CN102270890A

CN102270890A - 隐极式微型永磁直流电机

Info

Publication number: CN102270890A
Application number: CN2011102009948A
Authority: CN
Inventors: 钱进; 孔庆成
Original assignee: ZHEJIANG FOUNDER MOTOR CO Ltd
Current assignee: ZHEJIANG FOUNDER MOTOR CO Ltd
Priority date: 2011-07-19
Filing date: 2011-07-19
Publication date: 2011-12-07

Abstract

一种隐极式微型永磁直流电机，包括机壳，机壳内设有转子，机壳内壁设有磁瓦，构成一对磁极的两块磁瓦中，其中一块是由高性能永磁材料制成的真磁瓦，另一块是由导磁性能良好的铁磁材料制成的假磁瓦。隐极式结构采用一半真磁瓦和一半假磁瓦，真磁瓦的厚度△_m可以比相应显极式结构选的大一些。因此，更容易保证真磁瓦的机械强度和提高磁瓦原始材料的利用率，节省真磁瓦的成本。有利于多性能规格的大批量生产，对于相同的机壳、转子铁芯、磁瓦、轴等部件，既可以采用显极式结构，也可以采用隐极式结构，这种兼用方式，可以增加通用部件、减少工装设备的投入，而对于多种电机的性能要求仍有较多的调整方法可供选用。

Description

隐极式微型永磁直流电机

技术领域

本发明涉及微型永磁直流电机，尤其是涉及一种汽车座椅用隐极式微型永磁直流电机。

背景技术

一般传统式微型永磁直流电机的定子置有多块永磁体磁瓦，例如两极电机有两块磁瓦，四极电机有四块磁瓦等等。本专利以四极电机为例说明隐极式微型永磁直流电机的原理及结构。

在对微型永磁电机总体综合性能要求较高的使用领域，例如汽车座椅用微型永磁直流电机。近几年的发展主要有3个特点：①缩小电机的体积和重量；② 提高电机的堵转转矩T_Q； ③控制电机的噪声值不能超过标准值。为了达到以上用户对电机性能的要求，近几年来采取的技术措施主要是：①采用高磁能积的永磁磁瓦，例如粘结钕铁硼磁瓦和烧结钕铁硼磁瓦，以提高电机的气隙磁密值B_g；②采用4极电机的设计方案，逐渐替代原有的2极电机的现有产品；③控制电机的空载转速n₀在一定的合理范围 (n₀=3000～5000（r/min）），改进换向器的结构工艺以利控制电机的噪声值达标，同时也有利于对电机EMC性能的要求；④在提高B_g的同时，合理控制转子铁芯的齿密h_t2以保证齿部磁密B_t2不太饱和，从而保证合理的槽面积A_W，槽面积A_W太小不利于提高堵转转矩T_Q。

从电机的设计理论看，在保持转速一定的前提条件下，提高磁负荷B_g和提高线负荷A是缩小电机体积减轻重量，同时保持相同的电机机械特性的设计基础。汽车座椅用的微型永磁直流电机，其现有产品几乎都是采用铁氧体永磁磁瓦，磁能积很小，其B_r=200～430（mT）,H_cb=125～250(KA/m),(BH)_max=6.5～35(Kt/m³)。因此，采用铁氧体永磁磁瓦的微型永磁直流电机，其磁负荷B_g不可能提高，一般设计值范围B_g =200～350(mT)，为了达到缩小电机体积的目的，只能提高线负荷A或采用多磁极的电机（例如4极以上电机）。而欲提高A ，又受限于空载转速n₀以及转子的槽面积A_W。在保证n₀为一定的条件下，必须增大A_W才能增A，同时为保证足够的T_Q，有时又需要增大转子铁芯长度L₂。而增大L₂又与缩小电机体积的初衷相违背。故采用铁氧体永磁磁瓦的微型永磁直流电机，在相同机械特性的条件下，缩小电机体积几乎是不太可能。

