一種表嵌式永磁偏置型同步磁阻電機
1.本發明屬于永磁電機領域，具體涉及一種表嵌式永磁偏置型同步磁阻電機。
背景技術：
2.隨著現在電動汽車的推廣和發展，內置式永磁同步電機因其高功率密度、高效率以及更好的控制精度等優勢被廣泛應用于電動汽車中，但永磁電機中使用的稀土永磁材料價格昂貴，使得其造價成本過高，不利于電動汽車的推廣和發展，因此提高永磁利用率至關重要。傳統內置式電機能夠提供較高的磁阻轉矩，但相對傳統表面式永磁電機，其永磁轉矩相對較低，且其轉子通常采用對稱的結構，永磁轉矩和磁阻轉矩的d軸相差大致45度電角度，導致兩者的利用率下降，限制了電機整體的功率密度。為此，一類磁軸偏移永磁電機被提出，此類電機可以令永磁轉矩與磁阻轉矩的d軸差角減小，從而實現轉矩密度的提升。目前，具有磁軸偏移效應的電機的永磁利用率相對較低，永磁轉矩峰值相對較低，并且，為了彌補偏移過程中轉矩峰值的下降，此類電機的拓撲結構日益復雜，提升了電機的設計分析與制造難度。
技術實現要素：
3.針對現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種表嵌式永磁偏置型同步磁阻電機，解決了現有技術中傳統內置式永磁電機轉矩分量利用率不高缺陷，以及現有磁軸偏移電機轉矩分量峰值不足問題。
4.本發明的目的可以通過以下技術方案實現：
5.一種表嵌式永磁偏置型同步磁阻電機，包括中間部分隔有氣隙的定子鐵心和內側的表嵌式永磁偏置型同步磁阻轉子，所述定子鐵心上設置有三相電樞繞組，以及被所述表嵌式永磁偏置型同步磁阻轉子環繞且位于電機中軸線的轉軸。所述定子鐵心包括定子齒、定子軛以及相鄰所述定子齒之間形成的定子槽。所述表嵌式永磁偏置型同步磁阻轉子包括表嵌式永磁體、轉子軛、轉子齒以及由三層u形磁障構成的非對稱磁阻單元。
6.進一步地，所述表嵌式永磁偏置型同步磁阻轉子的所述表嵌式永磁體嵌于轉子外周并均勻分布，且其中所述表嵌式永磁體的軸線與定義的電機d軸之間存在角度α。
7.進一步地，所述表嵌式永磁體采用徑向充磁，且相鄰所述表嵌式永磁體的充磁方向相反。
8.進一步地，所述表嵌式永磁偏置型同步磁阻轉子的所述非對稱磁阻單元由三層非對稱的u形空氣槽結構組成，所述非對稱磁阻單元一側靠近所述表嵌式永磁體內側，另一側靠近轉子外徑。
9.進一步地，所述表嵌式永磁偏置型同步磁阻轉子的所述轉子軛介于所述非對稱磁阻單元與所述轉軸之間，所述表嵌式永磁偏置型同步磁阻轉子的所述轉子齒介于相鄰的所述非對稱磁阻單元與所述表嵌式永磁體之間。
10.進一步地，所述表嵌式永磁體與所述非對稱磁阻單元成組分布，數量為轉子極對
數的兩倍。
11.進一步地，所述三相電樞繞組為雙層分布繞組，穿過所述定子槽纏繞在所述定子齒上。
12.本發明的有益效果：
13.1、本發明可以基于具有高永磁轉矩的表嵌式永磁電機，結合多層同步磁阻結構，進一步拓展電機的磁阻轉矩峰值，為電機的弱磁調速提供進一步的優勢。同時，所提出電機的永磁數量相較于傳統永磁輔助同步磁阻電機而言大幅度減少，永磁的裝配所需時間大幅減少，有利電機生產效率的提升。
14.2、傳統對稱電機兩轉矩分量的最大值對應的電流角相差45度電角度，而本發明在一定永磁體用量的前提下，運用永磁體的完全偏置設計以及多層磁阻結構不對稱分布的輔助作用，使得永磁轉矩和磁阻轉矩分量可以在相近的電流角下達到最大值，提高轉矩分量利用率，提升轉矩輸出能力。
15.3、由于永磁體的完全偏置，所述電機轉子的每塊永磁體中大部分永磁磁通僅通過非對稱磁阻單元提供的磁路，永磁磁通僅通過一塊永磁對應磁阻，減少了永磁磁通的削弱，有利于提升永磁體的利用率。
