一种同步磁阻电机

发电;变电;配电装置的制造技术：1.本实用新型涉及电机技术领域，更具体说涉及一种具有曲线磁障结构的同步磁阻电机。背景技术：2.同步磁阻电机与直流电机相比，同步磁阻电机无需换向器与电刷，简化了电机结构，运行可靠性高，维修率低；同步磁阻电机与感应电机相比，同步磁阻电机省去了转子上的鼠笼条和励磁绕组，避免了转子上的铁耗，效率得到提升，节省了转子制造成本；同步磁阻电机与永磁同步电机相比，同步磁阻电机无需永磁体，不适用稀土元素，仅使用磁阻性质的转矩作为电机转矩，极大缩减了电机制造成本。在全球能源危机背景下，同步磁阻电机因其高功率密度、结构简单、低成本、低维修率获得广泛关注。3.同步磁阻电机的d轴磁阻小，磁通易于流通，q轴是高磁阻方向磁通不易流通。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转矩，并且磁阻转矩的大小与d轴和q轴电感值比有关。d轴电感与q轴电感差距越大，同步磁阻电机的磁阻转矩越大；d轴电感与q轴电感差距越小，同步磁阻电机的磁阻转矩越小。为了增加dq轴的电感差值，同步磁阻电机在转子上冲压出多层磁障，多层磁障可以增加d轴电感，减小q轴电感，进而增加凸极比，使得同步磁阻电机获得理想的转矩特性。4.传统同步磁阻电机的多层磁障使用直线或者使用多段线形式，这样的转子结构存在转矩脉动较大的缺点，多段线的形式会导致局部磁场太高，出现硅钢过热、振动等问题。技术实现要素：5.针对现有技术的不足，本实用新型拟解决的技术问题是，提供一种同步磁阻电机，该同步磁阻电机的磁障采用光滑曲线。6.本实用新型解决所述技术问题采用的技术方案是：7.一种同步磁阻电机，其特征在于，该电机包括定子铁心、电枢绕组、转子铁心和磁障；转子铁芯的每个转子极下沿电机径向分布有k层磁障，同一转子极下相邻两层磁障之间形成导磁桥，以极对称轴为y轴，以转子铁心轴心为原点o建立笛卡尔坐标系，每层磁障的形状左、右对称，每层磁障y轴右半部分上、下两条边界均包括曲线边和直线边，曲线边具有一个峰值点，曲线边的右端点和直线边左端点重合，直线边不与y轴垂直。8.所述曲线边满足式(1)的曲线方程，自变量变化范围满足(2)；[0009][0010][0011]其中，分别是第1至k层磁障上下磁障边界的曲线建模方程；为第1至k层磁障上下磁障边界的曲线边任意一点的横坐标值，和是公式中的系数，是公式中的系数，[0012]每层磁障y轴右半部分上、下两条边界的直线边满足式(7)的直线方程，自变量的范围满足式(8)；[0013][0014][0015]其中，为y轴右侧每一个磁障的上下两条直线边的建模方程，为第1至k层磁障上下磁障边界的直线边任意一点的横坐标值，和是方程的系数。[0016]曲线峰值横坐标和曲线峰值纵坐标分别为：[0017][0018][0019]其中，表示曲线峰值点的横坐标；表示曲线峰值纵坐标。[0020]直线边的斜率为式(6)：[0021][0022]y轴右侧每一个磁障的上下两条直线边的长度使用表示。当曲线方程固定后，是固定的，通过改变系数可以改变直线的长度。[0023]根据曲线的峰值横坐标公式，保持不变仅调节可以左右调节曲线曲线峰值横坐标。曲线峰值横坐标不受的影响。曲线峰值纵坐标同时受这三种参数的影响。[0024]由此可见使用此曲线方程建模，可以获得右端点固定，左端点可以在y轴上下移动，曲线峰值横坐标和曲线峰值纵坐标可调的曲线。调节公式中的三种参数可以实现参数变化范围内所有单峰曲线形状。[0025]所述同步磁阻电机为多层磁通屏障同步磁阻电机、多极对数同步磁阻电机。