一种永磁辅助式无轴承同步磁阻电机的转子结构的制作方法

本发明属于电机制造及控制领域，涉及永磁辅助式无轴承同步磁阻电机，具体是能够降低转矩和悬浮力脉动的永磁辅助式无轴承同步磁阻电机的转子结构。

背景技术：

无轴承电机是一种结构和原理均新颖独特的交流电机，其定子转矩绕组中叠入极对数相差1的悬浮力绕组，通过控制通入这两套绕组的电流可同时产生电磁转矩和径向悬浮力。同步磁阻电机具有动态响应快、结构简单、成本低等优点，在工业应用中受到越来越广泛的关注。而无轴承同步磁阻电机兼备磁轴承与同步磁阻电机的优点，能够最大限度地利用磁阻转矩。日本的a.chiba等人设计的凸极式转子无轴承同步磁阻电机具有结构简单、造价低廉、易实现高速或超高速运行等优势，但凸极式转子无轴承同步磁阻电机的凸极比(交轴电感与直轴电感之比)较低，造成电机功率因数、转矩密度和效率偏低，限制了其使用范围。日本的m.takemoto等人设计的无轴承同步磁阻电机采用多层磁障式转子，提高了无轴承同步磁阻电机的凸极比，但其转矩密度偏低的缺陷并未得到改善。在无轴承同步磁阻电机的磁障转子中注入永磁体形成的新型永磁辅助式无轴承同步磁阻电机，具有功率因数、转矩密度和效率均较高的优点，并且具备较宽的弱磁调速能力，进一步拓宽了无轴承同步磁阻电机的应用范围。

中国专利申请号为cn201621414659.2的文献中公开了一种永磁辅助式无轴承同步磁阻电机，磁障采用圆弧形，沿d轴对称分布，每个磁障中间设置一个永磁体安装槽，永磁体嵌于永磁体安装槽内。解决了传统无轴承同步磁阻电机凸极比偏低导致的电机功率因数低的问题，以及传统无轴承同步磁阻电机转子中不含有永磁体导致的转矩密度偏低的问题。然而，由于转子磁障中永磁体的添加，由定子磁动势与转子磁动势的谐波相互作用产生的转矩脉动与悬浮力脉动问题更加严重，对电机的稳定运行会产生不利的影响。m.victor等人利用有限元方法分析了转子斜极、定子绕组短距以及转子不对称磁障对无轴承同步磁阻电机的转矩和悬浮力脉动的抑制作用。但是，这个方法加大了设计者的工作量，且对转子悬浮性能有一定的影响。

因此，在选取合适的永磁体材料的同时，如何设计电机的转子结构以获得高转矩密度、高功率密度的永磁辅助式无轴承同步磁阻电机已成为当前无轴承同步磁阻电机进一步发展的关键问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种永磁辅助式无轴承同步磁阻电机的转子结构，以解决现有永磁辅助式无轴承同步磁阻电机在运行过程中转矩和悬浮力脉动较大的难题，提高电机控制精度，从而实现电机转子的稳定悬浮及高效运行，更好的应用于电气传动系统。

本发明所述的一种永磁辅助式无轴承同步磁阻电机的转子结构采用的技术方案：其中心同轴套有转轴，其上沿圆周向方向均匀对称设置有四组磁障，每组磁障由内到外分为内层、中间层和外层磁障，每层磁障包括一个矩形永磁体安装槽、关于永磁体安装槽直径方向的中心线对称分布的两个隔磁桥以及介于永磁体安装槽与隔磁桥之间的两个肋部，每层磁障中的永磁体安装槽中固定嵌入一块永磁体，永磁体沿其径向的中心线方向平行充磁，相邻两组永磁体的充磁方向相反；每个隔磁桥的径向轮廓线包括隔磁桥外边界线、隔磁桥内边界线和隔磁桥端部，隔磁桥端部两端分别连接隔磁桥外边界线和隔磁桥内边界线，隔磁桥中线将隔磁桥的径向轮廓线均分为内外两侧半个轮廓线，隔磁桥外边界线、隔磁桥内边界线和隔磁桥中线均是二次函数曲线段，隔磁桥端部由两条bezier三次曲线组成。

