一种永磁体辅助式同步磁阻电机转子结构及其设计方法技术

本发明专利技术为一种永磁体辅助式同步磁阻电机转子结构及其设计方法，nl层绝缘磁障中部设置有倒三角型的永磁体结构，即永磁体长度由最外层逐步递减到最内层，倒三角型为等腰三角形，等腰三角形顶点夹角为θ，倒三角形顶点到轴心的距离为l；每个永磁体均为长方形，位于同侧的永磁体的下顶点均在同一条直线上，以绝缘磁障内侧长度为长方形的长，长方形的宽为对应绝缘磁障层紧挨q轴的一端宽度，定义转子每层永磁体长度的一半为Xi，i＝1～nl，位于最外层的永磁体的数量为1，其余层的永磁体数量均为2，且其余层的两个永磁体均以q轴为对称轴对称设置。相比于同步磁阻电机，减少了转矩脉动，提高了电机的效率和功率密度。

【技术实现步骤摘要】
一种永磁体辅助式同步磁阻电机转子结构及其设计方法
本专利技术涉及一种永磁体辅助式同步磁阻电机转子结构及其设计方法。
技术介绍
近年来，新能源汽车快速发展起来，其对电机的效率、性价比以及安全性等提出了很多要求，现阶段的驱动电机主要是异步电机和永磁同步电机。异步电机虽然结构简单，技术成熟，但效率和功率密度低，达不到电机对高性能的要求；永磁同步电机高效可靠，调速范围宽，但随着永磁体材料价格的上涨，其生产成本越来越高。因此，提出了永磁体辅助式同步磁阻电机(PermanentMagnetassistedSynchronousReluctanceMachine，以下简称PMaSynRM)，其永磁体的用量相对较少且为低廉的铁氧体材料。PMaSynRM成本低、过载能力较好、恒功率运行范围宽，相比同步磁阻电机提高了功率因数、效率。所以，如何设计铁氧体结构减小PMaSynRM转矩脉动，提高效率和功率因数，成为近几年研究的热点问题。PMaSynRM与同步磁阻电机十分相似，仅是在转子的某些隔磁槽中插入永磁体材料。文献[YanweiWang,GiacomoBacco,NicolaBianchi.GeometryAnalysisandOptimizationofPM-AssistedReluctanceMotors[J].IEEETransactionsonIndustryApplications,2017,53(5):4338-4347.]考虑到转子磁障的层数，绝缘比，分流比和每极每相槽数，并且从磁阻电机开始分析，然后嵌入永磁体，研究永磁体宽度对转矩，功率因数和弱磁能力的影响。但是，这个方法加大了设计者的工作量和生产成本，也增加了电机的转矩脉动。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术拟解决的技术问题是，提供一种能够使PMaSynRM减少转矩脉动和提高功率因数的新型转子结构。在已设计好的同步磁阻电机的转子磁障结构的基础上，采用倒三角的形式插入永磁体材料，并且利用Taguchi算法优化永磁体尺寸。与有限元法相比，此方法简单易行，缩短计算时间；相比于同步磁阻电机，减少了转矩脉动，提高了电机的效率和功率密度。本专利技术解决所述技术问题所采用的技术方案是：一种永磁体辅助式同步磁阻电机转子结构，包括nl层绝缘屏障和nl+1层导磁硅钢片，绝缘屏障与导磁硅钢片间隔布置，nl层绝缘屏障由内至外逐渐减小，每层绝缘磁障由中间向两边面积逐渐减小，其特征在于，nl层绝缘磁障中部设置有倒三角型的永磁体结构，即永磁体长度由最外层逐步递减到最内层，倒三角型为等腰三角形，等腰三角形顶点夹角为θ，倒三角形顶点到轴心的距离为l；每个永磁体均为长方形，位于同侧的永磁体的下顶点均在同一条直线上，以绝缘磁障内侧长度为长方形的长，长方形的宽为对应绝缘磁障层紧挨q轴的一端宽度，定义转子每层永磁体长度的一半为Xi，i＝1～nl，位于最外层的永磁体的数量为1，其余层的永磁体数量均为2，且其余层的两个永磁体均以q轴为对称轴对称设置。