CN105356704A - 一种混合磁材料u型永磁容错电机 - Google Patents

一种混合磁材料u型永磁容错电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种混合磁材料U型永磁容错电机，包括同轴的外转子、内定子和电枢绕组。所述内定子包括电枢齿和容错齿，所述外转子包括U型永磁体和转子铁芯，所述电枢绕组采用单层集中绕组。所述U型永磁体由两长一短三段永磁体组合而成，两段长永磁体尺寸相同，呈V型排布，与一段横放的短永磁体一并内嵌在转子铁芯中。其中，一长一短两段永磁体采用铁氧体永磁材料，另一段长永磁体采用钕铁硼永磁材料。本发明改进了电机的磁路结构，提升了永磁材料的利用率；同时采用了大量的铁氧体材料，减少了稀土永磁材料，在保证了电机高功率密度的同时，降低了制造成本。

Description

一种混合磁材料U型永磁容错电机
技术领域
本发明涉及到永磁容错电机，特别是一种混合磁材料U型永磁容错电机，属于新型电机制造的技术领域。
背景技术
现如今永磁电机已经得到了广泛的应用，从汽车到航空航天的众多领域，永磁电机都扮演着十分重要的角色。这主要得益于永磁电机的几个显著特点，包括高转矩密度、高效率以及重量体积小等。永磁电机采用了高磁能积的磁性材料取代了传统的励磁绕组，不仅消除了励磁绕组带来的负面影响，而且简化了电机的机械结构，使电机运行可靠性提高，机械损耗也相应的减小。
虽然永磁电机拥有一系列的优点，但对于要求苛刻的高性能应用，如电动转向系统、伺服电机、风力发电机、电动汽车驱动系统等应用仍然面临许多困难。这些应用对电机的安全可靠性提出了很高的要求，即在电机发生某些故障后，仍然能够安全的运行，因此永磁容错电机成为国内外研究的热点。
永磁容错电机除了具备永磁电机的特点外(体积小、功率密度高、效率高等)，其特殊之处还在于：
(1)物理隔离：采用集中绕组，并且每个齿上只绕制一相绕组，这样就使得各相绕组之间不存在物理上的接触，避免了相间短路故障；
(2)磁隔离：定子齿采用极靴结构，每相绕组都是隔齿绕制，所以电机中的磁力线都是在一相之中单独形成回路，避免各相之间的磁场出现相互耦合的情况；得益于这种结构，在一相发生短路时，不会影响到其他相的正常工作；
(3)热隔离：每个槽都只有单独的一相绕组，各相绕组之间没有直接的接触；所以当一相绕组发生短路时产生的热量，很少或者不会传递到其他相，影响到其他相的绝缘性。
(4)电气隔离：每相绕组都采用独立的桥电路供电；当一相电路发生故障时，不会影响到其他相的电路供电，实现了电气上的隔离。
由于稀土材料的储存量少，而且开采得到限制，所以其价格近几年来日益见长。如何减少永磁电机中稀土材料的用量，降低电机的制造成本，也成为目前永磁电机研究的热点问题。铁氧体永磁材料得益于其价格低廉、供应稳定的优点，已经渐渐成为稀土材料的替代品。但是由于铁氧体材料的磁能积远远小于稀土材料，所以永磁电机完全采用铁氧体仍然与稀土永磁电机在性能上有较大的差距。而将稀土材料与铁氧体材料混合应用于电机，能够在减少成本的同时，获得较高的电机性能。
发明内容
本发明的目的是，提出了一种减少稀土材料用量的混合磁材料U型永磁容错电机。混合磁材料是指铁氧体永磁材料和钕铁硼永磁材料的混合，同时采用U型的永磁体结构，产生聚磁效应，能够优化电机的磁路，增加永磁体的利用率。
