CN103222155A - 铁氧体三段式三相永磁电机 - Google Patents

Abstract

一种铁氧体三段式三相永磁电机，其定子铁芯是由软磁铁氧体制成的三段式结构，A、B、C三相绕组各占一段；其中定子铁芯的齿槽数Z、转子磁极数2P之间有Z=2P=2X，其中X=21、22、23、…100；其中每一个齿的前后、左右均形成用于嵌装绕组的凹槽；每一相有2X个集中绕组并按A->/A的方式循环排布；B、C结构相同，且A、B、C三相定子铁芯的空间相位互差120°电角度。该电机具有绕组端部小、定位力矩小、铜耗和铁损耗小等优点。

Description

[根据细则37.2由ISA制定的发明名称]　铁氧体三段式三相永磁电机 技术领域

本发明涉及永磁电机，更具体地说，涉及一种铁氧体三段式三相永磁电机，该电机适用于冰箱、空调和高速驱动应用。

背景技术

永磁电机的定子铁芯一般采用硅钢片，转子一般采用稀土永磁体，例如钕铁硼永磁体。硅钢片和稀土永磁体材料正越来越稀缺，价格越来越贵。为了改变这种状况，人们做了很多努力。

其中一种改进方案是采用无定子铁芯的电机，这类设计必然会增加永磁体的用量。

另一种改进方案是采用硬磁铁氧体磁钢，可以避免使用稀土永磁体材料，但必然导致电机的磁负荷变低，只能相应地提高电负荷来补救，于是必需增加用铜量，电机的铜损耗增加，更重要的是电机的力能指标会会因此大幅下降。

发明内容

针对现有永磁电机的上述缺陷，本发明要解决传统永磁电机铜耗大、成本高等问题。

本发明的技术方案是，提供铁氧体三段式三相永磁电机，所述电机的转子铁芯上装有多对永磁体，定子铁芯上装有三相绕组，其中，所述定子铁芯是由软磁铁氧体制成的三段式结构，A、B、C三相绕组各占其中一段；所述转子铁芯中的永磁体由硬磁铁氧体制成，其磁极数2P=2X，其中X=21、22、23、...100；针对A相绕组所在的第一段定子铁芯，其齿槽数Z=2X；其中每一个齿的外圆端宽度M11、内圆端宽度M21、齿心宽度M31的关系是M11＞M21＞M31；且每一个齿的外圆端轴向长度M12、内圆端轴向长度M22、齿心轴向长度M32的关系是M12＞M32、M22＞M32；从而在齿的前后、左右均形成用于嵌装绕组的凹槽；A相有2X个集中绕组，分别绕在2X个齿上，并按A→/A的方式循环排布，其中的“/A”表示A相的一个反相连接的集中绕组；所述B、C相绕组所在的第二、第三段定子铁芯及绕组结构与A相相同。

本发明中，所述定子铁芯与转子铁芯之间的物理气隙可为0.5～3.0mm；相邻两个齿之间的槽口的宽度为0.2～3.0mm。

本发明的每一段定子铁芯中，软磁铁氧体的体积电阻为100Ω～50KΩ，并选自锰芯软磁铁氧体、镍芯软磁铁氧体、微晶硅软磁铁氧体、或SMC软磁复合材料中的一种。

本发明的一个优选方案中，每一段所述定子铁芯由独立的2X个齿拼接而成，其中除了拼接表面之外的其余表面均被绝缘层包覆，所述绝缘层的厚度为0.02～0.5mm。本发明的另一个优选方案中，所述定子铁芯为预制成整体的一体式结构。每一段所述定子铁芯沿轴向又可分成多段，包括在所述齿的前部形成前凹槽的前段、在所述齿的后部形成后凹槽的后段、以及位于所述前段与后段之间的至少一个中间段

