在30％～70％的范围内时，电机可以保
证较大的牵入转矩，且当s1/s2在35％～50％的范围时，随着s1/s2的增大，牵入转矩增加较快，35％～50％是较优的比例范围。
73.在转子铁芯1的横截面上，d轴鼠笼槽5的周向两端与转子铁芯1的中心轴线之间的连线所形成的夹角为α1，其中20
°
≤α1≤60
°
，d轴鼠笼槽5在每极下的总面积为s3，单个q轴鼠笼槽3的最大面积为s4，其中s3≥2s4。如此设置，能够使得d轴鼠笼槽5形成弧形磁障层并作为鼠笼槽，既可当做磁障层，增大电机的磁阻转矩，又可当做起动鼠笼，用于改善电机起动性能。如图7所示为本技术技术电机牵入转矩和效率与α1的关系曲线，由图可知，电机效率随α1的增大先增大后减小，牵入转矩随α1的增大而增大，综合考虑电机效率和牵入转矩，α1应满足20
°
≤α1≤60
°
。如图8所示为本技术技术电机起动过程中转速与s3的关系，s3≥2s4的范围下，电机可成功起动至同步转速，当s3＜2s4时，电机转速在低于同步速下波动，无法牵入同步。
74.q轴鼠笼槽3和d轴鼠笼槽5内填充导电不导磁材料，较优地为铝或铝合金，转子铁芯1的两端设置有端环，q轴鼠笼槽3和d轴鼠笼槽5通过端环进行短路连接，形成鼠笼结构，端环材料与填充槽内填充材料相同。自行短路的鼠笼结构在电机起动阶段提供异步转矩，以实现电机的自起动。狭缝槽2、鼠笼槽和永磁体4组成的转子多层永磁磁障结构为电机提供永磁转矩和磁阻转矩，以实现电机的同步运行。
75.在一个实施例中，轴孔6在d轴上的宽度小于在q轴上的宽度，能够形成扁平的轴孔结构，从而加大转子铁芯1在d轴上的宽度，增大转子空间，便于进行狭缝槽2和导磁通道的布置，获得更好的电机性能。
76.在一个实施例中，轴孔6例如为圆形、椭圆形，也可以为圆弧和直线组合形成的类圆形。
77.根据本技术的实施例，自起动永磁同步磁阻电机包括定子和转子组件，该转子组件为上述的转子组件。
78.当狭缝槽2和永磁体4均为多层，永磁体4的充磁方向与d轴平行时，各层永磁体4沿着磁化方向的最小厚度为h，其中4σ≤h≤8.5σ，σ为定子和转子铁芯1之间的气隙的径向宽度。更优地，h应满足5σ≤h≤7σ，最优地，h应满足5.2σ≤h≤5.4σ，从而保证永磁体具有较高的抗退磁能力，提高电机性能。如图9所示为本技术技术电机永磁体平均磁密和效率与h/σ的关系曲线，随着h/σ的增大，永磁体平均磁密增大且增大幅度逐渐减小，当h/σ＞8.5，永磁体平均磁密趋于不变；随着h/σ的增大，电机效率先增大后减小，选择h/σ的比例，可以保证永磁体平均磁密较大且效率较高。
79.在一个实施例中，与q轴相邻的两个q轴鼠笼槽3之间的导磁通道宽度为d3，定子的齿部宽度为t，其中d3＞t，以保证主要磁路通道不会出现饱和，同时使得磁通有效进入定子齿部内，产生转矩。如图10所示为本技术技术电机输出转矩与d3的关系，d3＞t可使电机输出转矩增大。
80.q轴鼠笼槽3与同一层的狭缝槽2之间的最小间隔为h1，其中0.8σ≤h1≤2σ，σ为定子和转子铁芯1之间的气隙的径向宽度。这样设置的目的是，一方面可以保证转子部分结构的机械强度，减小q轴鼠笼槽3和狭缝槽2之间的漏磁，另一方面q轴鼠笼槽3和狭缝槽2之间顺畅连接，可使得转子部分的磁路通道顺畅，减小转子磁路磁阻。如图11所示为本技术技术电机中q轴鼠笼槽3和狭缝槽2之间磁路的漏磁系数与h1/σ的关系曲线，随着h1/σ的增大，漏
磁系数增大，漏磁增加，电机性能变差；但h1/σ的增大会使得电机机械强度变好，综合考虑电机漏磁和机械强度，选择h1/σ的范围为0.8～2。
81.q轴鼠笼槽3与转子铁芯1的转子外圆之间的最小间隔为h2，其中h2＞σ，σ为定子和转子铁芯1之间的气隙的径向宽度，能够在保证转子机械强度的条件下，减小电机漏磁，提升电机效率。
82.当转子铁芯1上设置有q轴鼠笼槽3、狭缝槽2、永磁体4和d轴鼠笼槽5时，位于同一层的q轴鼠笼槽3、狭缝槽2和永磁体4形成一个永磁磁障层，和/或，位于同一层的q轴鼠笼槽3和狭缝槽2形成一个永磁磁障层，和/或，位于同一层的d轴鼠笼槽5形成一个永磁磁障层，相邻的永磁磁障层之间的最小距离为h3，该相邻永磁磁障层中沿d轴方向宽度较小的永磁磁障层在d轴方向的最小宽度为h4，其中h3≥1.8h4。这样设置也可以降低转子加工难度，保证转子磁密分布的均匀度和不饱和度。如图12和图13所示分别为本技术技术电机输出转矩和铁耗与h3的关系，h3≥1.8h4可以保证磁障层宽度，提升输出转矩，降低铁耗，提升电机效率。
83.在本实施例中，转子铁芯1上包括三种永磁磁障层，第一种永磁磁障层为单一d轴鼠笼槽5形成的永磁磁障层，第二种永磁磁障层为同一层的q轴鼠笼槽3和狭缝槽2形成的永磁磁障层，第三种永磁磁障层为同一层的q轴鼠笼槽3、狭缝槽2和永磁体4形成的永磁磁障层，三者从d轴径向方向由外而内依次排布。
84.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。
85.以上仅为本技术的较佳实施例而已，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。以上仅是本技术的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本技术的保护范围。