本发明采用的技术方案是：一种混合磁材料U型永磁容错电机，包括同轴的内定子和外转子；所述内定子包括沿着电机圆周交替排列的电枢齿和容错齿以及绕在电枢齿上的电枢绕组，所述容错齿对各相绕组起到物理隔离的作用；所述外转子包括转子铁芯、U型永磁体和U型槽、燕尾槽，所述转子铁芯外周设有燕尾槽，转子铁芯内部圆周开有数个开口朝向内定子的U型槽，U型永磁体内嵌在U型槽中；所述U型永磁体由第一长永磁体、第二长永磁体、第三短永磁体组合而成，所述第一长永磁体、第二长永磁体尺寸相同，呈V型排布，与一段横放的第三短永磁体一并内嵌在转子铁芯中。
进一步，所述U型永磁体的第一长永磁体、第三短永磁体为铁氧体永磁体，第二长永磁体为钕铁硼永磁体。
进一步，所述电枢绕组采用单层集中绕组；单层集中绕组能够使各相之间物理上相互隔离。
进一步，所述容错齿为电枢齿提供辅助的磁通路径，所以容错齿的弧度以及齿根处的宽度皆小于电枢齿。
进一步，所述电枢齿和容错齿对应的机械角度分别为19.32°和12.89°，电枢齿与容错齿之间形成的槽口的机械角度为1.89°。
进一步，所述U型永磁体中的第一长永磁体或者第二长永磁体的厚度与第三短永磁体厚度之比为1.15；所述第一长永磁体、第二长永磁体呈直角梯形状，所述第三短永磁体呈等腰梯形状，U型永磁体向内定子开角为60°。
进一步，所述第一长永磁体、第二长永磁体呈直角梯形状的上底与下底分别为9.2mm和10.2mm，高为2.3mm；所述第三短永磁体呈等腰梯形状的上底与下底分别为3.9mm和6.9mm，高为2mm。
进一步，所述内定子和外转子均由导磁材料制成。
有益效果
1.本发明中电枢绕组采用单层集中绕组，能够实现电机良好的容错性能以及减小电机的端部损耗。
2.本发明采用U型的永磁体阵列，由于其聚磁效应，使得本发明的有效永磁磁通大大增加，提升了电机的功率密度。
3.本发明中的永磁体大量的采用了价格低廉的铁氧体材料，降低了稀土材料的用量，使电机的制造成本大大降低。
4.本发明转子铁芯中采用了燕尾槽的结构，有利于减小电机转子部分的漏磁，增加永磁体的利用率。
5.本发明中采用了容错齿的结构，能够有效的提升电机的容错性能。
6.U型永磁体中的三段永磁体采用何种方式进行磁材料混合，是经过多次仿真实验，比较实验结果得到的；U型永磁体中的第一长永磁体或者第二长永磁体的厚度与第三短永磁体厚度之比为1.15；所述第一长永磁体、第二长永磁体呈直角梯形状，所述第三短永磁体呈等腰梯形状，U型永磁体向内定子开角为60°，通过综合考虑磁材料的用量和电机的性能参数，最终确定的上述U型永磁体中铁氧体与钕铁硼的排列方式，能够最高效的聚集磁通，增加铁氧体的利用率，提升电机的功率密度。转子铁芯开有燕尾槽，能够有效的减小电机的漏磁，增加永磁体的利用率。
7.电枢绕组采用单层集中绕组；单层集中绕组能够起到各相之间物理上相互隔离的作用，而且能够使电机获得更高的自感和更低的互感，提升电机的容错性能；集中绕组由于端部较短，可以降低电机的端部损耗。
附图说明
图1为本发明中混合磁材料U型永磁容错电机的结构示意图。
图2为已有的钕铁硼V型永磁容错电机的结构示意图。
图3为U型永磁体的结构。
图4本发明中混合磁材料U型电机与已有钕铁硼V型电机的反电势比较图。
图5为本发明中U型电机与已有V型电机的反电势谐波分析图。
图6为本发明中U型电机与已有V型电机的输出转矩比较图。
图中标号名称：1.燕尾槽，2.外转子，3.铁氧体永磁体，4.钕铁硼永磁体，5.容错齿，6.电枢绕组，7.电枢齿，8.内定子。
具体实施方式