附圖說明
16.為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
17.圖1是本發明實施例的電機橫截面結構示意圖；
18.圖2是本發明實施例的電機空載磁力線分布及永磁d軸與磁阻d軸示意圖；
19.圖3是本發明實施例的電機轉矩分離圖。
20.附圖標記：1、定子鐵心；11、定子齒；12、定子軛；13、定子槽；2、表嵌式永磁偏置型同步磁阻轉子；21、表嵌式永磁體；22、轉子軛；23、轉子齒；24、非對稱磁阻單元；3、三相電樞繞組；4、轉軸。
具體實施方式
21.下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本發明保護的范圍。
22.在本發明的描述中，需要理解的是，術語“開孔”、“上”、“下”、“厚度”、“頂”、“中”、“長度”、“內”、“四周”等指示方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的組件或元件必須具有特定的方位，以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。
23.如圖1-2所示，本本發明提供的一種實施例，一種表嵌式永磁偏置型同步磁阻電機，包括中間部分隔有氣隙的定子鐵心1，設置于定子鐵心1內側中間的表嵌式永磁偏置型同步磁阻轉子2，設置于定子鐵心1上的三相電樞繞組3以及被表嵌式永磁偏置型同步磁阻
轉子2環繞且位于電機中軸線的轉軸4。
24.定子鐵心1包括定子齒11、定子軛12以及相鄰定子齒11形成的定子槽13；定子齒11一端靠近表嵌式永磁偏置型同步磁阻轉子2，定子齒11遠離表嵌式永磁偏置型同步磁阻轉子2的一端與定子軛12相連接，相鄰定子齒11之間形成定子槽13，且定子齒11與定子槽13繞定子中心軸線均勻分布；三相電樞繞組3為雙層分布繞組，穿過定子槽13纏繞在定子齒11上。
25.表嵌式永磁偏置型同步磁阻轉子2包括表嵌式永磁體21、轉子軛22、轉子齒23以及由三層u形磁障構成的非對稱磁阻單元24。
26.表嵌式永磁偏置型同步磁阻轉子2的表嵌式永磁體21嵌于轉子外周并均勻分布，且其中表嵌式永磁體21的軸線與定義的電機d軸之間存在角度α，這樣的設置，能夠實現永磁磁軸的偏移，極大程度的令永磁轉矩峰值對應的電流角向磁阻轉矩峰值對應的電流角靠近。表嵌式永磁體21采用徑向充磁，且相鄰表嵌式永磁體21的充磁方向相反。
27.表嵌式永磁偏置型同步磁阻轉子2的非對稱磁阻單元24由三層非對稱的u形空氣槽結構組成，非對稱磁阻單元24一側靠近表嵌式永磁體21內側，另一側靠近轉子外徑。非對稱磁阻單元24的中軸線與定義的電機d軸無明顯偏移，具有傳統多層同步磁阻電機高磁阻轉矩的優勢，且其近永磁內側的空氣槽較窄，可以有效保障永磁磁通的利用率。
28.表嵌式永磁偏置型同步磁阻轉子2的轉子軛22介于非對稱磁阻單元24與轉軸4之間，表嵌式永磁偏置型同步磁阻轉子2的轉子齒23介于相鄰的非對稱磁阻單元24與表嵌式永磁體21之間。表嵌式永磁體21非對稱偏置設置使得轉子齒23同樣不對稱，使得磁阻磁軸與傳統對稱磁阻磁軸之間存在角度β，實現了磁阻磁軸的偏移，對于磁阻轉矩峰值對應的電流角起到了一定的調節作用。
29.轉軸4被表嵌式永磁偏置型同步磁阻轉子2圍繞并貫穿于電機中心。
