CN101478214A - 稀土永磁直流牵引电动机 - Google Patents

Abstract

稀土永磁直流牵引电动机，由轴(1)、前端盖(2)、风扇(3)、固定螺杆(4)、定子磁轭(5)、永磁磁极(6)、转子铁芯(7)、电枢绕组(8)、尾端盖(9)、换向器(10)、轴承(11)、电刷组件(12)、辅助软铁磁极(13)组成。其特征在于：特别增加了定子磁轭(5)部分，由定子磁轭(5)、永磁磁极(6)、辅助软铁磁极(13)三个部分组成全新结构的定子。定子磁轭(5)和辅助软铁磁极(13)是由导磁材料薄板整体冲制、叠压而成，定子磁轭(5)直接充当了电机定子外壳，不再使用传统意义上的电机定子外壳。本发明不仅工艺简单、结构紧凑、坚固可靠、成本低，而且电机散热性能好。广泛应用于车辆牵引动力源。

Description

稀土永磁直流牵引电动机

技术领域

本发明涉及直流电机技术领域，特别涉及车辆牵引使用的稀土永磁直流牵引电动机。

背景技术

永磁直流电机特别是稀土永磁直流电机具有高效节能、体积小、功率大、重量轻、结构简单等优点，是一种很有发展前景的直流电机，应用日益广泛。

永磁直流电机和普通直流电机的主要区别是在定子的磁极结构上：

永磁直流电机的定子磁极是由永磁材料制成的。常用的永磁材料有铁氧体永磁、铝镍钴永磁和稀土永磁三大类，通常把永磁材料制成“瓦型”磁极，磁极通过胶粘或机械的方式固定在定子壳体内侧，形成定子磁极。

普通直流电机的定子磁极是由导磁材料(如低碳钢)和缠绕在导磁材料上的励磁线圈组成的。磁极面向转子的表面制成“弧形”(称之为极靴)，磁极通过机械的方式固定在定子壳体内侧，形成定子磁极。

通常直流电机(包含永磁型)的定子壳体是由导磁材料(如低碳钢)制成的，因此，定子壳体也是电机磁路的组成部分。

由于永磁材料具有衡磁特征，仅仅使用永磁材料制成磁极的直流电机在运转时表现出来的机械特性和普通并激直流电机相似，具有典型的“衡转矩”特性，所以，永磁直流电机在许多需要“衡功率”特性场合的应用受到了限制，比如车辆牵引场合。为了改变永磁直流电机的衡转矩特性，就要设法改进永磁直流电机的磁极结构，这样就有了各种改进磁极结构的永磁直流电机技术方案。其中的一种就是在永磁磁极附近加装辅助软铁磁极。

比如专利88204020《直流稀土永磁牵引电机》：在每个永磁磁极旁边加装一个(单边)辅助软铁磁极(该专利称为极靴)或两个(双边)辅助软铁磁极，辅助软铁磁极上没有励磁绕组，辅助软铁磁极固定在电机机壳内侧。

在永磁磁极附近加装无励磁绕组的辅助软铁磁极其工作原理如下：

直流电机运行时，转子上的电枢绕组有电流通过，电枢绕组产生一个附加磁场(即电枢磁场)，该磁场正交于原来定子磁极产生的磁场，由于两个磁场叠加的结果，在定子磁极的两个边沿处分别会出现“祛磁效应”和“增磁效应”，这就是所谓的直流电机电枢反应。永磁直流电机相对于普通直流电机来说，电枢反应表现得比较弱，原因在于磁极导磁材料的磁导率，永磁材料特别是稀土永磁材料的磁导率很小，远远低于普通导磁材料(如低碳钢)的磁导率。

直流电机的电枢反应是客观存在的。电枢反应一方面改变了磁场的大小，另一方面也使得磁场的物理中线偏离几何中线，为了使电机的换向性能不受电枢反应的影响，一般的做法是把电刷向增磁效应边方向偏移一个角度。

对于永磁直流电动机而言，如果在永磁磁极的“增磁效应”边沿处加装一个尺寸适当的由导磁材料做成的辅助软铁磁极，虽然这个辅助软铁磁极并没有励磁绕组，但是，由电枢绕组产生的附加磁场会给这个辅助软铁磁极激磁(就像电励磁磁极一样)，因此，电机的整体磁场就得到了加强。

通过上述原理分析，专利88204020《直流稀土永磁牵引电机》存在以下技术缺陷：

缺陷1：永磁磁极具有双边辅助软铁磁极或单边辅助软铁磁极，且磁极和辅助软铁磁极之间留有较大空隙。分析：双边辅助软铁磁极会加剧磁场物理中线对于几何中线的偏离，导致电机换向恶化，甚至烧毁换向器和电刷。同理，磁极和辅助软铁磁极之间留有较大空隙也同样会恶化电机换向。

