一种混合材料同步磁阻电机转子结构及同步磁阻电机的制作方法

1.本发明属于同步磁阻电机技术领域,具体涉及一种混合材料同步磁阻电机转子结构及同步磁阻电机。


背景技术：

2.由于稀土永磁体价格较为昂贵，因此同步磁阻电机逐渐受到关注。同步磁阻电机无永磁体，其定子结构与感应电机的定子结构类似，转子磁芯由硅钢片叠压而成并在其上冲有多层磁障，这种特殊结构使其转子直交轴磁阻出现了较大差异，表现出强烈的凸极性，进而产生磁阻性质的转矩。电机的定子绕组通入三相对称电流时，其产生的磁场就会通过转子导磁桥形成回路，由于定子磁场为圆形旋转磁场，运行过程中就会对转子产生磁拉力带动转子做旋转运动。同步磁阻电机的定转子磁芯都为硅钢片，结构简单，加工容易，造价较低；转子上无绕组和永磁体，因此没有铜耗和永磁体涡流损耗，发热较低；转子不产生励磁磁场，因此电机在高速运行时不需要弱磁。同步磁阻电机能够不借助永磁励磁运行，具有成本低、调速范围广、机械稳定性好、控制便捷，容错性能优良等优势，因此广泛应用于电动汽车、国防科技、家用电器等领域。
3.传统的同步磁阻电机在转子铁芯上冲出多层磁障，磁障方向与转子铁芯的d轴方向相一致，d轴即为磁通容易通过的低磁阻方向，q轴是磁通较难通过的高磁阻方向。同步磁阻电机利用磁通流通路径中磁阻最小原理产生磁阻性质的转矩，并且所述磁阻转矩与d、q轴电感差值(以下称为凸极差)正相关。但是传统的同步磁阻电机凸极差有一定的限度，即磁阻转矩增加到一定值后很难再增加。因此如何提高同步磁阻电机的凸极差成为国内外的热点研究问题。现有研究中为提高转矩提出的设计方案包括对电机极槽比，磁障占有率，磁障层数进行了优化分析、磁障中加入永磁体结构、改变电机转子结构、转子采用轴向叠置增加轴向磁通屏障的层数。这些提高转矩的研究方法主要是从磁障隔磁层占有率，磁障结构以及拓扑优化等方面考虑，磁阻转矩达到一定值后很难再增加。永磁助磁式同步磁阻电机和传统同步磁阻电机相比，凸极差没有显著的增加，即磁阻转矩没有大的提升，只是由于在转子中加入了永磁体使得该电机的永磁转矩得到了一定的提升，并且永磁体的存在，这就提升了电机成本，且降低电机运行稳定性。
4.专利cn113315437a提出了一种同步磁阻电机转子结构，该结构转子铁芯由转子冲片叠压而成，并且其上冲出多层磁障，磁障形状由分段线性插值方法构造。该结构加工简单，但是该结构与传统u型磁障的同步磁阻电机相比，凸极差没有显著的增加，即磁阻转矩没有较大的提升，只是转矩脉动降低。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是：传统同步磁阻电机凸极差有一定的限度，因此磁阻转矩达到一定值后很难再增加，会出现转矩密度在负载增加的情况下难以进一步提高的问题。
6.本发明的目的在于提出一种混合材料同步磁阻电机转子结构及同步磁阻电机，以解决上述背景技术中存在的技术问题，应用取向性硅钢片材料提高同步磁阻电机直轴磁场的导磁能力，提高输出转矩；为了便于大规模加工制造，本方法是在无取向性硅钢片磁芯的相关磁障内部上镶嵌有取向性硅钢片磁芯，且有取向性硅钢片磁芯中含有多层内部磁障结构，利用取向性硅钢片轧制方向导磁性能好且剪切方向导磁性能一般的特点，提升了同步磁阻电机的凸极率，进而提高其转矩密度。
7.为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：设计一种混合材料同步磁阻电机转子结构，其特征在于，该转子结构由转子铁芯、取向性硅钢片组件构成，所述转子铁芯为由多个圆盘状非取向性硅钢片沿转轴的轴向叠压紧固而成的圆柱体结构，在圆柱体的中心沿轴向设置有转轴安装孔；在转轴安装孔四周的圆柱体上绕周向均匀的设置有多组沿轴向的磁障结构；一组磁障结构为两个磁障结构，其中一个磁障结构绕转轴旋转180
°
后与另一个磁障结构重合；一个磁障结构包含至少一个磁障，每一个磁障内设置有取向性硅钢片组件；