本发明中，还可所述每一个齿的圆弧上均匀设置有三个微型槽，所述微型槽的槽宽为1～2mm,槽深为0.3～2mm。

本发明的一个优选方案中，所述转子铁芯上各个永磁体的N、S磁极相间排列；每个所述永磁体是径向充磁的瓦形硬磁铁氧体磁钢、或者是平行充磁的瓦形硬磁铁氧体磁钢。

本发明的另一个优选方案中，所述永磁体是径向充磁的硬磁铁氧体磁块，并嵌装于所述转子铁芯的表面；每个所述磁块的极距为πD/2X，轴向物理尺寸L是100～1000mm，其中D是转子外径，磁块的外弦长为πD/2X，磁块的内弦的直径为-πD/2Xn，其中n=1～3。

本发明中，所述转子铁芯的外圆上可套有一个厚度为0.15～2mm的碳纤维、玻璃丝或铝质保护套。

由于采取了上述技术方案，本发明的三相永磁电机具有绕组端部最小化、气隙最小化、材料最小化、定位力矩最小化以及铁损和铜损最小化等一系列优点，具有更高工作转速、更高的功率/体积比和力矩/体积比，成本达到了最低化。这种三相永磁电机可以替代现有的大功率永磁电动机，或者汽车用大功率驱动电机。

附图说明

图1是本发明一个优选实施例中电机总装结构示意图；

图2是本发明一个优选实施例中电机A相的定子、转子结构示意图；

图3是图2中所示的单个齿的主视图；

图4是图3中所示单个齿的左视图；

图5是本发明一个优选实施例中瓦形硬磁铁氧体磁钢转子的结构示意图；

图6是本发明一个优选实施例中径向充磁的硬磁铁氧体磁块构成的转子结构示意图；

图7是本发明另一优选实施例中在齿的内圆弧上设置微型槽的示意图；

图8是本发明一个优选实施例中将每段定子铁芯进一步沿轴向分成三段的示意图。

具体实施方式

如图1所示为本发明的一个优选实施例，该铁氧体三段式三相永磁电机的主要部件包括转子1、定子2、转轴30等，转子1与定子2之间的物理气隙5为0.5～3.0mm。其中的定子铁芯是由软磁铁氧体制成的三段式结构，A、B、C三相绕组各占其中第一、第二、第三段；

后面的实施例中，取X=50，所以有Z=2P=2X=100；具体实施时，还可取X=21、22、23、...100中的任一数值。如图2所示，后面的描述中均以A相为例进行说明，第一段定子铁芯由100个独立的软磁铁氧体制成的齿40拼成，所以定子的齿槽数Z=100。

如图3和图4所示，其中每一个齿40的外圆端50的宽度M11、内圆端60的宽度M21、齿心70的宽度M31的关系是M11＞M21＞M31；且每一个齿的外圆端50的轴向长度M12、内圆端60的轴向长度M22、齿心70的轴向长度M32的关系是M12＞M32、M22＞M32；从而在齿的轴向和径向均形成用于放置绕组的前后凹槽、左右凹槽；这种结构的好处是绕组都装于凹槽中，理想的状态是绕组不会突出于图3中的左右端面，即绕组的厚度被限定于齿的左右凹槽中；同时绕组也不会突出于图4中左右端面，即绕组的长度被限定于齿的前后凹槽中。

其中，A相有100个集中绕组，分别绕在100个齿上，A相绕组的绕线连接方式是A→/A→A→/A→A→/A→A→/A→100个齿循环。其中的“/A”表示A相的一个反相连接的集中绕组。

所述B、C相绕组所在的第二、第三段定子铁芯及绕组结构与A相相同，且A、B、C三相定子铁芯的空间相位互差120°电角度。B相绕组的绕线连接方式是B→/B→B→/B→B→/B→B→/B→B→/B→100个齿循环；C相绕组的绕线连接方式是C→/C→C→/C→C→/C→C→/C→C→/C→100个齿循环。

由于每个齿上的前后凹槽、左右凹槽结构，集中绕组外边缘都被限定于定子铁芯内部，与传统电机相比，这种电机节省了大量的绕组导线，用铜和用铁量大幅减小，从而具有更高的功率/体积比、更高的力矩/体积比，成本达到了最低化。