所述的永磁体沿直径方向的中心线方向为y轴方向，x轴方向是相邻一组磁障中的永磁体的中心线方向，每层磁障中的两个隔磁桥由于关于x轴或y轴对称分布，沿直径方向的每组磁障中的两层永磁体之间的间距相同；所述的隔磁桥中线为二次函数曲线pft1上的曲线段，二次函数曲线pft1的顶点p2与y轴之间的垂直距离为d1/2+rib，d1是该层磁障中的永磁体的切向长度，rib是该层磁障中的肋部的切向宽度，顶点p2与x轴之间的垂直距离为w1/2+s，s是该层永磁体的内侧表面中心距离转轴的中心o的径向距离，w1是该层永磁体3的径向厚度，经过顶点p2且与y轴相平行的轴是二次函数曲线pft1的对称轴yl1，对称轴yl1与x轴相垂直；二次函数曲线pft1的终点p1在与x轴的夹角为α1的径向上，终点p1与转轴中心o的距离为半径rfx，rfx＝r-1，r是转子的半径，终点p1关于二次函数曲线pft1对称轴yl1的对称点是点p1s；内层磁障的隔磁桥中线(21)的终点与x轴的夹角为α1，中间层磁障的隔磁桥中线的终点与x轴的夹角为α2，外层磁障的隔磁桥中线的终点与x轴的夹角为α3，且满足α3>α2>α1。

隔磁桥外边界线的起点p2h、隔磁桥内边界线的起点p2l与y轴之间的垂直距离和隔磁桥中线起点p2与y轴之间的垂直距离相同，均为d1/2+rib2，均位于二次函数曲线对称轴yl1上，起点p2h与x轴之间的垂直距离为w1+s，起点p2l与x轴之间的垂直距离为s，隔磁桥外边界线的终点p1h与x轴之间距离和隔磁桥中线的终点p1与x轴之间距离相同，隔磁桥内边界线的终点p1l与y轴之间距离和隔磁桥中线终点p1与y轴之间的垂直距离相同。

直隔磁桥外边界的延长线为直线btl，直线btl经过终点p1h，隔磁桥内边界的延长线为直线bll，直线btl上选择一个离隔磁桥外边界的终点p1h距离为s1p的点sh1；在直线bll上选择一个离隔磁桥内边界的终点p1l距离为s1p的点sl1；直线btl与x轴正方向的夹角为0～45°，直线bel与直线btl、直线bll相交并经过隔磁桥中线的终点p1，且与x轴负方向的夹角为0～30°，在直线bel上的终点p1的两侧，各选择一个距离终点p1为s2p的点，隔磁桥端部的外侧半个轮廓线是经过四个点p1h、sh1、sh2、p1的bezier三次曲线，隔磁桥端部的内侧半个轮廓线是经过四个点p1l、sl1、sl2、p1的bezier三次曲线。

本发明的优点在于：

1、本发明改进了转子上传统直线形和圆弧形磁障结构，隔磁桥形状由数学表达式确定，使其更加准确，减少了设计者的工作量。

2、本发明中隔磁桥边界线由二次函数曲线和贝塞尔曲线组成，不再是由单一的一种曲线组成，使隔磁桥形状变化自由度更大，有效降低转矩和悬浮力脉动。

3、本发明中隔磁桥边界线由数学表达式确定，从而可以从数值分析的角度分析出隔磁桥形状与转子磁动势、定子磁动势的关系，从而推导出隔磁桥形状与转矩脉动与悬浮力脉动的关系。通过改善或改变电机的结构来优化电机的磁场分布，从而降低引起转矩脉动和悬浮力脉动的主要谐波，使电机能够在高速运行下稳定运行。