[0026]与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：[0027]1.与传统的直边磁障同步磁阻电机或等间距曲边磁障同步磁阻电机不同，本实用新型使用光滑的曲线边和直线边构成，直线边的左端和曲线边的右端重合，且曲线边的方程在右端点的斜率作为直线边的斜率，获得更加光滑的磁障边界，有利于电机性能的提升。[0028]2.本实用新型转子极中每个磁障的上下两个边界之间不平行也不等间距，所有的磁障边界曲线具有不同的形状。这些没有规律的曲边构建出不规则的磁障形状和导磁桥形状。在电机运行时，在这些不规则磁障和导磁桥的作用下，电机的q轴电感减少，d轴电感增加，增加了dq轴电感的差值，转矩得到提升。由于q轴和d轴相互作用得到的转矩脉动脉动下降。电机运行效率提升，电机运行特性得到改善。附图说明：[0029]附图1所示为本实用新型的同步磁阻电机径向截面图。[0030]附图2所示为本实用新型的同步磁阻电机转子立体结构示意图。[0031]附图3所示为待优化直线磁障同步磁阻电机转子的径向截面图。[0032]附图4所示为本实用新型调整曲线建模系数得到的一组曲线峰值横坐标变化的曲线。[0033]附图5所示为本实用新型调整曲线建模系数得到的一组曲线峰值纵坐标变化的曲线。[0034]附图6所示为本实用新型调整曲线建模系数得到的一组曲线左端点在y轴上下摆动的曲线。[0035]附图7所示为本实用新型实施例中转子三层磁障建模示意图。[0036]附图8所示为本实用新型优化后的同步磁阻电机转子径向截面图。[0037]附图9所示为优化后曲边磁障同步磁阻电机(优化后电机)和待优化直边磁障同步磁阻电机(优化前电机)在额定电流密度6a/mm2时转矩对比图。[0038]附图10所示为待优化直线磁障同步磁阻电机(优化前电机)在额定电流密度6a/mm2的速度-转矩-效率图。[0039]附图11为优化后曲边磁障同步磁阻电机(优化后电机)在额定电流密度6a/mm2的速度-转矩-效率图。[0040]图例说明：1、定子铁心；2、三相对称绕组；3、转子铁心；4、气隙；5、磁障；6、转轴；7改变曲线建模方程系数的一组曲线峰值横坐标变化的曲线；8改变曲线建模方程系数的一组曲线峰值纵坐标变化的曲线；9改变曲线建模方程系数的一组左端点在y轴上下移动的曲线。具体实施方式：[0041]对于本实用新型所参考附图，应理解为本实用新型所保护范围内其中的某一种示范性示例具有对本领域人员实现相应技术方案具有指导性意义，而非对本实用新型的限制。[0042]下面结合附图对本实用新型做进一步说明，[0043]本实用新型一种同步磁阻电机，该电机包括定子铁心、电枢绕组、转子铁心和磁障；转子铁芯的每个转子极下沿电机径向分布有k层磁障，同一转子极下相邻两层磁障之间形成导磁桥，以极对称轴为y轴，以转子铁心轴心为原点o建立笛卡尔坐标系，每层磁障的形状左、右对称，每层磁障y轴右半部分上、下两条边界均包括曲线边和直线边，曲线边具有一个峰值点，曲线边的右端点和直线边左端点重合，直线边不与y轴垂直。[0044]如图1至图2所示，本实用新型的一种同步磁阻电机，包括：定子铁心1、三相对称绕组2、转子铁心3、定子铁心和转子铁心之间的气隙4、磁障5、转轴6等。每个转子极下沿电机径向分布有3层磁通屏障，每个转子极下的相邻磁障之间形成导磁桥，使每个转子极下的磁障与隔磁槽交替分布。每个转子极下的三层磁障关于极对称轴对称，每层磁障上下边界使用曲线与直线相结合的方式建模，上下磁障是不规则的形状，不平行也不相交，其目的是使直轴和交轴之间出现电感差值增大，在对称三相电流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也就越大，转矩脉动越小。