采用高磁性能的永磁磁瓦（例如烧结钕铁硼磁瓦、粘结钕铁硼磁瓦），则可以大大提高电机的磁负荷B_g，因此可以比铁氧体永磁磁瓦的电机体积小很多，在相同的机械转性条件下，电机体积和重量大幅下降，其用铁量和用铜量也会相应减少，虽然高性能永磁材料价格昂贵，但适当减少电机的用铁量、用铜量这对于平衡电机的综合成本是有利的。

高性能永磁材料，例如烧结钕铁硼，其B_r=1030 ～1250(mT)，H_cb=720～880(KA/m)，（BH）_max=192～288(KJ/m³)。采用高性能永磁磁瓦的微型永磁直流电机，其磁负荷B_g=650～850（mT），达到铁氧铁磁瓦电机B_g的2倍以上。在设计上选用较高的B_g，较低的A有利于提高电机的效率。

高性能永磁材料的微型永磁直流电机，其在缩小电机体积降低重量，同时保证优良的机械特性上，比铁氧体永磁材料的电机具有很强的优势。但在设计上，高性能永磁材料的电机，其定子轭部、转子齿部、转子轭部的磁密值B_j1、B_t2、B_j2的饱和程度需控制，太饱和了，会降低永磁材料的利用率，达不到较好的性价比。因此，设计参数：机壳厚度△_s,磁瓦厚度△_m,长径比λ、转子铁芯外径D₂，气隙程度δ，转子磁宽b_t2，转子轭高h_j2等等的选择就显得非常重要。尤其是磁瓦厚度△_m，直接关系到磁瓦成本及电机性能。

高性能永磁材料，其H_cb很大，因此与铁氧体永磁材料相比，其合理的△_m要小很多。以现有4极马达为例，铁氧体磁瓦厚度一般为△_m=3~4(mm)，粘接钕铁硼磁瓦厚度一般 △_m=1.3~2.0(mm)，若采用烧接钕铁硼磁瓦（当采用传统式磁瓦、显极结构），甚△_m=1.0(mm)左右就可以了。当需要更小△_m时，磁瓦的机械强度就不太理想，批量生产时报废率会增加，且太小的△_m会使电机的q轴气隙变小，增大电枢反应的去磁效应，对换向不利，对噪声不利。

如图1所示为传统式4极显极式微型永磁直流电机的横向结构示意图。其中永磁磁瓦1、2、3、4均为永磁材料制成，充磁后均为能产生激磁磁势的独立磁体。机壳6为定子支撑体，同时也是电机的定子磁路，供磁力线流通。图中7为一对磁极（磁瓦1和磁瓦4）的平均闭合路径，每极磁通量Φ_m与磁瓦1、磁瓦4对外磁路所产生的激磁磁势F_m1、F_m4有关，也与外部磁路（定子磁路、转子磁路）的总磁导ΣΛ有关。由于磁路的对称性，一般F_m1=F_m4，而对外激磁磁势F_m决定于磁瓦的计算磁动势F_c与磁瓦的磁导Λ_m.。F_m越大则Φ_m越大，但非线性关系，当定、转子磁路处于饱和状态时，F_m增大，Φ_m并不线性增大。在显极结构的微型永磁电机中，因体积相对较小，定子、转子磁路很容易达到饱和状态，尤其采用烧接钕铁硼磁瓦，其厚度△_m 也不能太小（太小了，强度不够）,欲减小定子磁路饱和度，就必须增大机壳厚度△_S，这又会增大体积，增加重量。欲减小转子磁路的饱和度，必须增大转子齿宽b_t2、这对于保持合适的转子槽面积A_W不利。因此，在采用高性能永磁磁瓦的微型永磁直流电机的设计中，磁瓦厚度△_m、机壳厚度△_S、转子齿宽b_t2、转子槽面积A_W相互之间有很强的牵制性。由于△_m不能太小，因此在提高磁瓦利用率及降低成本上，也会更困难些。