4、本发明转子中的永磁体用量由内到外逐层递减，可以实现在永磁体用量较少的情况下，获得较高的转矩密度，高速运行时较容易实现弱磁，恒功率调速范围很宽。

附图说明

图1为永磁辅助式无轴承同步磁阻电机的径向剖面示意图；

图2为图1所示电机的轴向剖面示意图；

图3为图2中所示转子的其中一极结构放大示意图；

图4为图3中内层磁障结构放大示意图；

图5为图4中隔磁桥边界线设计结构放大示意图；

图6为图4中隔磁桥端部设计结构放大示意图。

图中：1.定子；2.转子；3.永磁体；4.永磁体安装槽；5.隔磁桥；6.转轴；7.定子齿；8.定子槽；9.定子轭；10.定子转矩绕组；11.悬浮力绕组；12.肋部；13.光电编码器；14.电涡流传感器；15.机壳；16.调心球轴承；17.辅助轴承；18.内螺纹冷却管；19.左端盖；20.右端盖；21.右侧隔磁桥中线；22.右侧隔磁桥外边界线；23.右侧隔磁桥内边界线；24.右侧隔磁桥端部；

具体实施方式

参见图1，永磁辅助式无轴承同步磁阻电机包括定子1、转子2和转轴6，转子2同轴位于定子1内部，转子2的中心同轴套有转轴6，在转子2中心开槽用于安放转轴6。定子1有双层绕组，外层绕组为转矩绕组10，内层绕组为悬浮力绕组11。定子1的内壁和转子2的外壁之间具有气隙，气隙的厚度与电机的功率等级、所选取的永磁材料以及定子1、转子2加工和装配工艺有关。机壳15用于固定定子1、左端盖19和右端盖20，左端盖19用于固定调心球轴承14，右端盖20用于固定辅助轴承17。调心球轴承16使电机转轴一端在轴向固定，而在径向二自由度内灵活运动，辅助轴承17是用来避免电机悬浮或静止过程中造成的碰撞。光电编码器13和电涡流传感器14分别安装在转轴6的左右两端用来检测电机转速和径向位移。

参见图2，定子1和转子2都由0.35mm厚度的硅钢片叠压而成，叠压系数为0.95，转轴6由不导磁材料组成。转子2沿其圆周向方向均匀对称设置有四组磁障，每组磁障由内到外分为三层，即内层磁障、中间层磁障和外层磁障。每层磁障包括一个矩形永磁体安装槽4、关于永磁体安装槽4直径方向的中心线对称分布的两个隔磁桥5以及介于永磁体安装槽4与隔磁桥5之间的两个肋部12。每层磁障中的永磁体安装槽4中固定嵌入一块永磁体3，永磁体3的大小与永磁体安装槽4的大小相同。所述永磁体3采用铁氧体永磁体，永磁体3为四组，永磁体3沿其径向的中心线方向平行充磁，相邻两组永磁体3的充磁方向相反。在每个隔磁桥5处填入环氧树脂基复合材料以增强转子2强度。每层磁障中的永磁体安装槽4和隔磁桥5之间是肋部12。

参见图3，肋部12的切向宽度rib是永磁体安装槽4和隔磁桥5之间的距离，肋部12的切向宽度rib是比较重要的设计参数。切向宽度rib越大，磁阻越小，交轴电感越大，交直轴电感之差和凸极比均减小，磁阻转矩和功率因数也就越小；反之，若宽度rib较小，将导致转子2机械强度下降，不能适应高速场合的运行，加工工艺要求和成本也会相应增加。因此，考虑到转子2在高速运行状态下所需要的机械强度以及转子2加工工艺的难易程度，选取宽度rib为1mm。

以图3中的其中一组磁障结构为例，永磁体3沿直径方向的中心线方向为y轴方向，则x轴方向是相邻一组磁障中的永磁体3的中心线方向。沿直径方向，每组磁障中的两层永磁体3之间的间距h相同。

