一种自起动同步磁阻电机转子和自起动同步磁阻电机的制作方法

1.本发明涉及电机技术领域，具体涉及一种自起动同步磁阻电机转子和自起动同步磁阻电机。


背景技术：

2.自起动同步磁阻电机兼具异步电机和同步磁阻电机的特点，有以下几点基本特征：
3.转子内沿轴向开设空气槽，空气槽称为磁障槽，每两层磁障槽中间形成的铁芯部分，称为导磁通道；
4.磁障槽内全部或部分填充导电非导磁材料(例如铝)，称为导条；
5.转子轴向两端有端环，端环材料与导条材料相同，转子两端的端环与转子槽内的全部或部分导条连接，形成短路回路；
6.自起动同步磁阻电机兼具异步电机无需变频器可直接起动、转子没有磁钢，可靠性高的优点，以及同步磁阻电机稳定运行在同步、高效率、高功率密度的优点。在工业领域，定频电机ie4能效的突破，同时成本更低。
7.磁阻电机利用转子开槽形成dq轴磁阻差异来产生磁阻转矩，但空气槽即磁障
8.不导磁，势必会减少转子磁路空间，不合理的磁障及导磁通道设计会导致转矩输出不足，效率低。
9.对于2极自起动同步磁阻电机，d轴磁路较宽，但q轴磁路由于q轴最外侧填充导体以及转轴孔的存在，导致可利用空间不足。
10.由于现有技术中的自起动同步磁阻电机存在dq轴磁路设计不合理，导致转子主磁路不畅通，会出现提前饱和或局部饱和等技术问题，因此本发明研究设计出一种自起动同步磁阻电机转子和自起动同步磁阻电机。


技术实现要素：

11.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同步磁阻电机存在dq轴磁路设计不合理，导致转子主磁路不畅通，会出现提前饱和或局部饱和的缺陷，从而提供一种自起动同步磁阻电机转子和自起动同步磁阻电机。
12.为了解决上述问题，本发明提供一种自起动同步磁阻电机转子，其包括：
13.转子铁芯，所述转子铁芯上开设有空气槽以形成磁障层；相邻两层所述磁障层之间部分为导磁通道；在d轴上或与d轴平行的方向各所述导磁通道的宽度为wd1，wd2，...，wdn，n≥1，所述d轴上的总磁路宽度为td，每极下转子磁障层数为nb，并有d轴导磁通道宽度在d轴总磁路宽度中的占比为：
14.在一些实施方式中，在q轴上各所述导磁通道的宽度为wq1，wq2，...，wqn，所述q轴上的总磁路宽度为tq，并有q轴导磁通道宽度之和在q轴总磁路宽度中的占比为：
15.在一些实施方式中，q轴导磁通道宽度之和与d轴导磁通道宽度之和的比值为：
16.在一些实施方式中，所述转子铁芯还包括位于其径向内侧的转轴孔，所述td为所述转子铁芯的外圆半径，所述tq为所述转子铁芯的外圆半径减去所述转轴孔的半径。
17.在一些实施方式中，所述转子铁芯的外圆直径为dr，所述转轴孔的直径为d
sft
，并有转轴孔的直径与转子铁芯的外圆比值为：
18.在一些实施方式中，
19.在一些实施方式中，最靠近所述d轴的且与d轴平行的导磁通道为d轴第一层导磁通道，其宽度为w
d1
，且有d轴第1层导磁通道宽度在d轴总磁路宽度中占比为：
20.在一些实施方式中，
21.在一些实施方式中，d轴第1层～第n
b-1层导磁通道的宽度分别为w
d1
，w
d2
……wdnb-1
，d轴第1层～第n
b-1层磁障层的宽度分别为b
d1
，b
d2
……bdnb-1
，并有d轴第2层～第n
b-1层导磁通道与磁障宽度的比值，且|w