发明内容

本发明的目的在于提供一种隐极式微型永磁直流电机，以采取传统的显极式微型永磁直流电机，或在相同的机壳和转子铁芯条件下，隐极式结构和显极式结构可以兼用，则对于性能调节的范围更大，更合适于大批量生产。

本发明解决其技术问题采用的技术方案：这种隐极式微型永磁直流电机，包括机壳，机壳内设有转子，机壳内壁设有磁瓦，构成一对磁极的两块磁瓦中，其中一块是由高性能永磁材料制成的真磁瓦，另一块是由导磁性能良好的铁磁材料制成的假磁瓦。如图2为本发明的横向结构示意图。真磁瓦与假磁瓦仅仅是材质不同，而形状大小完全相同。转子铁芯与传统式微型永磁直流电机的显极式结构相同，定子机壳也与显极式结构相同。此时，在一对磁极构成的平均磁路闭合路径上，只有真磁瓦提供对外磁路的激磁磁势F_m1,，而假磁瓦不提供激磁磁势，即F_m4=0，这是与两块磁瓦均为真磁瓦的显极结构的本质不同点。该技术方案为采用高性能磁瓦的微型永磁直流电机的设计，提供了设计参数△_m、△_S、b_t2、A_W更大的调节空间，使缩小电机体积、减小重量、保证性能的综合目的能做得更合理更好。本发明的隐极式结构适用于任何极数的电机，特别适合于采用高性能永磁材料的4极以上的电机。

本发明可以通过以下方式进定步完善：

高性能永磁材料包括烧结钕铁硼、稀土。导磁性能良好的铁磁材料包括铁、钻、镍以及它们的合金。假磁瓦由机壳向内冲压成瓦形凸台而成。各磁瓦之间支撑有镶嵌环，该镶嵌环由非导磁材料制成。

本发明的有益效果是：

〈1〉隐极式结构采用一半真磁瓦（由高性能永磁材料制成）和一半假磁瓦（由导磁性好的铁磁材料制成），真磁瓦的厚度△_m可以比相应显极式结构选的大一些。因此，更容易保证真磁瓦的机械强度和提高磁瓦原始材料的利用率，节省真磁瓦的成本。

〈2〉在相同主要部件尺寸的条件下，即定子外径D_S、转子铁芯外径D₂、相同的转子铁芯的长度和槽形、相同极数条件下，要求空载转速n₀高、堵转转矩T_Q低的电机可以采用隐极式结构，对要求n₀低、T_Q高的电机可以采用显极式结构。这就使得同一大小的电机可以得到更多合理的性能方案，由于隐极式结构、磁路饱和度会下降，因此设计参数B_g、A、△_m、A_W以及性能参数n₀、T_Q的调节范围更大、更具灵活性，其三种主要材料（铜、铁、硬磁性材料）的使用比例上调节更灵活，有利于减少电机体积和降低材料成本。

〈3〉隐极式结构真磁瓦的厚度△_m可以选大一些，这使得电机的q轴气隙δ_q也会大一些，δ_q大会削弱电枢反应磁场，这有利于换向以及减少负载时的振动和噪声。

〈4〉如果设计时，使得显极式结构的定、转子磁路处于较为饱和的状态，则当采用隐极式结构时，其所能得到的每极磁通量Φ₂的一半将大于显极式结构磁通量Φ₄的一半即Φ₂ ＞0.5Φ₄。这表明隐极式结构磁瓦利用效能更好。

〈5〉有利于多性能规格的大批量生产，对于相同的机壳、转子铁芯、磁瓦、轴等部件，既可以采用显极式结构，也可以采用隐极式结构，这种兼用方式，可以增加通用部件、减少工装设备的投入，而对于多种电机的性能要求仍有较多的调整方法可供选用。

附图说明

图1为传统式4极显极式微型永磁直流电机的横向结构示意图；

图2为本发明实施例一的结构示意图；

图3为本发明实施例二的结构示意图；

图4为本发明实施例三的结构示意图。

附图标记说明：真磁瓦1，假磁瓦2，转子3，机壳4，磁力线5，镶嵌环6。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细说明：