一种永磁体辅助式同步磁阻电机转子结构的设计方法，该方法的步骤是：第一步：确定永磁体辅助式同步磁阻电机(PMaSynRM)的结构参数：测量得到PMaSynRM的结构参数，包括定子、转子，定子结构包括定子槽数、定子齿槽结构，转子结构包括极对数、磁障层数、铁芯长度、定子内径与转子外径间的气隙长度；第二步：确定倒三角型永磁体结构插入位置：将永磁体辅助式同步磁阻电机的永磁体结构设计为倒三角型，且为等腰三角形，即永磁体长度由最外层逐步递减到最内层；倒三角形顶点到轴心的距离为l，等腰三角形顶点夹角为θ，三角形与绝缘磁障重叠的部分为插入的永磁体位置，每层得到的永磁体为类梯形结构；定义转子每层永磁体长度的一半为Xi，i＝1,2,···,nl，位于最外层的永磁体的数量为1，其余层的永磁体数量均为2，且其余层的两个永磁体均以q轴为对称轴对称设置；最外层永磁体长度不能超过对应绝缘磁障的长度，最内层单个永磁体长度要大于1mm；倒三角形的顶点到轴心距离l和对应的等腰三角形顶点夹角θ的最大值θmax都有限制范围，通过仿真实验，初步得到转子每层绝缘磁障插入永磁体的长度值；第三步：Taguchi优化PMaSynRM转子永磁体尺寸：分别对每层永磁体结构进行局部优化调整：首先给出倒三角形的顶点到轴心距离l，以及等腰三角形顶点夹角θ的优化范围，并在该优化范围内，改变倒三角形的顶点到轴心距离l，以及等腰三角形顶点夹角θ来比较转矩脉动和功率因数的大小；其次，根据仿真分析将第二步得到的类梯形永磁体结构改成长方形，每层的两个永磁体长度相等，以绝缘磁障内侧长度为长方形的长，以绝缘磁障紧挨q轴的一端宽度为长方形的宽；再次为局部优化过程：在转子每层永磁体长度的一半Xi的水准范围内进行Taguchi优化设计，找到不同Xi下的转矩脉动值和功率因数；最后通过仿真优化结果，选择电机性能最佳的永磁体长度。与现有的永磁体辅助式同步磁阻电机相比，本专利技术具有如下的有益效果：1.现有的永磁体辅助式同步磁阻电机的永磁体长度基本上是由外到内依次增加或者是一样长度，而本专利技术设计的是倒三角形的永磁体结构，最外层永磁体最长，进而使得气隙磁通密度更趋于正弦，使得齿槽转矩变小。并且转矩脉动有所减小功率因数有所提高，节省了永磁体材料，降低成本。通过实验表明，本申请的新型永磁体辅助式同步磁阻电机转子结构能过有效的降低50％的转矩脉动，提高23％的功率因数，还使永磁体体积比原本的小了26％，节省了生产成本。2.本专利技术首先通过仿真分析倒三角形的顶点到轴心距离l，以及等腰三角形顶点夹角θ的优化范围，然后基于Taguchi优化方法，仅需要已知原有电机本体结构的某些结构参数尺寸就可以获得更高电机性能的PMaSynRM结构，并利用最少的实验获得各个参数的最佳组合，与有限元法相比减少了计算机内存资源的占用，缩短了优化设计的时间。本专利技术思路和方法可以适用于目前使用的多种类型的永磁体辅助式同步磁阻电机转子结构的优化设计中。附图说明图1为本专利技术永磁体辅助式同步磁阻电机倒三角形永磁体安放位置示意图。图2为本专利技术永磁体辅助式同步磁阻电机长方形永磁体安放位置示意图。图3为本专利技术新型永磁体辅助式同步磁阻电机的一种实施例的倒三角形的顶点到轴心距离l与转矩脉动和功率因数关系曲线图。