CN104184290B - 混合磁材料永磁容错游标电机 - Google Patents

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本发明公开了一种混合磁材料永磁容错游标电机,包括同轴的外转子和内定子,所述内定子包括定子铁芯和定子绕组,所述外转子包括内磁场的Halbach永磁阵列和转子铁芯,所述Halbach永磁阵列贴于转子铁芯的内表面,由径向磁化的钕铁硼永磁材料和切向磁化的铁氧体永磁材料相间排列组成。本发明的改进降低了相邻N极和S极永磁体之间的漏磁磁通,提高了稀土永磁材料的利用率;并且由于铁氧体永磁材料的使用,减少了稀土永磁材料的用量,降低了电机的制造成本。

Description

混合磁材料永磁容错游标电机
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种永磁同步电机,特指一种混合磁材料永磁容错游标电机。
背景技术
[0002] 直接驱动技术将电机与负载直接相联,取消了传统的机械变速机构,从而可以省 去诸如机械疲劳、摩擦损耗以及震动噪音等诸多弊端,其应用领域十分广泛,尤其在新能 源、国防、先进制造业等诸多要求低速高转矩的特殊场合。而衡量驱动系统性能好坏的一个 重要指标是电机转矩密度的大小,电机在直接驱动系统中的功能相当于"设备的心脏"。随 着时代的发展,许多应用场合对电机的要求不只停留在于尺寸和效率的大小方面,而且对 电机的性能有更高的要求。
[0003] 传统永磁电机常用大幅增加槽数、绕组数和永磁体极数的方法,来提高其低速大 转矩的能力,可是电机体积和重量也会随之增加,虽然其输出转矩因此而提高,但系统的转 矩密度却无法达到要求。因此,一种新型高转矩密度永磁电机一永磁游标电机得到诸多学 者的关注并对其开展了相关的研究,它是基于"磁齿轮效应"工作的,通过在定子结构上引 入调制齿,在定子电枢极数和槽数较少的情况下,绕组在气隙内产生特定的空间谐波与极 数较大的永磁体相互作用,从而实现了低速大转矩的性能。可是,对于表贴式永磁游标电机 而言,相邻N极和S极永磁体之间存在较为严重的漏磁,严重影响了稀土永磁体的利用率。
发明内容
[0004] 本发明的目的为了解决现有表贴式永磁游标电机中相邻永磁体之间严重漏磁和 稀土永磁材料的利用率偏低的问题而提出的一种混合磁材料永磁容错游标电机。该混合磁 材料电机是指在该电机中既使用铁氧体永磁材料,又使用钕铁硼永磁材料。
[0005] 本发明采用的技术方案是:
[0006] -种混合磁材料永磁容错游标电机,包括同轴的外转子和内定子,所述内定子包 括定子铁芯和定子绕组,所述外转子包括内磁场的Halbach永磁阵列和转子铁芯,所述 Halbach永磁阵列表贴于转子铁芯的内表面,由径向磁化的钕铁硼永磁材料和切向磁化的 铁氧体永磁材料相间排列组成。上述改进降低了相邻N极和S极永磁体之间的漏磁磁通,提 高了稀土永磁材料的利用率;并且由于铁氧体永磁材料的使用,减少了稀土永磁材料的用 量,降低了电机的制造成本。
[0007] 作为本发明的进一步,所述Halbach永磁阵列的钕铁硼永磁材料宽度与调制齿宽 度相等。当钕铁硼永磁材料宽度与调制齿宽度相等时,所述Halbach永磁阵列的钕铁硼永磁 材料的利用率最高,并且此时漏磁磁通很少。
[0008] 作为本发明的进一步,所述钕铁硼永磁材料与铁氧体永磁材料的宽度比为3:1。此 时,所述Ha Ibach永磁阵列的钕铁硼永磁材料的利用率最优。
[0009] 作为本发明的进一步,所述定子绕组为三相单层集中绕组,所述单层集中绕组交 替缠绕在电枢齿上。由于采用了容错齿和单层集中式绕组,使得该电机在结构上具有自解 耦作用,从而具有很高的各相磁隔离、热隔离、物理隔离和电隔离的容错能力。
[0010]作为本发明的进一步,所述定子铁芯和转子铁芯采用DW540_50材料冲片叠压而 成。
[0011] 本发明的有益效果是:本发明的混合磁材料永磁容错游标电机由于使用了铁氧体 永磁材料作为相邻N极和S极永磁体之间的隔磁磁障,降低了相邻N极和S极永磁体之间的漏 磁磁通,提高了稀土永磁材料的利用率;并且由于铁氧体永磁材料的使用,减少了稀土永磁 材料的用量,降低了电机的制造成本。
附图说明
[0012] 图1是本发明结构简图;
[0013] 图2是原有游标电机结构简图;
[0014] 图3是永磁体与调制齿宽度示意图;
[0015] 图4是原有游标电机开路磁场分布图;
[0016] 图5是本发明开路磁场分布图;
[0017] 图6是本发明与原有游标电机定位转矩对比图;
[0018] 图7是本发明与原有游标电机反电势对比图;
[0019] 图8是本发明与原有游标电机反电势谐波分析对比图。
[0020] 图1-8中:1-定子铁芯;2-转子铁芯;3-电枢齿;4-容错齿;5-集中绕组;6-调制齿; 7_钕铁硼永磁材料;8-铁氧体永磁材料。
具体实施方式
[0021] 下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0022] 如图1所示,一种混合磁材料永磁容错游标电机,包括同轴的外转子和内定子,所 述内定子包括定子铁芯1和定子绕组,所述外转子包括内磁场的Halbach永磁阵列和转子铁 芯2,所述Halbach永磁阵列表贴于转子铁芯2的内表面,由径向磁化的钕铁硼永磁材料7和 切向磁化的铁氧体永磁材料8相间排列组成。所述定子铁芯1外周顶部分布着交替排列的电 枢齿3和容错齿4,电枢齿3和容错齿4的齿宽大小不一致;调制齿6均匀地分布在电枢齿3和 容错齿4的齿顶部,并且每个电枢齿和每个容错齿上调制齿数相等。