[0045]所述转子铁心3和定子铁心1使用硅钢片叠压而成；所述定子铁心和转子铁心之间的气隙4设定为0.5mm；所述三相对称绕组2安置在定子铁心3多个齿组成的凹槽中，沿电机轴向缠绕于齿部的四周，在齿部的前、后、左、右四个面形成闭合的轴向端。[0046]上述同步磁阻电机曲边磁障可以采用下述过程进行优化设计，包括以下步骤：[0047]第一步，以传统的直线磁障建模方法构建同步磁阻电机模型。每个转子极包括k层磁障mb1,mb2,…,mbk；每层磁障被极对称轴分为左右两个部分，并且磁障的左右两个部分关于极对称轴镜像对称。以极对称轴为y轴，以转子铁心轴心为原点o建立笛卡尔坐标系。每层磁障的右半部分包括上下两条边其中l的上角标表示所对应的磁障层，下角标1表示下边，下角标2表示上边；每层磁障的右半部分的上下两条边又分为与y轴垂直、延长线与y轴相交但不垂直的两条直线。每层磁障的右半部分的每一条边与y轴垂直的直线用表示，其左端点在y轴上，右端点的纵坐标与左端点的纵坐标相同用表示，右端点横坐标用表示。每层磁障的右半部分的每一条边的延长线与y轴相交但不垂直的直线用表示，其左端点与右端点重合，延长线与y轴相交但不垂直的直线的斜率为延长线与y轴相交但不垂直的直线的长度为[0048][0048]这四类参数依据经验进行选择，构建出直线磁障同步磁阻电机作为待优化电机。待优化电机的前两类参数(即与y轴垂直的直线的右端点的纵坐标和右端点的横坐标)在后续曲边建模和优化过程中不再变化，视为固定的参数，后两类参数(延长线与y轴相交但不垂直的直线的斜率、延长线与y轴相交但不垂直的直线的右侧端点与左侧端点的距离)曲边建模后可以进行优化，视为可变参数。[0049]与y轴垂直的直线的右端点和延长线与y轴相交但不垂直的直线的左端点重合，获得重合点的横坐标用表示，重合点的纵坐标用表示；[0050]并获得直线磁障的同步磁阻电机模型在上述重合点下的转矩taveini、转矩脉动tripini和效率ηini。[0051]第二步，将直线磁障边界同步磁阻电机中的与y轴垂直的直线删去，使用式(1)的曲线方程进行建模，构成曲线边，使得所得曲线边的右端点与直线磁障边界同步磁阻电机的与y轴垂直的直线的右端点相同，方程中自变量的变化范围满足式(2)；[0052][0053][0054]其中，分别是第1至k层磁障上下磁障边界的曲线建模方程；为第1至k层磁障上下磁障边界的曲线边任意一点的横坐标值、和是公式中的系数，改变系数的值可以改变曲线峰值的位置和曲线峰值的纵坐标，数的值可以改变曲线峰值的位置和曲线峰值的纵坐标，[0055]曲线边左端点在y轴上，故所有曲线边的左端点横坐标均为0，即由此可以求得每一条曲线左端点的纵坐标用公式(3)表示为：[0056][0057]可以看出，每一条曲线的左端点的纵坐标会随着和这三种参数的变化而变化，通过调整上述三种参数，可以改变每一条曲线的左端点在y轴上的位置。每一条曲线的右端点的横坐标是代入公式(1)计算得每一条曲线的右端点的纵坐标，也为[0058]和两组参数在构建直线磁障同步磁阻电机后不在变化，故可以认为右端点固定。[0059]曲线峰值横坐标和曲线峰值纵坐标分别为：[0060][0061][0062]其中，表示曲线峰值横坐标；表示曲线峰值纵坐标。根据曲线的曲线峰值横坐标公式，保持不变仅调节可以左右调节曲线曲线峰值横坐标。曲线峰值横坐标不受的影响。曲线峰值纵坐标同时受这三种参数的影响。[0063]由此可见使用此曲线方程建模，可以获得右端点固定，左端点可以在y轴上下移动，峰值横坐标和峰值纵坐标可调的曲线。