一种混合转子外转子同步电机的制作方法

本发明涉及一种混合转子外转子同步电机，属于电机领域问题。

背景技术：

采用稀土材料的内嵌式转子永磁电机凭借高功率密度和转矩密度、高效率、较宽的恒功率运行范围，在诸多领域中获得了广泛应用。但是，稀土永磁体价格昂贵，资源有限，稀土永磁材料的持续供应也是一个突出问题。学术界和工业界对采用少稀土、无稀土永磁和以铁氧体为代表的低成本永磁电机表现出极大兴趣。研究和开发少稀土/无稀土永磁电机具有重要的理论意义和应用价值。

同步磁阻电机在二十世纪九十年代后获得了快速发展，并凭借凸极比大、调速性能优异、效率高、可以不使用或仅使用少量廉价永磁体等优势，展现出巨大的应用前景，被认为是一种极具工业潜力的少稀土/无稀土电机。然而纯同步磁阻电机(转子没有任何励磁)，为了获得较大的电磁转矩，需要定子侧提供较大的励磁电流，导致电机的效率和功率因数较低。为解决此问题，研究人员提出了一种永磁辅助磁阻式同步电机，即将永磁体嵌入转子磁障以提供永磁磁通，提高电机的功率因数和转矩密度。此外，永磁体的引进有助于转子连接桥饱和，进而提高凸极效应(直轴电感与交轴电感数值之差)。为获得较大的凸极率，永磁辅助磁阻同步电机的转子通常设计为多层磁障结构。但是，这种电机仍存在转矩密度和功率因数偏低、大功率情况下磁场饱和严重、d-q轴电感耦合程度高等不足，限制了其工业化应用的推广。因此，有必要对该种电机的转子进行优化改良进而推进该类型电机的应用与推广。

技术实现要素：

发明目的：本发明提供一种混合转子外转子同步电机，其目的在于提出了一种既便于加工制造，又可以增大转子凸极率，从而提高电机转矩密度和优良稳态与动态性能的新型永磁辅助磁阻电机结构。

技术方案：本发明采用以下技术方案：

混合转子外转子同步电机，包括机壳，机壳内侧的转子，永磁辅助笼障转子内侧的定子，定子内侧的转轴，其特征在于：永磁辅助笼障转子置于定子的外侧，通过燕尾槽与机壳相连；转子采用沿轴向叠压而成的永磁辅助笼障转子，并在非导磁层底部添加采用宽度和充磁方向呈正弦变化的分块异向充磁永磁体与靠近气隙宽、靠近转轴窄的不等宽短路笼条；定子上嵌放三相对称定子绕组。