dn-b
dn
|≤10mm，w
dn
为第n层导磁通道的宽度，b
dn
为第n层磁障层的宽度。
22.本发明还提供一种自起动同步磁阻电机，其包括前任一项所述的自起动同步磁阻电机转子。
23.本发明提供的一种自起动同步磁阻电机转子和自起动同步磁阻电机具有如下有益效果：
24.1.本发明通过将d轴导磁通道宽度在d轴总磁路宽度中的占比为：能够有效约束d轴导磁通道宽度在d轴总磁路宽度中的占比，保证转子磁路宽度足够，保证转子主磁路畅通，避免提前饱和，同时磁场经过d轴时磁路平滑，避免局部饱和，从而有效提高抗饱和能力，解决了提前饱和或局部饱和的问题；
25.2.本发明还通过将q轴导磁通道宽度之和在q轴总磁路宽度中的占比为：能够有效约束q轴导磁通道宽度在q轴总磁路宽度中的占比，保证转子磁路宽度足够，保证转子主磁路畅通，避免提前饱和，同时磁场经过q轴时磁路平
滑，避免局部饱和，从而有效提高抗饱和能力，解决了提前饱和或局部饱和的问题；
26.3.本发明还通过将q轴导磁通道宽度之和与d轴导磁通道宽度之和的比值为：主磁路经过转子d轴、q轴导磁通道，d/q轴导磁通道宽度相当时，主磁路畅通，主磁路畅通，磁通留过完整主磁路，既要经过d轴也要经过q轴，宽度相同是在有限空间下利用率最高的做法，保证磁路中没有
‘
木桶短板’，抗饱和能力最强，进一步提高了抗饱和能力，解决了提前饱和或局部饱和的问题；
27.4.本发明还通过将d轴第1层导磁通道宽度在d轴总磁路宽度中占比为：能够有效约束d轴第一层导磁通道位置，有效降低转矩脉动；还通过d轴第2层～第n
b-1层导磁通道与磁障宽度的比值，且|w
dn-b
dn
|≤10mm，能够保证定子磁场和转子磁场之间平滑过渡，不会导致磁场突变，不会增大转矩脉动，使得转矩脉动稳定在较低的范围，减小噪声。
附图说明
28.图1为本发明的自起动同步磁阻电机转子的磁障和导磁通道的示意图；
29.图2为本发明的自起动同步磁阻电机转子的d轴磁路导磁通道和磁障层宽度的结构示意图；
30.图3为本发明的自起动同步磁阻电机转子的q轴磁路导磁通道和磁障层宽度的结构示意图；
31.图4为本发明的转子-轴孔/外圆的结构示意图；
32.图5为本发明的主磁路结构示意图；
33.图6为本发明的d/q轴导磁通道占比与最小饱和负载的关系曲线图；
34.图7为本发明的q轴导磁通道与d轴导磁通道比值与最小饱和负载的关系曲线图；
35.图8为本发明的q轴导磁通道与d轴导磁通道比值与转矩脉动的关系曲线图；
36.图9为本发明的导条和端环的结构示意图。
37.附图标记表示为：
38.1、转子铁芯；10、转轴孔；2、磁障层；3、导磁通道；4、导条；5、端环。
具体实施方式
39.如图1-9所示，本发明提供一种自起动同步磁阻电机转子，其包括：
40.转子铁芯1，所述转子铁芯1上开设有空气槽以形成磁障层2，根据所述磁障层2的形状，高导磁率方向为d轴，低导磁率方向为q轴；相邻的两个转子极关于d轴对称，同一极内关于q轴对称；相邻两层所述磁障层2之间部分为导磁通道3；在d轴上或与d轴平行的方向各所述导磁通道3的宽度为wd1，wd2，...，wdn，nb≥n≥1，所述d轴上的总磁路宽度为td，每极下转子磁障层数为nb，并有d轴导磁通道宽度在d轴总磁路宽度中的占比为：