调节公式中的三种参数可以实现参数变化范围内所有单峰曲线形状。[0064]当当时曲线退化为待优化直线磁障同步磁阻电机建模中的直线，得到与替换之前相同的直线磁障同步磁阻电机。[0065]将y轴右侧每一个磁障的上下两条曲线边求导(公式(1)对x求导)，将右端点的导数值作为y轴右侧每一个磁障的上下两条延长线与y轴相交但不垂直的直线(即直线边)的斜率，将直线边的斜率更新为式(6)：[0066][0067]y轴右侧每一个磁障的上下两条直线边(延长线与y轴相交但不垂直的直线)的长度使用由此可以得到y轴右侧每一个磁障的上下两条直线边使用式(7)的直线建模方程，自变量的变化范围满足式(8)；[0068][0069][0070]其中，为y轴右侧每一个磁障的上下两条直线边的直线建模方程，和是方程的系数。当曲线方程固定后，是固定的，通过改变系数可以改变直线的长度。[0071]每一层磁障左半部分的边界通过右半部分的边界关于y轴镜像对称，将每一层磁障上下两个边的直线边的右端点连接起来，至此完成一个转子极的k层磁障建模；然后将完成全部k层磁障建模的转子极旋转一定角度，得到电机有限元模型；[0072]第三步对曲线建模方程和直线建模方程中的可变系数第三步对曲线建模方程和直线建模方程中的可变系数和进行优化，以转矩tave和效率η最大、转矩脉动trip最小作为优化目标，权重分别设定为0.3、0.3和0.4进行优化设计，组合的优化目标为方程为式(9)；[0073][0074]其中，tave、trip和η为转矩、转矩脉动和效率；taveini、tripini和ηini分别为待优化直线磁障同步磁阻电机的转矩、转矩脉动和效率。[0075]第四步，针对不同的磁障的位置(k取值不同，磁障曲线位置不同)选定各个系数(a、p、h、d)的变化范围，将这些需要优化的系数输入到优化算法(如遗传算法、蚂蚁算法等智能算法)中，对其进行优化，得到使用同步磁阻电机曲边建模设计方法的最优磁障形状。[0076]实施例[0077]本实施例的一种同步磁阻电机曲边磁障设计优化方法(参见图1-7)，包括以下步骤：[0078]第一步，按照给定的电机尺寸设计直线磁障同步磁阻电机，同时选定磁障层数为3。电机尺寸和材料如下：[0079]定子外径：70mm[0080]定子内径：40mm[0081]转子外径：39.5mm[0082]转子内径：10mm[0083]电机轴向长度：69mm[0084]定子铁心和转子铁心使用50jn350硅钢片叠压而成。转子铁心具有4个转子极，每个转子极包括三层磁障。定子铁心具有24槽，每槽内导线数为30，槽满率为43％。在有限元软件中建立设计好的直线磁障同步磁阻电机，并验证选择直线磁障位置和尺寸参数是否满足需要。与y轴垂直的直线的右端点和延长线与y轴相交但不垂直的直线的左端点重合，获得满足要求的直线磁障同步磁阻电机重合点的横坐标用表示，重合点的纵坐标用表示；[0085]并获得直线磁障的同步磁阻电机模型在上述重合点下的转矩taveini、转矩脉动tripini和效率的ηini；[0086]本实施例具有三层磁障，故取k＝3。[0087]第二步，将一个转子极以极对称轴为y轴建立笛卡尔坐标系。计算出设计好的直线磁障同步磁阻电机磁障的y轴右侧三层磁障的上下共6条与y轴垂直的边右端点的纵坐标和右端点的横坐标这些参数在后续曲边磁障设计优化中保持不变。图3为待优化的直线磁障同步磁阻电机。[0088]将每一层磁障位于y轴右半部分的与y轴垂直的直线边界删去，使用式(10)所示的右端点纵坐标为右端点横坐标为的曲线方程建模。自变量的变化范围如式(11)所示[0089][0090][0091]式(10)和式(11)中的分别表示第1-3层磁障的上下两条曲线边界的建模方程；这18个曲线建模方程系数可以作为优化的参数输入到优化算法中。