[0023]进一步,所述Halbach永磁阵列的钕铁硼永磁材料7宽度与调制齿6宽度相等。
[0024]进一步,所述钕铁硼永磁材料7与铁氧体永磁材料8的宽度比为3:1。
[0025]进一步,所述定子绕组为三相单层集中绕组5,所述单层集中绕组5交替缠绕在电 枢齿3上。
[0026]进一步,所述定子铁芯1和转子铁芯2采用DW540_50材料冲片叠压而成。
[0027]如图3所示,给出了钕铁硼永磁材料7和铁氧体永磁材料8及调制齿宽度的关系,为 了体现该混合磁材料容错永磁游标电机的优势,本发明给出了其与原有永磁游标电机(附 图中也称原有电机,如图2)的性能对比。如表1所示,表1给出了在不同的钕铁硼永磁材料7 的宽度1^与调制齿6的宽度L 2比值下,混合磁材料电机反电势幅值和基波幅值,从表1可以看 出1^与1^比值小于1时,随着其比值的增大,即增加稀土材料的用量,混合磁材料电机的电磁 性能在增大;可是其比值大于1时,即使再增加稀土材料的用量,混合磁材料电机电磁性能 亦基本不变;因此,综合考虑稀土永磁材料的用量和反电势基波幅值,1^与1^比值为1时,混 合磁材料电机能得到很好的电磁性能;此外,表1也给出了在不同的Li与L2比值下,混合磁材 料电机总磁力线和有效磁力线及漏磁磁力线条数,从表中可以看出随着Li与L 2比值的增大, 总磁力线和漏磁磁力线条数亦随之增大,但是有效磁力线条数在1^与1^比值为1时,达到最 大,此时,钕铁硼永磁材料7的利用率最高,相应的漏磁磁通亦很小,并且钕铁硼永磁材料7 宽度L 1与铁氧体永磁材料8宽度L3的比为3:1。
[0028]表 1
Figure CN104184290BD00051
[0030] 附图4给出了原有永磁游标电机的开路磁场分布图;附图5给出了混合磁材料容错 永磁游标电机的开路磁场分布图。表2给出了两者的磁力线分布情况。从表2和图4、5中对比 可以得出两个模型能提供类似的磁力线,传统稀土永磁模型只有50%的磁通形成了有效的 回路,而另外50%磁通则形成了漏磁;而混合磁材料模型由于使用了铁氧体永磁材料作为 隔磁磁障,71%磁通形成了有效的回路,只有29%左右的漏磁通。
[0031] 表2
Figure CN104184290BD00052
[0033] 上述混合磁材料模型相比于传统稀土永磁模型减小了相邻的N极和S极之间的漏 磁磁通,提高了稀土永磁材料的利用率,并且由于使用了铁氧体永磁材料,减少了稀土永磁 材料的用量。表3给出了两电机的永磁材料用量和比例及反电势幅值的对比,可以看出该混 合磁材料永磁电机的钕铁硼用量只有传统的稀土永磁电机的75 %左右。
[0034] 表 3
Figure CN104184290BD00053
[0036]附图6给出了两种模型的定位转矩对比图,图中可以看出混合磁材料容错永磁游 标电机的定位转矩明显小于原有永磁游标电机,因此运行时电机的转矩脉动也相应地降 低。
[0037]附图7给出了两种模型的单层集中式绕组5的反电势波形,附图8给出了反电势的 谐波分析,结合图7和图8中可以看出与原有永磁游标电机相比,该混合磁材料永磁游标电 机可提供相近的反电势波形,反电势基波幅值亦基本相近。
[0038]综上所述,该混合磁材料永磁容错游标电机使用了铁氧体永磁材料作为稀土永磁 材料的隔磁磁障,降低了相邻极性相反的稀土永磁材料之间的漏磁磁通,提高了稀土永磁 材料的利用率。由于铁氧体永磁材料的使用,减少了稀土永磁材料的用量,降低了电机的制 造成本,又能提供与传统的稀土永磁游标电机相近的电磁性能,为磁材料的混合使用开辟 了广阔的前景。
[0039]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明。凡在本发明的精 神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围。

Claims (3)

1. 一种混合磁材料永磁容错游标电机,其特征在于:包括同轴的外转子和内定子,所述 内定子包括定子铁芯(1)和定子绕组,所述外转子包括内磁场的Halbach永磁阵列和转子铁 芯(2),所述Halbach永磁阵列表贴于转子铁芯(2)的内表面,由径向磁化的钕铁硼永磁材料 (7)和切向磁化的铁氧体永磁材料(8)相间排列组成; 所述Halbach永磁阵列的钕铁硼永磁材料(7)宽度与调制齿(6)宽度相等; 所述钕铁硼永磁材料(7)与铁氧体永磁材料(8)的宽度比为3:1。
2. 根据权利要求1所述的一种混合磁材料永磁容错游标电机,其特征在于:所述定子绕 组为三相单层集中绕组(5),所述单层集中绕组(5)交替缠绕在电枢齿(3)上。
3. 根据权利要求1所述的一种混合磁材料永磁容错游标电机,其特征在于:所述定子铁 芯(1)和转子铁芯(2)采用DW540_50材料冲片叠压而成。
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