41.本发明通过将d轴导磁通道宽度在d轴总磁路宽度中的占比为：能够有效约束d轴导磁通道宽度在d轴总磁路宽度中的占比，保证转子磁路宽度足够，保证转子主磁路畅通，避免提前饱和，同时磁场经过d轴时磁路平滑，避免局部饱和，从而有效提高抗饱和能力，解决了提前饱和或局部饱和的问题。导磁通道占比越大，抗饱和能力越强；导磁通道宽度增大到一定程度，抗饱和能力增强效果趋于平缓；具体有益效果见图6。
42.1.转子磁障：转子上开设的各层空气槽；
43.2.转子导磁通道：转子各层空气槽之间部分称为导磁通道；
44.3.d轴/q轴：根据空气槽的形状，与空气槽平行的径向方向称为d轴，与空气槽垂直的径向方向称为q轴；
45.4.主磁路：磁通在电机内的有效路径，包括定子轭部、定子齿部、气隙、转子d轴导磁通道、转子q轴导磁通道；
46.5.最小饱和负载：铁芯达到饱和所需要的最小负载，一般认为铁芯磁密达到1.8t即为饱和，最小饱和负载表征电机抗饱和能力，越大抗饱和能力越强。
47.1.本发明通过dq轴磁路的合理设计，保证转子主磁路畅通，避免出现提前饱和或局部饱和，抗饱和能力增强。
48.(1)约束d轴导磁通道宽度在d轴总磁路宽度中的占比；
49.(2)约束q轴导磁通道宽度在q轴总磁路宽度中的占比；
50.(3)约束dq轴导磁通道宽度比值；
51.(4)约束转子轴孔在转子中占比；
52.以上4点均能够保证转子磁路宽度足够，避免提前饱和，同时磁场经过d/q轴磁路平滑，避免局部饱和；
53.2.此外约束d轴各导磁通道与磁障排列位置，可以有效降低转矩脉动。
54.(5)约束d轴导磁通道位置，降低转矩脉动。
55.在一些实施方式中，在q轴上各所述导磁通道3的宽度为wq1，wq2，...，wqn，所述q轴上的总磁路宽度为tq，并有q轴导磁通道宽度之和在q轴总磁路宽度中的占比为：本发明还通过将q轴导磁通道宽度之和在q轴总磁路宽度中的占比为：能够有效约束q轴导磁通道宽度在q轴总磁路宽度中的占比，保证转子磁路宽度足够，保证转子主磁路畅通，避免提前饱和，同时磁场经过q轴时磁路平滑，避免局部饱和，从而有效提高抗饱和能力，解决了提前饱和或局部饱和的问题。
56.在一些实施方式中，q轴导磁通道宽度之和与d轴导磁通道宽度之和的比值为：
本发明还通过将q轴导磁通道宽度之和与d轴导磁通道宽度之和的比值为：主磁路经过转子d轴、q轴导磁通道，d/q轴导磁通道宽度相当时，主磁路畅通，主磁路畅通，磁通留过完整主磁路，既要经过d轴也要经过q轴，宽度相同是在有限空间下利用率最高的做法，保证磁路中没有
‘
木桶短板’，抗饱和能力最强，进一步提高了抗饱和能力，解决了提前饱和或局部饱和的问题。
57.主磁路经过转子d轴、q轴导磁通道，d/q轴导磁通道宽度相当时，主磁路畅通，主磁路畅通，抗饱和能力最强；进一步增加q轴导磁通道，效果趋于平缓；具体有益效果见图7。
58.在一些实施方式中，所述转子铁芯1还包括位于其径向内侧的转轴孔10，所述td为所述转子铁芯1的外圆半径，所述tq为所述转子铁芯1的外圆半径减去所述转轴孔10的半径。
59.在一些实施方式中，所述转子铁芯1的外圆直径为dr，所述转轴孔10的直径为d
sft
，并有转轴孔的直径与转子铁芯1的外圆比值为：本发明还通过能够使得转轴孔不至于过大而导致影响q轴的磁路空间，防止q轴磁路空间狭窄，避免轴径过大将导致q轴导磁通道变窄，影响性能的情况发生。