对于转子轴向长度与直径比为1/10的100极电机，电机轴向长度L=D/10，电机每极匝数N，则电机每相绕组的总长度为100N（D/10+лD/100），而传统电机每相绕组的总长度100N（D/10+2лD/100）；因此，本实施例中绕组导线减短了1.239倍。其中，转子采用硬磁铁氧体，避免使用稀土永磁体材料，虽然会导致电机的磁负荷下降2倍，需要提高2倍电负荷来补救电机性能，但由于绕组的总长度减短1.239倍，电机的铜损耗会相应减小1.535倍；又由于电机的定子采用软磁铁氧体，电机的铁损耗会减小3～10倍，因此，这种电机的综合损耗与传统集中绕组三相永磁电机相当，甚至更小；又由于电机磁负荷下降2倍，所以电机的定位力矩和力矩波动比传统集中绕组电机小20～30%左右，噪音也比传统集中绕组电机小；电机的用铜量减小，对减小电机内阻更为有利。

由于定子铁芯采用了软磁铁氧体，工作频率高达10KHz，可允许电机以每分钟数万转转速旋转，对于高速应用很有意义。该电机可以采用三相方波或正弦波电流驱动。

具体实施时，针对每一段定子铁芯的100个齿中，除了拼接表面之外的其余表面均被绝缘层包覆，绝缘层厚度可为0.02～0.5mm，拼接成之后，相邻两个齿之间的槽口3的宽度为0.2～3.0mm。其中，软磁铁氧体的体积电阻可为100Ω～50KΩ，因此软磁铁氧体定子的铁芯损耗比硅钢片定子铁芯小3～10倍甚至更多。这里的软磁铁氧体可以是锰芯软磁铁氧体、镍芯软磁铁氧体、微晶硅软磁铁氧体、或SMC软磁复合材料中的某一种制成，其饱和磁密必然不会低于永磁铁氧体的剩磁磁密，它们是天然匹配的。

对于图2所示的定子铁芯，可采用烧结工艺、粘结工艺、注射工艺、混合工艺中的某种工艺制成一个个的独立齿，此时可针对每个齿绕制正向或反向串联的绕组，然后再拼接成一段整体的定子铁芯组件。如图7所示的实施例中，每一个齿的内圆弧上均匀设置有三个微型槽，其槽宽为1～2mm,槽深为0.3～2mm。

如图5所示的实施例中，转子铁芯上各个永磁体的N、S磁极相间排列，这里的永磁体是径向充磁的瓦形硬磁铁氧体磁钢、或者是平行充磁的瓦形硬磁铁氧体磁钢。从图中可以看出，铁氧体磁钢的外圆两侧有不大于15°、长度不大于铁氧体磁钢的外圆弧长1/4的削角，如图5。该电机转子的直轴磁阻与交轴磁阻相同，属于隐极电机，该电机的运行噪声比凸极电机小。

如图6所示的实施例中，永磁体是径向充磁的硬磁铁氧体磁块，该永磁体的极距πD/100，轴向物理尺寸L是100～1000mm，其中D是转子外径，磁块的外弦长为πD/100，磁块的内弦的直径为-πD/2Xn，其中n=1.0，故

磁块的内径为-πD/2Xn=-πD/150。图6中所示是由n=1.0的径向充磁的硬磁铁氧体磁块构成的转子。其中采用内嵌式永磁体，转子的直轴磁阻比交轴磁阻大，具有凸极效应，该电机运行时可获得凸极力矩，出力比隐极电机更大。

如图2所示，本实施例中，在转子的外圆上套有一个厚度为0.15～2mm的保护套，该保护套可由碳纤维、玻璃丝或铝制成，在电机高速旋转时可防止转子上的永磁体离心力过大而脱落。

如图8所示，本发明的另一实施例，每一段定子铁芯沿轴向进一步分成三段，包括在齿的前部形成前凹槽的前段(图8中的左侧段)、在齿的后部形成后凹槽的后段(图8中的右侧段)、以及位于前段与后段之间的中间段(图8中的中间段)。具体实施时，中间段的数量可以是一个或多个；当前段和后段的长度固定不变时，通过增加中间段的数量，或者调节中间段的长度，即可调节整个定子铁芯的轴向长度。这种轴向分段的结构可适用于图2所示的多个齿拼接成定子铁芯的情形，即每一段定子铁芯中的每一个齿分成多段，图8中示出的是与图4对应的单个齿的左视图结构，其主视图结构如图3所示。