内层磁障中的永磁体3的径向厚度为w1，切向长度为d1，中间层磁障中的永磁体3的径向厚度为w2，切向长度为d2，外层磁障中的永磁体3的径向厚度为w3，切向长度为d3，内层磁障中的永磁体3内侧表面中心距离转轴6的中心o的径向距离为s，转子2的半径为r。转子2中嵌入永磁体3对电机及系统性能的提高是十分有利的，但主要的问题是永磁体3的用量多少合适，永磁体3用量过小，辅助的意义及对性能的贡献有限，永磁体3用量过大，对于低速的转矩能力有利，但对于高速运行及恒功率运行能力则是不利的，因此，永磁磁链设计对于充分发挥永磁辅助式无轴承同步磁阻电机的综合性能优势是非常重要的。为保证无轴承电机在高速运行时的稳定性，降低电机制造成本，在设计永磁体3的大小时，应在保证转矩能力的情况下，减少永磁体的用量。因此，三层磁障中的永磁体3，其径向厚度以及切向长度沿转子2的径向方向由内到外递减，即：d3<d2<0.75d1、w3<w2<w1。

每层磁障中的两个隔磁桥5由于关于x轴或y轴对称分布，即关于永磁体3沿直径方向的中心线对称分布，以其中一个隔磁桥5为例：参见图4所示的内层磁障，每个隔磁桥5的径向轮廓线包括隔磁桥外边界线22、隔磁桥内边界线23和隔磁桥端部24，隔磁桥端部24两端分别连接隔磁桥外边界线22和隔磁桥内边界线23，隔磁桥中线21将隔磁桥5的径向轮廓线均分为内外两侧半个轮廓线。

再结合图5，隔磁桥中线21为二次函数曲线pft1上的曲线段，二次函数曲线pft1的顶点p2与y轴之间的垂直距离为d1/2+rib，rib是该层肋部12的切向宽度。顶点p2与x轴之间的垂直距离为w1/2+s，s是该层永磁体3的内侧表面中心距离转轴6的中心o的径向距离，w1是该层永磁体3的径向厚度。经过顶点p2且与y轴相平行的轴是二次函数曲线pft1的对称轴yl1，对称轴yl1与x轴相垂直。

在与x轴的夹角为α1的径向上确定隔磁桥中线21的终点p1，终点p1与转轴6中心o的距离为恒定的预设半径rfx，rfx＝r-1，r是转子2的半径。终点p1关于二次函数曲线pft1对称轴yl1的对称点是点p1s，因此，点p1、点p1s与x轴之间的垂直距离为rfx*sinα1，点p1与y轴之间的垂直距离为rfx*cosα1，点p1s与y轴之间的距离为rfx*cosα1-(d1/2+rib)。由点p1、p2、p1s确定二次函数曲线pft1，二次函数曲线pft1的函数表达式y(x)为：

y(x)＝c0+c1·x+c2·x²，

上式中，x为曲线上各点与y轴之间的垂直距离，y(x)为曲线上各点与x轴之间的垂直距离，x、y(x)代表变量。将点p1、p1s、p2与x轴、y轴之间的距离代入上式，即可求得c0、c1、c2均为常数。c0为二次函数表达式中的常数项，c1为二次函数表达式中变量x的一次项系数，c2为二次函数表达式中变量x的二次项系数。

由此，隔磁桥中线21为二次函数曲线pft1上起始于点p2、终止于终点p1的二次函数曲线段，由此可获得隔磁桥外边界线22的二次函数曲线表达式y1(x)与隔磁桥内边界线23的二次函数曲线表达式y2(x)分别为：

上式中，x为曲线上各点与y轴之间的垂直距离，y1(x)为隔磁桥外边界线上各点与x轴之间的垂直距离，y2(x)为隔磁桥内边界线上各点与x轴之间的垂直距离，x、y1(x)、y2(x)代表变量。c0、c1、c2均与常数，与二次函数曲线pft1函数表达式y(x)中的含义及数值保持一致。