所述永磁辅助笼障转子共有nr个凸极，每个凸极都是由用硅钢片材料沿轴向叠压而成的叠片构成，转子通过燕尾槽与机壳相连。

所述叠片上设有导磁层，相邻两导磁层之间留有非导磁层，并且根据对磁场调制能力的影响选择合适的导磁层与非导磁层之间的宽度比，导磁层之间通过连接筋相连而形成一个整体。

所述永磁辅助磁阻转子的非导磁层采用u形。

所述各u形非导磁层的两侧嵌放不同跨距的短路笼条。

所述短路笼条采用靠近气隙宽、靠近转轴窄的不等宽结构，放置在切向的梯形非导磁层中，短路笼条的端部以永磁辅助笼障转子轴线对称的两根导体连接，形成多组同心环形回路。

所述各u形非导磁层底部根据嵌放采用宽度和充磁方向呈正弦变化的分块异向充磁永磁体。

本发明的有益效果是：

该种电机的转子在轴向叠片磁障结构的基础上，在非导磁层处添加辅助永磁体和短路笼条，在进一步提高电机转矩密度的同时，可有效降低气隙磁场谐波和损耗，提高电机的稳态与动态运行性能；永磁辅助笼障转子硅钢片沿轴向叠压，可以减少转子铁芯中的涡流损耗，提高电机效率；采用u形非导磁层底部所添加宽度和充磁方向呈正弦变化的分块异向充磁排布的永磁体，不仅可以使得靠近气隙处的永磁磁场更为集中，使电机气隙磁通密度分布更加趋近于正弦分布，谐波含量少，磁密分布更加均匀，还可以进一步增强电机转子凸极效应，进而提升电磁转矩输出能力和永磁体利用率；而且永磁体磁场的偏移可以增加转子侧的d-q轴磁场的垂直度，降低磁场局部饱程度；将短路笼条添加在u形非导磁层两侧，不仅可更加规范磁通路径，增强电机转子凸极效应，提高电机磁阻转矩，进而更进一步提高电机转矩密度，而且可以提高电机的动态响应能力；采用外转子结构不需要使用其他固定的措施，在一致的外部物理数据下，外转子构造电机比内转子构造电机可以获得更大的转矩，适合于低速大转矩运行，和机械装置直接连接，传动效率高。该种新型永磁辅助笼障转子具有性能优异、结构新颖、工艺简单、成本低廉、机械强度高、运行可靠、便于产业化等方面的显著优势。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明。

图1为本发明电机的转子结构示意图；

图2为本发明电机的定子结构示意图；

图3为本发明电机的辅助永磁体示意图；

图4为本发明电机的短路笼条示意图；

图5为本发明电机的短路笼条的整体示意范例。

图中：1.机壳、2.永磁辅助笼障转子、3.定子、4.转轴、5.定子绕组、6.永磁体、7.短路笼条、8.导磁层、9.非导磁层、10.燕尾槽、11.连接筋。

具体实施方式：下面结合附图对本发明加以具体描述：

混合转子外转子同步电机，包括机壳(1)，机壳(1)内侧的永磁辅助笼障转子(2)，永磁辅助笼障转子(2)内侧的定子(3)，定子(3)内侧的转轴(4)，其特征在于：永磁辅助笼障转子(2)置于定子(3)的外侧，机壳(1)设置在永磁辅助笼障转子(2)外侧，永磁辅助笼障转子(2)通过燕尾槽与机壳(1)相连；永磁辅助笼障转子(2)采用沿轴向叠压而成的磁障式磁阻转子，永磁辅助笼障转子叠片上设有导磁层(8)，导磁层(8)采用梯形结构，相邻两个导磁层(8)之间留有非导磁层(9)，所述永磁辅助磁阻转子的非导磁层(9)采用u形形状，并在非导磁层的u形底部添加采用宽度和充磁方向呈正弦变化的分块异向充磁永磁体(6)，在两侧的非导磁层(9)嵌放短路笼条(7)；定子(3)上嵌放三相对称定子绕组(5)。

所述永磁辅助笼障转子(2)采用由硅钢片材料沿轴向叠压而制成的叠片，且置于定子(3)外侧，根据对磁场调制能力的影响选择合适的导磁层(5)与非导磁层(6)之间的宽度比，导磁层之间通过连接筋(11)相连而形成一个整体。

各u形非导磁层(9)的两侧嵌放不同跨距的短路笼条(7)。

所述短路笼条(7)采用不等宽结构，即靠近气隙的宽、靠近转轴的窄的不等宽结构，放置在转子轴线两侧的梯形非导磁层中(就是每层上的短路笼条(7)不等宽)，短路笼条(7)的端部以永磁辅助笼障转子(2)轴线两侧对称的导体连接，形成多组同心环形回路。(如图4和5所示，例如，将嵌在同一非导磁层中的短路笼条(7)的上端之间连接且下端之间也连接之后，形成环形回路，内外相邻的非导磁层上的环形回路之间为同心的环形回路)

图1为本发明电机的永磁辅助笼障转子结构示意图，永磁辅助笼障转子2位于定子3外侧，通过燕尾槽10与机壳1相连。所述转子2的叠片由硅钢片沿轴向方向叠压而成，这样可以减小转子2中的涡流损耗，提高电机的效率。

