一种表嵌式永磁偏置型同步磁阻电机
1.本发明属于永磁电机领域，具体涉及一种表嵌式永磁偏置型同步磁阻电机。
背景技术：
2.随着现在电动汽车的推广和发展，内置式永磁同步电机因其高功率密度、高效率以及更好的控制精度等优势被广泛应用于电动汽车中，但永磁电机中使用的稀土永磁材料价格昂贵，使得其造价成本过高，不利于电动汽车的推广和发展，因此提高永磁利用率至关重要。传统内置式电机能够提供较高的磁阻转矩，但相对传统表面式永磁电机，其永磁转矩相对较低，且其转子通常采用对称的结构，永磁转矩和磁阻转矩的d轴相差大致45度电角度，导致两者的利用率下降，限制了电机整体的功率密度。为此，一类磁轴偏移永磁电机被提出，此类电机可以令永磁转矩与磁阻转矩的d轴差角减小，从而实现转矩密度的提升。目前，具有磁轴偏移效应的电机的永磁利用率相对较低，永磁转矩峰值相对较低，并且，为了弥补偏移过程中转矩峰值的下降，此类电机的拓扑结构日益复杂，提升了电机的设计分析与制造难度。
技术实现要素：
3.针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种表嵌式永磁偏置型同步磁阻电机，解决了现有技术中传统内置式永磁电机转矩分量利用率不高缺陷，以及现有磁轴偏移电机转矩分量峰值不足问题。
4.本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
5.一种表嵌式永磁偏置型同步磁阻电机，包括中间部分隔有气隙的定子铁心和内侧的表嵌式永磁偏置型同步磁阻转子，所述定子铁心上设置有三相电枢绕组，以及被所述表嵌式永磁偏置型同步磁阻转子环绕且位于电机中轴线的转轴。所述定子铁心包括定子齿、定子轭以及相邻所述定子齿之间形成的定子槽。所述表嵌式永磁偏置型同步磁阻转子包括表嵌式永磁体、转子轭、转子齿以及由三层u形磁障构成的非对称磁阻单元。
6.进一步地，所述表嵌式永磁偏置型同步磁阻转子的所述表嵌式永磁体嵌于转子外周并均匀分布，且其中所述表嵌式永磁体的轴线与定义的电机d轴之间存在角度α。
7.进一步地，所述表嵌式永磁体采用径向充磁，且相邻所述表嵌式永磁体的充磁方向相反。
8.进一步地，所述表嵌式永磁偏置型同步磁阻转子的所述非对称磁阻单元由三层非对称的u形空气槽结构组成，所述非对称磁阻单元一侧靠近所述表嵌式永磁体内侧，另一侧靠近转子外径。
9.进一步地，所述表嵌式永磁偏置型同步磁阻转子的所述转子轭介于所述非对称磁阻单元与所述转轴之间，所述表嵌式永磁偏置型同步磁阻转子的所述转子齿介于相邻的所述非对称磁阻单元与所述表嵌式永磁体之间。
10.进一步地，所述表嵌式永磁体与所述非对称磁阻单元成组分布，数量为转子极对
数的两倍。
11.进一步地，所述三相电枢绕组为双层分布绕组，穿过所述定子槽缠绕在所述定子齿上。
12.本发明的有益效果：
13.1、本发明可以基于具有高永磁转矩的表嵌式永磁电机，结合多层同步磁阻结构，进一步拓展电机的磁阻转矩峰值，为电机的弱磁调速提供进一步的优势。同时，所提出电机的永磁数量相较于传统永磁辅助同步磁阻电机而言大幅度减少，永磁的装配所需时间大幅减少，有利电机生产效率的提升。
14.2、传统对称电机两转矩分量的最大值对应的电流角相差45度电角度，而本发明在一定永磁体用量的前提下，运用永磁体的完全偏置设计以及多层磁阻结构不对称分布的辅助作用，使得永磁转矩和磁阻转矩分量可以在相近的电流角下达到最大值，提高转矩分量利用率，提升转矩输出能力。
15.3、由于永磁体的完全偏置，所述电机转子的每块永磁体中大部分永磁磁通仅通过非对称磁阻单元提供的磁路，永磁磁通仅通过一块永磁对应磁阻，减少了永磁磁通的削弱，有利于提升永磁体的利用率。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1是本发明实施例的电机横截面结构示意图；
18.图2是本发明实施例的电机空载磁力线分布及永磁d轴与磁阻d轴示意图；
19.图3是本发明实施例的电机转矩分离图。
20.附图标记：1、定子铁心；11、定子齿；12、定子轭；13、定子槽；2、表嵌式永磁偏置型同步磁阻转子；21、表嵌式永磁体；22、转子轭；23、转子齿；24、非对称磁阻单元；3、三相电枢绕组；4、转轴。
具体实施方式
21.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
22.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
23.如图1-2所示，本本发明提供的一种实施例，一种表嵌式永磁偏置型同步磁阻电机，包括中间部分隔有气隙的定子铁心1，设置于定子铁心1内侧中间的表嵌式永磁偏置型同步磁阻转子2，设置于定子铁心1上的三相电枢绕组3以及被表嵌式永磁偏置型同步磁阻
转子2环绕且位于电机中轴线的转轴4。