8.取向性硅钢片组件的每一层由多个取向性硅钢片粘合而成，每一层的外形与相应磁障的径向截面形状相匹配，多层与磁障形状相匹配的取向性硅钢片沿转轴的轴向叠压紧固形成取向性硅钢片组件；
9.每一层的多个取向性硅钢片的轧制方向均为其设置位置上的低磁阻方向；每一个取向性硅钢片上均设置有多层内部磁障，每一个内部磁障的四周均被该取向性硅钢片外周封闭，一层中的多个取向性硅钢片上的内部磁障之间均不连通；取向性硅钢片上的内部磁障空置或填充非导磁材料。
10.进一步的，设计一种同步磁阻电机，其特征在于，该同步磁阻电机包含定子铁芯、电枢绕组、转轴，还包含如上所述的转子结构；其中，定子铁芯采用无取向性硅钢片，其由若干相同的内部均匀设置有齿部的环形无取向性硅钢片以相同的状态沿轴向叠压紧固而成，其齿部与轭部形成的狭缝槽用于缠绕电枢绕组；所述电枢绕组为三相对称分布式绕组，缠绕在定子铁芯内部的齿部与轭部形成的狭缝槽内；转子结构通过转轴安装孔固定在转轴上，定子铁芯套装在转子结构的外周且两者之间留有气隙，定子铁芯通过电机底座固定；定子铁芯的长度与转子结构的长度相同。
11.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
12.1.电机转子为混合材料磁芯，既采用无取向性硅钢片材料，又采用有取向性硅钢片材料。采用高性能低损耗磁性材料能在本质上降低电机磁芯损耗。
13.2.取向性硅钢片轧制方向与转子铁芯d轴一致，使转子铁芯d轴方向磁导率增加，磁阻减少即d轴电感增加，同时由于取向性硅钢片剪切方向上磁阻很大，使得转子铁芯q轴方向磁阻增加，即q轴电感减小，提高了同步磁阻电机直交轴电感之间的差值，有效增大电机的电磁转矩。
14.3.传统同步磁阻电机转子中仅含有磁障结构，为了增大直交轴电感之间的差值，交轴磁障偏大以此增大交轴磁阻，这就使得转子鲁棒性变差。本发明的同步磁阻电机交轴方向含有处于剪切方向的取向性硅钢片，且磁障位于取向性硅钢片内部，使得磁障尺寸偏小，所以本发明的转子结构机械强度更高，鲁棒性更好。
附图说明
15.图1所示为实施例1中的转子结构的结构示意图；
16.图2所示为图1中转子结构的取向性硅钢片组件结构示意图(图中的箭头表示轧制方向)；
17.图3所示为本发明转子结构中所用的取向性硅钢片的轧制方向b-h曲线示例图；
18.图4所示为本发明转子结构中所用的取向性硅钢片的剪切方向b-h曲线示例图；
19.图5所示为实施1中的同步磁阻电机在有限元分析软件(ansys)中建立的有限元模型图；
20.图6所示为实施例1中的同步磁阻电机的磁力线分布图；
21.图7所示为实施例1中的同步磁阻电机(曲线a)与传统u型磁障的同步磁阻电机(曲线b，即转子铁芯的磁障处未设置取向性硅钢片组件，其余部分相同)转矩对比示意图；
22.附图说明：1、定子铁芯；2、电枢绕组；3、气隙；4、转子铁芯；5、取向性硅钢片组件；7、转轴。
具体实施方式
23.下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，并不以此限定本技术的保护范围。
24.本发明提供一种混合材料同步磁阻电机转子结构(简称转子结构)，该转子结构由转子铁芯、取向性硅钢片组件构成，其特征在于，所述转子铁芯为由多个圆盘状非取向性硅钢片沿转轴的轴向叠压紧固而成的圆柱体结构，在圆柱体的中心沿轴向设置有转轴安装孔；在转轴安装孔四周的圆柱体上绕周向均匀的设置有多组沿轴向的磁障结构；一组磁障结构为两个磁障结构，其中一个磁障结构绕转轴旋转180
°
后与另一个磁障结构重合。一个磁障结构包含至少一个磁障，每一个磁障内设置有取向性硅钢片组件；
25.取向性硅钢片组件的每一层由多个取向性硅钢片粘合而成，每一层的外形与相应磁障的径向截面形状相匹配，多层与磁障形状相匹配的取向性硅钢片沿转轴的轴向叠压紧固形成取向性硅钢片组件；
26.每一层的多个取向性硅钢片的轧制方向均为其设置位置上的低磁阻方向(转子铁芯的d轴)；每一个取向性硅钢片上均设置有多层内部磁障，每一个内部磁障的四周均被该取向性硅钢片外周封闭，一层中的多个取向性硅钢片上的内部磁障之间均不连通；