缺陷2：永磁磁极截面是梯形或半梯形，并且永磁磁极梯形的大边面向转子，小边面向定子壳体。分析：永磁材料特别是稀土永磁材料不同于导磁材料(如低碳钢)，永磁材料没有“聚磁”能力，把永磁材料特意制成梯形或半梯形(类似导磁铁芯磁极的样子)没有实际意义，且浪费了昂贵的永磁材料。

缺陷3：具有双边辅助软铁磁极结构可以制成正、反转的双向转动电机。分析：具有双边辅助软铁磁极的电机换向极其不好。

发明内容

针对以上缺陷，本发明的目的在于提供一种涉及新结构形式定子的稀土永磁直流牵引电动机，适合于单方向旋转驱动车辆使用。

本发明的技术方案是通过以下方式实现的：稀土永磁直流牵引电动机，由转子铁芯、电枢绕组、换向器、轴、电刷组件、端盖、轴承和新结构形式的定子组成，2个轴承分别安装在前端盖和尾端盖上，前端盖、尾端盖和定子通过固定螺杆连接在一起，电刷组件固定在尾端盖上，电枢绕组通过换向器、电刷组件与外部电源连接，电动机的动力由轴从前端盖一侧输出。本发明的重要特征在于：特别增加了定子磁轭部分，由定子磁轭、永磁磁极、辅助软铁磁极三个部分组成全新结构的定子：

a.定子磁轭和辅助软铁磁极是一体的，由导磁材料薄板整体冲制、叠压而成。

b.辅助软铁磁极位于永磁磁极的“增磁效应”边沿处，且辅助软铁磁极紧贴永磁磁极，不留间隙，数目和永磁磁极相同。

c.定子磁轭直接充当了电机定子外壳。

上述的永磁磁极的极弧系数为0.50τ～0.65τ，磁极厚度为6mm～8mm。

上述的辅助软铁磁极的极弧系数为0.15τ～0.25τ，辅助软铁磁极距转子铁芯表面为0.8mm～1.2mm间隙。

上述的永磁磁极的轴向截面是瓦型或由多段长方形拼接成近似的瓦型。

上述的永磁磁极选用钕铁硼稀土永磁或钐钴稀土永磁。

本发明，由定子磁轭直接充当了电机，不再使用传统意义上的电机定子外壳；在永磁磁极的“增磁效应”边沿处加装一个辅助软铁磁极，使得电机具有了“恒功率”特征，适合车辆牵引使用；辅助软铁磁极和定子磁轭连为一体，且不需要加工就适应永磁磁极截面采用“瓦型”或由多段“长方形”拼接成近似的“瓦型”，因此，本发明不仅工艺简单、结构紧凑，而且定子坚固可靠、成本低廉，电机散热性能好，可广泛应用于车辆牵引动力源。

附图说明

图1是本发明的电机总结构图。

图2是多段长方型拼接的永磁磁极的定子结构图。

图3是瓦型永磁磁极的定子结构图。

图中：1—轴、2—前端盖、3—风扇、4—固定螺杆、5—定子磁轭、6—永磁磁极、7—转子铁芯、8—电枢绕组、9—尾端盖、10—换向器、11—轴承(×2)、12—电刷组件、13—辅助软铁磁极。

具体实施方式

由图1知，稀土永磁直流牵引电动机，由轴1、风扇3、转子铁芯7、电枢绕组8、换向器10组成转子组件，由定子磁轭5、永磁磁极6、辅助软铁磁极13组成定子，2个轴承11分别安装在前端盖2和尾端盖9上，前端盖2、尾端盖9和定子通过固定螺杆4连接在一起，电刷组件12固定在尾端盖9上，电枢绕组8通过换向器10、电刷组件12与外部电源连接，电动机的动力由轴1从前端盖2一侧输出。定子磁轭5和辅助软铁磁极13是一体的，由导磁材料薄板整体冲制、叠压而成。辅助软铁磁极13位于永磁磁极6的增磁效应边沿处，且辅助软铁磁极13紧贴永磁磁极6，不留间隙，数目和永磁磁极6相同。定子磁轭5直接充当了电机定子外壳。