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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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装置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。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明“多个”的含义是两个或两个以上。
图1所示为本发明中的混合磁材料U型永磁容错电机结构图。包括外转子2和内定子8，两者均为导磁材料。外转子2包括燕尾槽1、铁氧体永磁体3和钕铁硼永磁体4，永磁体3和4共同组成了转子中内嵌的U型永磁体。U型永磁体能够起到很好的聚磁效应。燕尾槽1能够有效的减小电机的外部漏磁。内定子8包电枢齿7、容错齿5和电枢绕组6，容错齿5为电枢齿4提供辅助的磁通回路，同时还能够对各相的电枢绕组起到物理隔离的作用，在电机性能上表现为减小电机的互感与自感之比，提升电机的容错性能。电枢绕组6采用单层集中绕组，不仅能够在物理上隔绝其他相的绕组，避免相间短路，增大了电机的可靠性，而且能够减小端部绕组，减小电机的端部损耗。U型永磁体结构能够充分利用转子内部的空间，优化电机的磁路，增加永磁体的利用率。同时，U型永磁体结构的聚磁效应，使电机的有效永磁磁通大大增加，提升了电机的功率密度。图3所示为U型永磁体，由两段直角梯形永磁体(第一长永磁体、第二长永磁体)和一段等腰梯形永磁体(第三短永磁体)组成，内嵌在U形槽中，且U型永磁体面向内定子开角60度。
所述电枢齿7和容错齿5对应的机械角度分别为19.32°和12.89°，电枢齿7与容错齿5之间形成的槽口的机械角度为1.89°。所给实施例的电枢齿7和容错齿5的齿根处宽度分别为8.96mm和6.97mm。所述U型永磁体中的第一长永磁体或者第二长永磁体的厚度与第三短永磁体厚度之比为1.15；所述长永磁体呈直角梯形状，上底与下底分别为9.2mm和10.2mm，高为2.3mm；所述短永磁体呈等腰梯形状，上底与下底分别为3.9mm和6.9mm，高为2mm。
为了体现混合磁材料U型永磁容错电机的优势所在，本发明给出了U型电机与已有的钕铁硼V型永磁容错电机的性能对比，钕铁硼V型电机的结构图如图2所示。
钕铁硼V型电机包括同轴的内定子8和外转子2，两者均为导磁材料构成。内定子8包括电枢齿7、容错齿5以及环绕在齿上的电枢绕组6。容错齿5为电枢齿7提供辅助的磁通回路，同时还能够对各相的电枢绕组起到物理隔离的作用，提高电机的容错性能。外转子包括V型的钕铁硼永磁体4和燕尾槽1。V型永磁体面向内定子开角88°，内嵌在外转子2内部。燕尾槽1能够有效的减小电机外部的漏磁。
图4反映了两种电机在反电势性能上的比较。由图可知，混合磁材料U型电机的反电势幅值明显高于已有的钕铁硼V型电机，分别为50V和43V。从图5中的反电势谐波分析可以看出，U型电机反电势的基波幅值要大于V型电机，分别为50.8V和43.3V，而且其他次谐波的含量增幅非常小，所以并不会对输出转矩的脉动产生明显的影响。图6给出了两种电机在输出转矩上的比较。U型电机的平均转矩比V型电机要大，分别为11.4Nm和10.4Nm，而且电机的转矩脉动基本保持不变，说明U型电机的转矩性能相比V性有明显的优势。
具体的数据分析如下表1所示。由表可知，混合磁材料U型电机所用钕铁硼的体积远小于已有的钕铁硼V型电机，仅为其54％。而U型电机的反电势却比V型电机增加了7V，从43V增大到了50V。U型电机的平均转矩也从V型电机的10.4Nm增大到了11.4Nm，增加了10％。也就是说混合磁材料U型永磁容错电机仅用了54％的稀土材料就达到了110％的平均转矩，可见其性能提升的同时，也大幅的削减的电机的成本。