实施例一、

如图1所示，两块真磁瓦1，由高性能永磁材料制成。两块假磁瓦2，由导磁性能良好的铁磁材料制成，其大小尺寸真磁瓦1完全相同。机壳4为圆筒形，内外壁光滑。四块磁瓦均由胶粘剂粘结在机壳4的内圆柱面上，构成完整的定子。磁力线5经机壳4、真磁瓦1、假磁瓦2、转子3以及两个气隙形成闭合磁路。在一对磁极的平均磁路上，只有真磁瓦1提供激磁势。两块真磁瓦1其面对气隙的凹面为相同极性，即都为N极，或都为S极，若图2中，真磁瓦1为N极，则当磁力线形成闭路时，假磁极2的凹面自然成为S极。这也是所谓隐极的物理意义。

由于只有真磁瓦提供对外磁路的激磁磁势F_m1,，而假磁瓦不提供激磁磁势，即F_m4=0。这样，真磁瓦的厚度△_m可以比相应显极式结构选的大一些。因此，更容易保证真磁瓦的机械强度和提高磁瓦原始材料的利用率，节省真磁瓦的成本。也有利于换向以及减少负载时的振动和噪声。同时，三种主要材料（铜、铁、硬磁性材料）的使用比例上调节更灵活，有利于减少电机体积和降低材料成本。

实施例二、

如图3所示，与实施例一不同之处在于，只用了两块真磁瓦1，假磁瓦2在本实施例中不再是实体的磁瓦形态存在，而是由机壳4向内冲压而成。为了保证合适的气隙，在假磁瓦2的位置上，用冷冲压方式把机壳往内冲，形成形状与假磁瓦形状近似相同的瓦形凸台，凸台内面为瓦状圆柱面。并保证转子3装入后，与转子3表面的间隙正好等于电机要求的气隙δ。冲制的机壳外表对应假磁瓦2的位置往里凹陷，但其变凹的过渡带必须保证与机壳厚度近似相等，以保证磁路畅通。此方案可称为凹陷假磁瓦隐极式结构。

实施例三、

如图4所示，与实施例一不同之处在于，增加了镶嵌环磁瓦圈结构。图4中镶嵌环6由非导磁材料（如塑料等非金属材料）制成，镶嵌环环6中应可以把两块真磁瓦1和两块假磁瓦2嵌入其中，保证嵌入的牢固度，磁瓦之间应保证等角距。形成一个整体磁瓦圈后，再压入定子机壳内。这种磁瓦圈结构，对于磁瓦的粘结工艺，也是一种较为简便的方案，但材料成本略有增加。

虽然本发明已通过参考优选的实施例进行了图示和描述，但是，本专业普通技术人员应当了解，在权利要求书的范围内，可作形式和细节上的各种各样变化。

Claims

1.一种隐极式微型永磁直流电机，包括机壳（4），机壳（4）内设有转子（3），机壳（4）内壁设有磁瓦，其特征是：构成一对磁极的两块磁瓦中，其中一块是由高性能永磁材料制成的真磁瓦（1），另一块是由导磁性能良好的铁磁材料制成的假磁瓦（2）。

2.根据权利要求1所述的隐极式微型永磁直流电机，其特征是：所述高性能永磁材料包括烧结钕铁硼、稀土。

3.根据权利要求1所述的隐极式微型永磁直流电机，其特征是：所述导磁性能良好的铁磁材料包括铁、钻、镍以及它们的合金。

4.根据权利要求1、2或3所述的隐极式微型永磁直流电机，其特征是：所述假磁瓦（2）由机壳（4）向内冲压成瓦形凸台而成。

5.根据权利要求1、2或3所述的隐极式微型永磁直流电机，其特征是：所述各磁瓦之间支撑有镶嵌环（6），该镶嵌环（6）由非导磁材料制成。