定子磁轭5、辅助软铁磁极13和穿固定螺杆4的孔是由导磁材料薄板整体冲制、叠压而成，辅助软铁磁极13面向转子的表面是与转子同心的弧面，永磁磁极6的截面是“瓦型”或是由多段“长方形”拼接成近似的“瓦型”，永磁磁极6紧贴辅助软铁磁极13并和定子磁轭5内侧粘接固定、不留间隙，定子磁轭5和永磁磁极6的粘接面视永磁磁极截面的不同直接冲制而成、不需再加工。

永磁磁极选用钕铁硼稀土永磁材料，磁能积≥38MGOe、剩磁≥12400Gs、矫顽力≥125000e、内禀矫顽力≥230000e、工作温度≥165℃，永磁磁极的极弧系数0.50τ～0.65τ、磁极厚度6mm～8mm，永磁磁极距转子铁芯表面为0.8mm～1.2mm间隙。

定子磁轭和辅助软铁磁极部分选用低碳钢薄板，牌号：Q235A冷轧板，厚度1mm～1.5mm，辅助软铁磁极的极弧系数为0.15τ～0.25τ，辅助软铁磁极距转子铁芯表面为0.8mm～1.2mm间隙。

实施例1：

图2是实施例1的定子结构图。

本实施例采用3段“长方形”永磁材料拼接成近似的瓦型永磁磁极6，磁极数为4极，永磁磁极6的极弧系数0.56、磁极厚度8mm，定子磁轭和辅助软铁磁极由1.0mm～1.5mm冷轧板叠成，辅助软铁磁极13的极弧系数0.21，永磁磁极6距转子表面间隙1.0mm(最小值)，辅助软铁磁极13距转子表面间隙1.0mm，转子铁芯7的长度94mm、直径148mm，电枢绕组8的元件数57、绕组形式为单波绕组。

测得结果：

功率8.0kw、电压60V、电流144A、转矩34.4Nm、转速2220r/min、效率92.6％、转子表面温升91.6℃(持续工作60min)。

实施例2：

图3是实施例2的定子结构图。

本实施例采用”瓦型”永磁磁极6，磁极数为4极，永磁磁极6的极弧系数0.56、磁极厚度8mm，定子磁轭和辅助软铁磁极由1.0mm～1.5mm冷轧板叠成，辅助软铁磁极13的极弧系数0.21，永磁磁极6距转子表面间隙1.0mm，辅助软铁磁极13距转子表面间隙1.0mm，转子铁芯7的长度94mm、直径148mm，电枢绕组8的元件数57、绕组形式为单波绕组。

测得结果：

功率8.0kw、电压60V、电流145A、转矩35.0Nm、转速2180r/min、效率92.0％、转子表面温93.0℃(持续工作60min)。

Claims (5)

1、稀土永磁直流牵引电动机，由转子铁芯(7)、电枢绕组(8)、换向器(10)、轴(1)、电刷组件(12)、端盖(2)(9)、轴承(11)和定子组成，2个轴承(11)分别安装在前端盖(2)和尾端盖(9)上，前端盖(2)、尾端盖(9)和定子通过固定螺杆(4)连接在一起，电刷组件(12)固定在尾端盖(9)上，电枢绕组(8)通过换向器(10)、电刷组件(12)与外部电源连接，电动机的动力由轴(1)从前端盖(2)一侧输出，其特征在于：所述的定子由定子磁轭(5)、永磁磁极(6)和辅助软铁磁极(13)组成：

a.定子磁轭(5)和辅助软铁磁极(13)是一体的，由导磁材料薄板整体冲制、叠压而成；

b.辅助软铁磁极(13)位于永磁磁极(6)的增磁效应边沿处，且辅助软铁磁极(13)紧贴永磁磁极(6)，不留间隙，数目和永磁磁极相同；

c.定子磁轭(5)直接充当了电机定子外壳。

2、根据权利要求1所述的稀土永磁直流牵引电动机，其特征在于：所述的永磁磁极(6)的极弧系数为0.50τ～0.65τ，磁极厚度为6mm～8mm，永磁磁极(6)距转子铁芯(7)表面为0.8mm～1.2mm间隙。

3、根据权利要求1所述的稀土永磁直流牵引电动机，其特征在于：所述的辅助软铁磁极(13)的极弧系数为0.15τ～0.25τ，辅助软铁磁极(13)距转子铁芯(7)表面为0.8mm～1.2mm间隙。

4、根据权利要求1所述的稀土永磁直流牵引电动机，其特征在于：所述的上述的永磁磁极(6)的轴向截面是瓦型或由多段长方形拼接成近似的瓦型。

5、根据权利要求1所述的稀土永磁直流牵引电动机，其特征在于：所述的上述的永磁磁极(6)选用钕铁硼稀土永磁或钐钴稀土永磁。

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