[0092]构建出的曲线具有单峰，曲线峰值横坐标满足式(12)曲线峰值纵坐标满足式(13)；[0093][0094][0095]通过式(13)和式(14)可以看出，峰值的横坐标与这12个参数有关，在这6个参数保持不变时，改变可以调节曲线峰值的纵坐标。曲线峰值纵坐标与这18个参数均相关。将峰值点的坐标作为待优化的一部分输入到优化算法中。图4-6是使用这8个参数可以构建出的三组第一层磁障下边界的曲线形状。[0096]将更新为曲线在右端点的斜率，新的如式(15)所示；[0097][0098]通过式(15)可以看出，在曲线方程中的系数确定后，直线的斜率就是固定的值。唯一可以变化的量是直线的长度。使用式(16)构建每层磁障y轴右侧的上下两条直线边，自变量的变化范围满足式(17)；[0099][0100][0101]式(16)和式(17)中，表示第1-3层磁障的上下两条直线边的建模方程；这6个直线方程的系数可以输入到优化算法中进行优化。[0102]磁障的左半部分磁障边界通过右半部分磁障边界关于y轴镜像对称得到，将每一层磁障的上下两条直线边的右端点连接起来就获得了完整的三层磁障模型。进而获得了使用曲线磁障边界的同步磁阻电机的优化前模型。本实施例选用的优化前模型参数为用曲线磁障边界的同步磁阻电机的优化前模型。本实施例选用的优化前模型参数为将曲线退化为直线，选取的与直线磁障同步磁阻电机的设计参数相同，就获得了与待优化直线磁障同步磁阻电机相同的优化前使用曲边磁障建模的同步磁阻电机。图8是按照上述方法选取参数值后的一个转子极曲边建模示意图。[0103]第三步，将作为参数进行优化。以优化前的同步磁阻电机的性能作为初始值，使用式(9)建立优化模型。[0104][0105]式(9)中，tave、trip和η为转矩、转矩脉动和效率；taveini、tripini和ηini分别8.835nm、26.44％和0.871。[0106]第四步进行优化，求出24个优化参数的最优设计点。通过优化后得到的24个参数如表1所示。[0107]表124个优化参数最优设计点[0108][0109]图9展示了本实施例优化后曲边磁障同步磁阻电机(优化后电机)和待优化直边磁障同步磁阻电机(优化前电机)的转矩对比图。从图中可以看出，本实施例的转矩为9.480nm，转矩脉动为14.98％，本实施例相比优化前电机转矩提升7.29％。实施例1相比优化前电机转矩脉动减小了43.34％。本实施例的转矩和转矩脉动相较优化前电机具有明显性能提升。[0110]图10和图11分别展示了待优化直边磁障同步磁阻电机(优化前电机)和本实施例优化后曲边磁障同步磁阻电机(优化后电机)的速度-转矩-效率图。从图10和图11中可以看出本实施例在额定转速条件下的效率为88.04％，比优化前电机高1.15％。本实施例的效率特性相较优化前电机略有提升。[0111]综上所述，本实施例相比优化前电机在转矩特性上有很大改善，有效降低了转矩脉动，提升了电机额定运行效率，从而证明了本实用新型的可行性。[0112]本实用新型的同步磁阻电机磁障边界同样适用于多层磁通屏障同步磁阻电机、多极对数同步磁阻电机。[0113]以上所述实施例仅用于描述本实用新型的技术方案，应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。[0114]本实用新型未述及之处适用于现有技术。









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