27.取向性硅钢片上的内部磁障空置或填充非导磁材料。
28.在转子结构机械强度允许的前提下，转子中的极对数(即磁障结构的组数)、取向性硅钢片组件一层中取向性硅钢片个数和内部磁障层数可以根据需要进行调整。
29.进一步的，本发明提供一种同步磁阻电机(简称同步磁阻电机)，该同步磁阻电机包含定子铁芯、电枢绕组、转轴，还包含如上所述的转子结构；其中，定子铁芯采用无取向性硅钢片，其由若干相同的内部均匀设置有齿部的环形无取向性硅钢片以相同的状态沿轴向叠压紧固而成，其齿部与轭部形成的狭缝槽用于缠绕电枢绕组。所述电枢绕组为三相对称分布式绕组，缠绕在定子铁芯内部的齿部与轭部形成的狭缝槽内。转子结构通过转轴安装孔固定在转轴上，定子铁芯套装在转子结构的外周且两者之间留有气隙，气隙在0.2mm到1mm之间。定子铁芯通过电机底座固定，定子铁芯的长度与转子结构的长度相同。
30.本发明同步磁阻电机的转子结构采用混合材料磁芯，主体部分转子铁芯由非取向性硅钢片材料制备而成，采用轧制方向与转子铁芯d轴(d轴为低磁阻方向，q轴为高磁阻方向)相一致的取向性硅钢片组件填充转子铁芯的磁障，并且，取向性硅钢片组件上设置有多层内部磁障，利用取向性硅钢片在不同方向呈现不同磁导率的特性，充分发挥取向性硅钢片单向导磁优势，提高了电机的凸极差。且取向性硅钢片铁芯损耗低，降低电机铁芯损耗，从而能够有效的提高电机的输出转矩和效率。
31.实施例1
32.本实施例提供一种混合材料同步磁阻电机转子结构(简称转子结构，参见图1-2)，该转子结构由转子铁芯、取向性硅钢片组件构成，其特征在于，所述转子铁芯为由多个圆盘状非取向性硅钢片沿转轴的轴向叠压紧固而成的圆柱体结构，在圆柱体的中心沿轴向设置有转轴安装孔；在转轴安装孔四周的圆柱体上绕周向均匀的设置有两组沿轴向的磁障结构；一组磁障结构为两个磁障结构，其中一个磁障结构绕转轴旋转180
°
后与另一个磁障结构重合。一个磁障结构包含一个磁障，每一个磁障内设置有取向性硅钢片组件；该磁障的径向截面近似“u”型。
33.取向性硅钢片组件的每一层由三个取向性硅钢片粘合而成，每一层的外形与磁障的径向截面形状相匹配，多层与磁障形状相匹配的取向性硅钢片沿转轴的轴向叠压紧固形成取向性硅钢片组件；
34.取向性硅钢片组件的每一层的三个取向性硅钢片分别为两个相同的梯形硅钢片和一个矩形硅钢片，矩形硅钢片的竖直边长度与梯形硅钢片的一侧的腰的长度相同，两个梯形硅钢片以其与矩形硅钢片的竖直边长度相等的腰对称的衔接在矩形硅钢片的两侧，三者通过黏合的方式固定成一个整体，形成一个近似“u”型的结构。
35.梯形硅钢片的轧制方向为沿梯形的底边，矩形硅钢片的轧制方向为沿矩形的水平边。
36.梯形硅钢片与矩形硅钢片上均设置有上、下两个内部磁障，梯形硅钢片上的两个内部磁障均为梯形，两个梯形内部磁障的底边均与梯形硅钢片的底边平行，两个梯形内部磁障的两侧的腰均与梯形硅钢片两侧的腰对应平行；两个梯形内部磁障的高度相同，位于两个梯形内部磁障高度方向之间的梯形硅钢片部分的厚度相同，位于两个梯形内部磁障两侧的梯形硅钢片部分的厚度均相同。矩形硅钢片上的两个内部磁障均为矩形，两个矩形内部磁障的尺寸相同且其水平边与竖直边均与矩形硅钢片的水平边与竖直边对应平行，且每个矩形内部磁障上、下的矩形硅钢片部分的厚度均相同，每个矩形内部磁障左、右的矩形硅钢片部分的厚度均相同。
37.取向性硅钢片上的内部磁障空置或填充非导磁材料。
38.进一步的，本实施例提供一种同步磁阻电机(简称同步磁阻电机，参见图5-6)，该同步磁阻电机包含定子铁芯、电枢绕组、转轴，还包含如上所述的转子结构；其中，定子铁芯采用无取向性硅钢片，其由若干相同的内部均匀设置有齿部的环形无取向性硅钢片以相同的状态沿轴向叠压紧固而成，其齿部与轭部形成的狭缝槽用于缠绕电枢绕组。所述电枢绕组为三相对称分布式绕组，缠绕在定子铁芯内部的齿部与轭部形成的狭缝槽内。转子结构通过转轴安装孔固定在转轴上，定子铁芯套装在转子结构的外周且两者之间留有气隙，气隙为0.6mm，定子铁芯通过电机底座固定。定子铁芯的长度与转子结构的长度(高度)相同。