60.在一些实施方式中，这是本发明的转轴孔直径与外圆直径的比值，能够进一步减小转轴孔的直径，进一步避免轴径过大将导致q轴导磁通道变窄，影响性能的情况发生。
61.以上(1)-(4)点进一步确保转子d/q轴磁路宽度足够且较均匀，磁场经过d/q轴磁路平滑，避免提前饱和。
62.在一些实施方式中，最靠近所述d轴的且与d轴平行的导磁通道为d轴第一层导磁通道，其宽度为w
d1
，且有d轴第1层导磁通道宽度在d轴总磁路宽度中占比为：本发明还通过将d轴第1层导磁通道宽度在d轴总磁路宽度中占比为：能够有效约束d轴第一层导磁通道位置，第一层导磁通道不至于过宽或过窄，保证定子磁场和转子磁场之间平滑过渡，不会导致磁场突变，不会增大转矩脉动，有效降低转矩脉动，减小噪声。
63.在一些实施方式中，这是本发明的第一层导磁通道宽度的进一步优选范围，能够进一步地保证定子磁场和转子磁场之间平滑过渡，不会导致磁场突变，不会增大转矩脉动，有效降低转矩脉动，减小噪声。
64.如图8所示，在一些实施方式中，所有所述磁障层2的层数为1～nb，所述nb为每极下所述转子铁芯1的所有磁障层数；d轴第1层～第n
b-1层导磁通道的宽度分别为w
d1
，w
d2
……wdnb-1
，d轴第1层～第n
b-1层磁障层的宽度分别为b
d1
，b
d2
……bdnb-1
，并有d轴第2层～第n
b-1层导磁通道与磁障宽度的比值，即即每个d轴第n层导磁通道的宽度与第n层磁障层的宽度的比值均在[0.5,2]的范围内，|w
dn-b
dn
|≤10mm，围且wdn为第n层导磁通道的宽度，bdn为第n层磁障层的宽度。
[0065]
本发明还通过d轴第2层～第n
b-1层导磁通道与磁障宽度的比值，且|w
dn-b
dn
|≤10mm，能够保证定子磁场和转子磁场之间平滑过渡，不会导致磁场突变，不会增大转矩脉动，使得转矩脉动稳定在较低的范围，减小噪声。d导磁通道和磁障位置影响定子磁场和转子磁场过渡，不合适的位置会导致磁场突变，增大转矩脉动；具体有益效果见图8。
[0066]
本发明还提供一种自起动同步磁阻电机，其包括前任一项所述的自起动同步磁阻电机转子。
[0067]
本发明所述电机由转子冲片21轴向堆叠而成的转子铁芯2；
[0068]
转子铁芯开设有多组相同的空气槽，空气槽组数为转子极数；
[0069]
部分或全部空气槽内填充有导电不导磁的材料，称为导条3；
[0070]
转子两端放置有导电不导磁材料构成的端环4；
[0071]
全部或部分导条通过端环短接在一起，形成回路；
[0072]
空气槽沿q轴分为多层，根据空气槽的形状，与空气槽平行的径向方向称为d轴，与空气槽垂直的径向方向称为q轴，每极下转子磁障层数为nb；d/q轴存在电角度90度相位差，对于2极电机，电角度与机械角度相同；
[0073]
转子上各层空气槽称为磁障层2，相邻两层空气槽之间部分称为导磁通道3；
[0074]
d轴上各导磁通道宽度为wd1，wd2，...，wdn；q轴上各导磁通道宽度为wq1，wq2，...，wqn；
[0075]
d轴上各磁障层宽度为bd1，bd2，...，bdn；
[0076]
d轴总磁路td为转子外圆半径，q轴总磁路tq为转子半径减去转轴孔半径；
[0077]
转子铁芯内圆称为转轴孔10。
[0078]
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。