30.在本實施案例中，表嵌式永磁體21的數量均為四塊，相應的，非對稱磁阻單元24的數量為四個，采用的永磁體為釹鐵硼永磁，定子槽13的數量為二十七個，三相電樞繞組3為雙層分布式設計。
31.發明原理：
32.本發明為了使得永磁轉矩峰值和磁阻轉矩峰值對應的電流角重合，通過表嵌式永磁體21的偏置使得永磁磁軸，即永磁轉矩對應的d軸，朝著磁阻磁軸，即磁阻轉矩對應的d軸的方向移動，從而實現電機永磁轉矩、磁阻轉矩利用率以及總轉矩峰值的提升。
33.表嵌式永磁體21與非對稱磁阻單元24成組分布，數量為轉子極對數pr的兩倍。
34.理論上，當轉子極對數pr與偏移角度α滿足：
35.pr
×
(α-β)＝45
°
36.電機永磁轉矩峰值、磁阻轉矩峰值在同一電流角下取得。
37.結合圖2和圖3，本實施例的表嵌式永磁偏置型同步磁阻電機的運行原理如下：
38.永磁磁場可以分為兩個部分，第一部分永磁磁通的磁路由表嵌式永磁體21的n極依次到達氣隙、定子齒11、定子軛12、定子齒11、氣隙、表嵌式永磁體21的s極，再通過轉子軛22回到表嵌式永磁體21的n極形成閉合通路；第二部分永磁磁通的磁路由表嵌式永磁體的n極依次到達氣隙、定子齒11、定子軛12、定子齒11、氣隙，再通過非對稱磁阻單元24提供的磁路回到初始表嵌式永磁體21的n極形成閉合通路。由于轉子旋轉，上述磁路會隨轉子旋轉；
同時定子通入三相電流能夠形成與轉子相等轉速的旋轉磁場，定、轉子磁場的相互作用產生永磁轉矩，推動轉子恒定旋轉。同時，對于磁阻部分，由于所設計的非對稱磁阻單元24的存在，極大程度增加了轉子交、直軸磁路的差異性，導致交直軸電感差值較大，從而產生磁阻轉矩。
39.在傳統對稱永磁電機理論中，永磁轉矩與磁阻轉矩的大小均隨著電流角的改變成正弦變化，且電流角為0
°
時取得永磁轉矩峰值，電流角為45
°
時取得磁阻轉矩峰值。本發明通過表嵌式永磁體21在轉子外周的完全偏置以及多層非對稱磁阻單元24的不對稱設計實現上述取得兩峰值轉矩時對應電流角的靠近，實現轉矩利用率的提升以及總轉矩的提高。
40.相較于傳統的表嵌式永磁電機，本發明電機中增設的非對稱磁阻單元24僅僅基于開槽處理，顯著增加了磁阻轉矩分量峰值。同時所提出電機的永磁數量相較于傳統永磁輔助同步磁阻電機而言大幅度減少，永磁的裝配所需時間大幅減少，有利電機生產效率的提升。
41.本發明中通過表嵌式永磁體的完全偏置使得永磁磁軸向逆時針方向偏移，與磁阻磁軸靠近，請結合圖2，其中，lpm1表示原永磁中軸即所定義的電機d軸，lpm2表示表嵌式永磁體中軸線，lpmrel表示實際的永磁中軸線，即偏移后實際的永磁磁軸，α為永磁中軸線理論上的偏移角度，lr1為原磁阻磁軸，lr2為偏移后的磁阻磁軸，β為磁阻磁軸理論上的偏移角度，本發明能夠在相同永磁體用量的情況下輸出更大的轉矩，如圖3所示。
42.在本說明書的描述中，參考術語“一個實施例”、“示例”、“具體示例”等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特征、結構、材料或者特點包含于本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。
43.以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特征和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和范圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明范圍內。