图4为本专利技术新型永磁体辅助式同步磁阻电机的一种实施例的倒三角形的等腰三角形顶点夹角θ与转矩脉动和功率因数关系曲线图。图5为本专利技术新型永磁体辅助式同步磁阻电机的一种实施例的转子每层永磁体长度的一半Xi与转矩脉动关系曲线图。图6为本专利技术新型永磁体辅助式同步磁阻电机的一种实施例的转子每层永磁体长度的一半Xi与功率因数关系曲线图。具体实施方式以下结合附图和实施例详细叙述本专利技术，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本专利技术，并不限定本申请的保护范围。本专利技术一种永磁体辅助式同步磁阻电机转子结构，包括nl层绝缘屏障和nl+1层导磁硅钢片，绝缘屏障与导磁硅钢片间隔布置，nl层绝缘屏障由内至外逐渐减小，每层绝缘磁障由中间向两边面积逐渐减小，nl层绝缘磁障中部设置有倒三角型的永磁体结构，即永磁体长度由最外层逐步递减到最内层，倒三角型为等腰三角形，等腰三角形顶点夹角为θ，倒三角形顶点到轴心的距离为l；每个本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种永磁体辅助式同步磁阻电机转子结构，包括nl层绝缘屏障和nl+1层导磁硅钢片，绝缘屏障与导磁硅钢片间隔布置，nl层绝缘屏障由内至外逐渐减小，每层绝缘磁障由中间向两边面积逐渐减小，其特征在于，nl层绝缘磁障中部设置有倒三角型的永磁体结构，即永磁体长度由最外层逐步递减到最内层，倒三角型为等腰三角形，等腰三角形顶点夹角为θ，倒三角形顶点到轴心的距离为l；每个永磁体均为长方形，位于同侧的永磁体的下顶点均在同一条直线上，以绝缘磁障内侧长度为长方形的长，长方形的宽为对应绝缘磁障层紧挨q轴的一端宽度，定义转子每层永磁体长度的一半为Xi，i＝1～nl，位于最外层的永磁体的数量为1，其余层的永磁体数量均为2，且其余层的两个永磁体均以q轴为对称轴对称设置。

【技术特征摘要】
1.一种永磁体辅助式同步磁阻电机转子结构，包括nl层绝缘屏障和nl+1层导磁硅钢片，绝缘屏障与导磁硅钢片间隔布置，nl层绝缘屏障由内至外逐渐减小，每层绝缘磁障由中间向两边面积逐渐减小，其特征在于，nl层绝缘磁障中部设置有倒三角型的永磁体结构，即永磁体长度由最外层逐步递减到最内层，倒三角型为等腰三角形，等腰三角形顶点夹角为θ，倒三角形顶点到轴心的距离为l；每个永磁体均为长方形，位于同侧的永磁体的下顶点均在同一条直线上，以绝缘磁障内侧长度为长方形的长，长方形的宽为对应绝缘磁障层紧挨q轴的一端宽度，定义转子每层永磁体长度的一半为Xi，i＝1～nl，位于最外层的永磁体的数量为1，其余层的永磁体数量均为2，且其余层的两个永磁体均以q轴为对称轴对称设置。2.一种永磁体辅助式同步磁阻电机转子结构的设计方法，该方法的步骤是：第一步：确定永磁体辅助式同步磁阻电机(PMaSynRM)的结构参数：测量得到PMaSynRM的结构参数，包括定子、转子，定子结构包括定子槽数、定子齿槽结构，转子结构包括极对数、磁障层数、铁芯长度、定子内径与转子外径间的气隙长度；第二步：确定倒三角型永磁体结构插入位置：将永磁体辅助式同步磁阻电机的永磁体结构设计为倒三角型，且为等腰三角形，即永磁体长度由最外层逐步递减到最内层；倒三角形顶点到...

【专利技术属性】
技术研发人员：董砚，郭瑾，荆锴，孙鹤旭，刘维佳，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：天津,12