39.本实施例的同步磁阻电机的参数见表1。
40.表1同步磁阻电机结构参数
[0041][0042]
根据表1中的同步磁阻电机结构参数，在有限元分析软件(ansys)中建立电机有限元模型，如图5所示，包括定子铁芯1、电枢绕组2、转子铁芯4、取向性硅钢片组件5、转轴7。
[0043]
其中，定子铁芯1和转子铁芯4材料采用无取向性硅钢片，定子铁芯1为多个齿部形成的环形结构，并设置多个由齿部和轭部构成的狭缝槽用于缠绕电枢绕组2。定子铁芯1内部绕有三相对称分布式绕组，可以产生旋转磁场，所该磁场与转子磁芯相互作用，可以产生磁阻转矩。
[0044]
如图1所示，电机转子由转子铁芯4和取向性硅钢片组件5组合而成。转子铁芯4由无取向性硅钢片叠压而成，所述取向性硅钢片组件5轧制方向与转子铁芯的d轴相一致，即低磁阻方向，这样放置可以增加d轴电感，减少q轴电感，提高电机的凸极差，从而提升电机的平均输出转矩。
[0045]
本实施例中，转子结构有两对极，每一级的取向性硅钢片组件都由三部分组成，呈u型放置。如图2所示，每一极有三个取向性硅钢片，每个取向性硅钢片各有两层内部磁障，内部磁障空置或填充非导磁材料，中间的取向性硅钢片形状呈矩形，两侧的取向性硅钢片以及其两层内部磁障都呈对称结构。
[0046]
在三相正弦交流电激励下同步磁阻电机利用直交轴之间的电感差值产生的磁阻转矩运行起来。所述取向性硅钢片组件5具体的轧制方向如图2中箭头的指向所示，其目的是增大凸极差，从而有效的提高电机输出转矩。
[0047]
图3示出了所述取向性硅钢片在轧制方向的b-h曲线图，图4示出了所述取向性硅钢片在剪切方向的b-h曲线图。从图中可以看出取向性硅钢片在两个方向上的磁特性有很大的不同。这是由于取向硅钢片中晶粒取向不同，在轧制方向上硅钢片中晶粒取向的一致性使其在轧制方向上的电磁性能优异，磁导率很高，而与轧制方向垂直的剪切方向上的电磁性能较差，磁导率较低。利用取向性硅钢片的这种特点，使其轧制方向与转子铁芯d轴相一致，则转子铁芯d轴方向磁导率增加，磁阻减少即d轴电感增加，同时由于取向性硅钢片剪切方向上磁阻很大，则转子铁芯q轴方向磁阻增加，即q轴电感减小，从而使得所述电机的凸极差得到了明显的提升，输出转矩也大大提高。
[0048]
图6示出了本实施例的混合材料转子结构的同步磁阻电机磁力线分布图。从图中可以明显看出所述电机在转子铁芯d轴方向磁力线较多，而在q轴方向磁力线较少。这是因
为由于取向性硅钢片的存在使得转子铁芯d轴方向上磁阻很小，磁力线比较容易通过，而在q轴方向上，磁力线要通过两层磁障和处于剪切方向的取向性硅钢片，这就使得磁力线流通路径的磁阻大大增加，因此q轴方向磁力线较少。
[0049]
图7示出了本实施例的混合材料转子结构的同步磁阻电机(曲线a)与没有取向性硅钢片的传统u型同步磁阻电机(曲线b)转矩对比示意图；从图中可以明显看出本实施例的同步磁阻电机相比传统同步磁阻电机具有较高的输出转矩，从而证明了所述发明的可行性。
[0050]
虽然本发明已经结合其具体实施方式进行了描述，但是应该理解发明能够进行进一步变型。本技术意图覆盖总体上根据本发明的任何变型、用途或对本发明作出的改变，包括诸如落入本发明所属技术领域内的已知或惯常实践中的那些与这里公开内容不同的方案以及诸如可以应用于前面提出的基本特征的那些方案。
[0051]
因为本发明可以以若干形式实施而不脱离本发明基本特征的精神，所以应该明白，除非具体声明，上面描述的实施方式不是用来限制本发明，而是应该在所附权利要求书中限定的本发明精神和范围内广义理解。所描述的实施方式应该在所有方面都被认为只是解释性的，而不是限制性的。
[0052]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
[0053]
本发明未述及之处适用于现有技术。