表1
项目 混合磁材料U型电机 已有的钕铁硼V型电机
铁氧体体积(cm3) 43.73 0
钕铁硼体积(cm3) 29.42 54.73
钕铁硼用量比例 54％ 100％
反电势(V) 50 43
平均转矩(Nm) 11.4 10.4
平均转矩比例 110％ 100％
综上所述，混合磁材料U型容错电机，不仅具备永磁容错电机高转矩密度、高效率、高可靠性和容错性的特点，而且在大幅削减了稀土材料，减少电机制造成本的同时，提升了电机的总体性能，足见其优势所在。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上对本发明所提供的一种混合磁材料U型永磁容错电机并对此进行了详细介绍，本文应用了具体个例对本发明的原理和实施方式进行了阐述，所要说明的是，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之内。

Claims (8)

1.一种混合磁材料U型永磁容错电机，其特征在于：包括同轴的内定子(8)和外转子(2)；
所述内定子(8)包括沿着电机圆周交替排列的电枢齿(7)和容错齿(5)以及绕在电枢齿(7)上的电枢绕组(6)，所述容错齿(5)对各相绕组起到物理隔离的作用；
所述外转子(2)包括转子铁芯、U型永磁体和U型槽、燕尾槽(1)，所述转子铁芯外周设有燕尾槽(1)，转子铁芯内部圆周开有数个开口朝向内定子(8)的U型槽，U型永磁体内嵌在U型槽中；所述U型永磁体由第一长永磁体、第二长永磁体、第三短永磁体组合而成，所述第一长永磁体、第二长永磁体尺寸相同，呈V型排布，与一段横放的第三短永磁体一并内嵌在转子铁芯中。
2.根据权利要求1所述的一种混合磁材料U型永磁容错电机，其特征在于：所述U型永磁体的第一长永磁体、第三短永磁体为铁氧体永磁体(3)，第二长永磁体为钕铁硼永磁体(4)。
3.根据权利要求1所述的一种混合磁材料U型永磁容错电机，其特征在于：所述电枢绕组(6)采用单层集中绕组；单层集中绕组能够使各相之间物理上相互隔离。
4.根据权利要求1所述的一种混合磁材料U型永磁容错电机，其特征在于：所述容错齿(5)为电枢齿(7)提供辅助的磁通路径，所以容错齿(5)的弧度以及齿根处的宽度皆小于电枢齿(7)。
5.根据权利要求4所述的一种混合磁材料U型永磁容错电机，其特征在于：所述电枢齿(7)和容错齿(5)对应的机械角度分别为19.32°和12.89°，电枢齿(7)与容错齿(5)之间形成的槽口的机械角度为1.89°。
6.根据权利要求1所述的一种混合磁材料U型永磁容错电机，其特征在于：所述U型永磁体中的第一长永磁体或者第二长永磁体的厚度与第三短永磁体厚度之比为1.15；所述第一长永磁体、第二长永磁体呈直角梯形状，所述第三短永磁体呈等腰梯形状，U型永磁体向内定子开角为60°。
7.根据权利要求6所述的一种混合磁材料U型永磁容错电机，其特征在于：所述第一长永磁体、第二长永磁体呈直角梯形状的上底与下底分别为9.2mm和10.2mm，高为2.3mm；所述第三短永磁体呈等腰梯形状的上底与下底分别为3.9mm和6.9mm，高为2mm。
8.根据权利要求1所述的一种混合磁材料U型永磁容错电机，其特征在于：所述内定子(8)和外转子(2)均由导磁材料制成。
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