24.定子铁心1包括定子齿11、定子轭12以及相邻定子齿11形成的定子槽13；定子齿11一端靠近表嵌式永磁偏置型同步磁阻转子2，定子齿11远离表嵌式永磁偏置型同步磁阻转子2的一端与定子轭12相连接，相邻定子齿11之间形成定子槽13，且定子齿11与定子槽13绕定子中心轴线均匀分布；三相电枢绕组3为双层分布绕组，穿过定子槽13缠绕在定子齿11上。
25.表嵌式永磁偏置型同步磁阻转子2包括表嵌式永磁体21、转子轭22、转子齿23以及由三层u形磁障构成的非对称磁阻单元24。
26.表嵌式永磁偏置型同步磁阻转子2的表嵌式永磁体21嵌于转子外周并均匀分布，且其中表嵌式永磁体21的轴线与定义的电机d轴之间存在角度α，这样的设置，能够实现永磁磁轴的偏移，极大程度的令永磁转矩峰值对应的电流角向磁阻转矩峰值对应的电流角靠近。表嵌式永磁体21采用径向充磁，且相邻表嵌式永磁体21的充磁方向相反。
27.表嵌式永磁偏置型同步磁阻转子2的非对称磁阻单元24由三层非对称的u形空气槽结构组成，非对称磁阻单元24一侧靠近表嵌式永磁体21内侧，另一侧靠近转子外径。非对称磁阻单元24的中轴线与定义的电机d轴无明显偏移，具有传统多层同步磁阻电机高磁阻转矩的优势，且其近永磁内侧的空气槽较窄，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转子2的转子轭22介于非对称磁阻单元24与转轴4之间，表嵌式永磁偏置型同步磁阻转子2的转子齿23介于相邻的非对称磁阻单元24与表嵌式永磁体21之间。表嵌式永磁体21非对称偏置设置使得转子齿23同样不对称，使得磁阻磁轴与传统对称磁阻磁轴之间存在角度β，实现了磁阻磁轴的偏移，对于磁阻转矩峰值对应的电流角起到了一定的调节作用。
29.转轴4被表嵌式永磁偏置型同步磁阻转子2围绕并贯穿于电机中心。
30.在本实施案例中，表嵌式永磁体21的数量均为四块，相应的，非对称磁阻单元24的数量为四个，采用的永磁体为钕铁硼永磁，定子槽13的数量为二十七个，三相电枢绕组3为双层分布式设计。
31.发明原理：
32.本发明为了使得永磁转矩峰值和磁阻转矩峰值对应的电流角重合，通过表嵌式永磁体21的偏置使得永磁磁轴，即永磁转矩对应的d轴，朝着磁阻磁轴，即磁阻转矩对应的d轴的方向移动，从而实现电机永磁转矩、磁阻转矩利用率以及总转矩峰值的提升。
33.表嵌式永磁体21与非对称磁阻单元24成组分布，数量为转子极对数pr的两倍。
34.理论上，当转子极对数pr与偏移角度α满足：
35.pr
×
(α-β)＝45
°
36.电机永磁转矩峰值、磁阻转矩峰值在同一电流角下取得。
37.结合图2和图3，本实施例的表嵌式永磁偏置型同步磁阻电机的运行原理如下：
38.永磁磁场可以分为两个部分，第一部分永磁磁通的磁路由表嵌式永磁体21的n极依次到达气隙、定子齿11、定子轭12、定子齿11、气隙、表嵌式永磁体21的s极，再通过转子轭22回到表嵌式永磁体21的n极形成闭合通路；第二部分永磁磁通的磁路由表嵌式永磁体的n极依次到达气隙、定子齿11、定子轭12、定子齿11、气隙，再通过非对称磁阻单元24提供的磁路回到初始表嵌式永磁体21的n极形成闭合通路。由于转子旋转，上述磁路会随转子旋转；
同时定子通入三相电流能够形成与转子相等转速的旋转磁场，定、转子磁场的相互作用产生永磁转矩，推动转子恒定旋转。同时，对于磁阻部分，由于所设计的非对称磁阻单元24的存在，极大程度增加了转子交、直轴磁路的差异性，导致交直轴电感差值较大，从而产生磁阻转矩。
39.在传统对称永磁电机理论中，永磁转矩与磁阻转矩的大小均随着电流角的改变成正弦变化，且电流角为0
°
时取得永磁转矩峰值，电流角为45
°
时取得磁阻转矩峰值。本发明通过表嵌式永磁体21在转子外周的完全偏置以及多层非对称磁阻单元24的不对称设计实现上述取得两峰值转矩时对应电流角的靠近，实现转矩利用率的提升以及总转矩的提高。
40.相较于传统的表嵌式永磁电机，本发明电机中增设的非对称磁阻单元24仅仅基于开槽处理，显著增加了磁阻转矩分量峰值。同时所提出电机的永磁数量相较于传统永磁辅助同步磁阻电机而言大幅度减少，永磁的装配所需时间大幅减少，有利电机生产效率的提升。
41.本发明中通过表嵌式永磁体的完全偏置使得永磁磁轴向逆时针方向偏移，与磁阻磁轴靠近，请结合图2，其中，lpm1表示原永磁中轴即所定义的电机d轴，lpm2表示表嵌式永磁体中轴线，lpmrel表示实际的永磁中轴线，即偏移后实际的永磁磁轴，α为永磁中轴线理论上的偏移角度，lr1为原磁阻磁轴，lr2为偏移后的磁阻磁轴，β为磁阻磁轴理论上的偏移角度，本发明能够在相同永磁体用量的情况下输出更大的转矩，如图3所示。
42.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
43.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