隔磁桥外边界线22的起点p2h、隔磁桥内边界线23的起点p2l与y轴之间的垂直距离和隔磁桥中线21起点p2与y轴之间的垂直距离相同，均为d1/2+rib2。均位于二次函数曲线对称轴yl1上，起点p2h与x轴之间的垂直距离为w1+s，起点p2l与x轴之间的垂直距离为s。隔磁桥外边界线22的终点p1h与x轴之间距离和隔磁桥中线21的终点p1与x轴之间距离相同，由上述公式可以计算出终点p1h与y轴之间的垂直距离，公式中，c0、c1、c2、w1为常数，已知终点p1h与x轴之间的垂直距离，代入公式，即可求出终点p1h与y轴之间的距离。隔磁桥内边界线23的终点p1l与y轴之间距离和隔磁桥中线21终点p1与y轴之间的垂直距离相同，由上述公式计算出终点p1l与x轴之间的垂直距离，公式中，c0、c1、c2、w1为常数，已知终点p1l与y轴之间的垂直距离，代入公式，即可求出终点p1l与x轴之间的距离。因此，隔磁桥外边界线22为式所确定的二次函数曲线上起始于点p2h、终止于点p1h的二次函数曲线段，隔磁桥内边界线23为式所确定的二次函数曲线上起始于点p2l、终止于点p1l的二次函数曲线段，由此得到该隔磁桥5的结构。同一层磁障中的另一个隔磁桥5与该隔磁桥5关于y轴对称分布。其余层磁障中的隔磁桥5的结构获得方法与图5所示的结构雷同。

中间层磁障的隔磁桥中线的终点与x轴的夹角为α2，外层磁障的隔磁桥中线的终点与x轴的夹角为α3，且满足α3>α2>α1。

参见图6，隔磁桥端部24由两条bezier(贝塞尔)三次曲线组成。直线btl、bll和直线bel是设计过程中所需的辅助线。隔磁桥外边界22的延长线为直线btl，直线btl经过终点p1h，隔磁桥内边界23的延长线为直线bll。在直线btl上，选择一个离隔磁桥外边界22的终点p1h距离为s1p的点sh1。同理，在直线bll上，也选择一个离隔磁桥内边界23的终点p1l距离为s1p的点sl1。

直线btl与x轴正方向的夹角为δ，角度δ的取值范围为0～45°，具体取值可根据实际情况合理选取和设计。直线bel经过隔磁桥中线21的终点p1，且与直线btl和直线bll相交，且与x轴负方向的夹角为β，角度β的取值范围为0～30°，具体取值可根据实际情况合理选取和设计。在直线bel上，在终点p1的两侧，各选择一个距离终点p1为s2p的点，分别是靠近隔磁桥外边界22一侧的点sh2以及靠近隔磁桥内边界23一侧的点sl2。

隔磁桥端部24的外侧半个轮廓线经过平面中上述的四个点p1h、sh1、sh2、p1，由平面中的四个点p1h、sh1、sh2、p1得出bezier三次曲线，bezier三次曲线由平面中的四个点即可确定，是工程应用中常用的一种参数曲线，通过绘图软件可以画出来，是一种智能化的矢量线条。该bezier三次曲线起始于终点p1h走向点sh1，然后经过点sh2后来到点p1。点sh1、点sh2以及角度β为曲线提供方向资讯，终点p1h和点sh1之间的距离s1p，决定了曲线在趋进sh2之前，走向sh1方向的长度有多长，最终曲线终止于点终p1。隔磁桥端部24的内侧半个轮廓线与外侧半个轮廓线的结构类似，内侧半个轮廓线的bezier三次曲线由经过平面中的四个点p1l、sl1、sl2、p1得出。由此得出整个隔磁桥端部24。同理，其余层磁障中的隔磁桥端部24的结构均类似。

本发明在制造时，首先确定电机的设计参数，通过有限元法选取各设计参数的取值范围。然后，对各参数进行灵敏度分析，在灵敏度分析时需要对各个目标进行权重分配，转矩脉动和悬浮力脉动的权重为0.4，功率因数为0.2，对各参数进行灵敏度分析后，对灵敏度较低的参数直接由有限元法得到，灵敏度中等的参数采用响应面发进行优化，灵敏度较高的参数采用遗传算法进行优化。优化完成后，选取综合最优解，对比优化前后的电磁性能和悬浮性能，确定最终参数，制造出电机，能降低转矩脉动和悬浮力脉动。