由图1可以看出，转子2是在磁障转子的基础上改变而来。图中以6极电机为例，磁障转子总共设有6个凸极，在凸极表面开有多个梯形槽，在每个梯形槽内嵌放多根导体形成短路笼条7，开设的梯形槽会使转子2上形成若干个导磁层8，开设的梯形槽会使永磁辅助笼障转子2上形成若干个导磁层8，由于导磁层8的宽度对转子耦合能力影响不大，为了便与加工，每个导磁层8的宽度可以相等，并且各导磁层8与非导磁层9之间的宽度比可以相等，此时厚度均匀的导磁层5与非导磁层6便会在6个转子凸极上均匀间隔分布。为使各个间隔分布的导磁层8连接成一个整体，各导磁层8之间通过宽度相等的连接筋11相连，连接筋11应保证足够的机械强度。以磁障转子凸极中线为对称轴，沿轴向方向在永磁辅助笼障转子2上开设多组梯形隔磁层，隔磁层将分别与嵌放短路笼条7的梯形槽组合形成多组u形的非导磁层9，从而也形成了多组u形导磁层8。

图2为本发明电机的定子结构示意图，定子3放置于转子2内侧，与转轴4相连。定子3外表面均匀开槽，槽内嵌放三相对称定子绕组5，每个槽内嵌放多层绕组，每层绕组之间相互绝缘。定子绕组5均采用短距分布绕组，以便改善电机电动势与磁动势的波形，减小谐波含量，降低输出电压与电流的畸变率。

图3为本发明电机的辅助永磁体示意图，嵌放在同一转子凸极u形非导磁层底部的永磁体6由于非导磁层厚度的限制，厚度确定但可以宽度不等，且以转子凸极中线为对称轴。永磁体6应与非导磁层9过盈配合，以防止电机旋转过程中，将永磁体甩出。将永磁体6嵌放在各u形非导磁层9底部，嵌放后形成的永磁辅助磁阻电机的转矩表达式如公式(1)所示，通过公式可知，添加的辅助永磁体6会增加电机的永磁转矩，从而提高电机的转矩密度。永磁体6采用宽度和充磁方向呈正弦变化的排布方式，即将永磁体分成宽度不等的永磁体块，各块永磁体充磁方向根据所产生正弦磁场需要的方向充磁，其目的是使得靠近气隙处的永磁磁场更为集中，提高电机的凸极率，进而提升电磁转矩输出能力和永磁利用率；同时，不同充磁方向、不同宽度的永磁体可以使电机气隙磁通密度分布更加接近正弦，另外，永磁体磁场的偏移也可以增加转子侧的d-q轴磁场的垂直度，降低磁场局部饱程度，而且靠近非导磁层边缘的永磁体6具有更强的抗去磁能力。

式中，p为电机极对数，ψf为永磁体产生的磁链，ld与lq分别为定子直、交轴电感，α为电流矢量is与d轴夹角。

图4为本发明电机的短路笼条安装示意图，嵌放在各u形非导磁层9两侧的短路笼条7通过端部连接成环形回路，环形回路组数应小于或等于非导磁层数，即非导磁层9中可以部分或全部嵌放短路笼条7。嵌放的短路笼条7可以增加转子的交轴磁阻，减小转子的直轴磁阻，从而更加规范电机转子中的磁通路径，提高电机转子凸极率，提升电机的磁阻转矩。同时，所添加的短路笼条7类似于永磁电机的阻尼笼，加入笼条后，电机带载能力提高、输出转矩增加、转矩脉动减小、动态特性得以改善，电机的运行性能得到显著提高。非导磁层9中靠近气隙的非导磁层宽度大于或者等于靠近转轴的非导磁层宽度，即使轴线两侧的非导磁层形成梯形的槽型，其目的是为了使感应电流的集肤效应造成的短路笼条7中电流分布不均匀的影响减小；非导磁层9内的笼条层数可以为单层或者多层，各层之间、笼条与转子之间均相互绝缘，笼条通过端部连接在一起形成回路，其目的是降低笼条中感应电流的集肤效应的影响，减小电机的损耗，提高效率，同时可以改善电机气隙磁密分布，使气隙更加趋近于正弦，进一步提高永磁辅助笼障电机转子的耦合能力。

综上所述，发明提出的外转子永磁辅助笼障结构能够显著增强转子的耦合能力，不仅可以提高电机的转矩密度，增强电机的稳态与动态特性，而且具有结构新颖，成本低廉，便于产业化等优点。