上述实施例中的铁氧体三段式三相永磁电机，通常用作电动机，并采用三相方波或正弦波电流驱动；适用于大功率三相永磁电机高速驱动应用；当它由旋转机械带动，也可成为三相永磁发电机。

Claims (9)

1. 一种铁氧体三段式三相永磁电机，所述电机的转子铁芯(1)上装有多对永磁体(4)，定子铁芯(2)上装有三相绕组，其特征在于，所述定子铁芯是由软磁铁氧体制成的三段式结构，A、B、C三相绕组各占其中一段；所述转子铁芯中的永磁体由硬磁铁氧体制成，其磁极数2P=2X，其中X=21、22、23、...100；针对A相绕组所在的第一段定子铁芯，其齿槽数Z=2X；其中每一个齿的外圆端宽度M11、内圆端宽度M21、齿心宽度M31的关系是M11＞M21＞M31；且每一个齿的外圆端轴向长度M12、内圆端轴向长度M22、齿心轴向长度M32的关系是M12＞M32、M22＞M32；从而在齿的前后、左右均形成用于嵌装绕组的凹槽；A相有2X个集中绕组，分别绕在2X个齿上，并按A→/A的方式循环排布，其中的“/A”表示A相的一个反相连接的集中绕组；所述B、C相绕组所在的第二、第三段定子铁芯及绕组结构与A相相同，且A、B、C三相定子铁芯的空间相位互差120°电角度。
2. 根据权利要求1所述的铁氧体三段式三相永磁电机，其特征在于，所述定子铁芯与转子铁芯之间的物理气隙为0.5～3.0mm；相邻两个齿之间的槽口(3)的宽度为0.2～3.0mm；所述转子铁芯的外圆上套有一个厚度为0.15～2mm的碳纤维、玻璃丝或铝质保护套。
3. 根据权利要求1所述的铁氧体三段式三相永磁电机，其特征在于，所述软磁铁氧体的体积电阻为100Ω～50KΩ，并选自锰芯软磁铁氧体、镍芯软磁铁氧体、微晶硅软磁铁氧体、或SMC软磁复合材料中的一种。
4. 根据权利要求1所述的铁氧体三段式三相永磁电机，其特征在于，每一段所述定子铁芯由独立的2X个齿拼接而成，其中除了拼接表面之外的其余表面均被绝缘层包覆，所述绝缘层的厚度为0.02～0.5mm。
5. 根据权利要求1-4中任一项所述铁氧体三段式三相永磁电机，其特征在于，所述转子铁芯上各个永磁体的N、S磁极相间排列；每个所述永磁体是径向充磁的瓦形硬磁铁氧体磁钢、或者是平行充磁的瓦形硬磁铁氧体磁钢。
6. 根据权利要求5所述的铁氧体三段式三相永磁电机，其特征在于，所述铁氧体磁钢的外圆两侧设有不大于15°、长度不大于铁氧体磁钢的外圆弧长1/4的削角。
7. 根据权利要求1-4中任一项所述的铁氧体三段式三相永磁电机，其特征在于，所述永磁体是径向充磁的硬磁铁氧体磁块，并嵌装于所述转子铁芯的表面；每个所述磁块的极距为πD/2X，轴向物理尺寸L是100～1000mm，其中D是转子外径，磁块的外弦长为πD/2X，磁块的内弦的直径为-πD/2Xn，其中n=1～3。
8. 根据权利要求1-4中任一项所述的铁氧体三段式三相永磁电机，其特征在于，所述每一个齿的圆弧上均匀设置有三个微型槽，所述微型槽的槽宽为1～2mm,槽深为0.3～2mm。
9. 根据权利要求1-4中任一项所述的铁氧体三段式三相永磁电机，其特征在于，每一段所述定子铁芯沿轴向又分成多段，包括在所述齿的前部形成前凹槽的前段、在所述齿的后部形成后凹槽的后段、以及位于所述前段与后段之间的至少一个中间段。