CN105391264A - 组合磁极式内置切向永磁同步电机 - Google Patents

Abstract

组合磁极式内置切向永磁同步电机，属于永磁电机领域，本发明为解决正弦波驱动的稀土永磁同步电机气隙磁场存在谐波和易出现局部不可逆退磁的问题。本发明包括转子和定子，转子包括多个转子磁极和转子铁心，转子铁心沿圆周方向均布多个转子磁极，每个转子磁极均沿径向竖直嵌入定子铁心内；转子磁极包括稀土永磁磁极和铁氧体永磁磁极；铁氧体永磁磁极靠近气隙侧，铁氧体永磁磁极内部端面与稀土永磁磁极的外部端部结合在一起；稀土永磁磁极和铁氧体永磁磁极的充磁方向均为平行充磁，充磁方向相同，均与所在半径垂直。该结构的永磁同步电机使得气隙磁场谐波含量降低，提高了电机效率，同时铁氧体永磁材料价格便宜，降低了成本。

Description

组合磁极式内置切向永磁同步电机

技术领域

本发明涉及一种组合磁极式的转子结构，属于永磁电机领域。

背景技术

随着环境与能源危机等问题的日益严重，高效节能的电气设备成为发展趋势，由此极大的促进了高功率密度、高效率的稀土永磁同步电机的发展。但稀土永磁材料的价格一直居高不下，而稀土永磁电机受稀土永磁材料价格波动影响较大，因此稀土永磁电机的成本也随之受到影响，较高的成本大大压缩了稀土永磁同步电机的发展空间。而且稀土材料属于不可再生资源，电机系统中过多的稀土材料用量也会对环境造成破坏。因此，在保证电机性能的前提下，研究少稀土材料的高效节能电机系统，不仅是能源战略的需要，更是出于环境保护的考虑。

对于正弦波驱动的稀土永磁同步电机，永磁材料产生的气隙磁场分布总会含有谐波成分，这些谐波磁场会引起额外的铁损以及转矩波动；而稀土永磁材料在使用中易出现局部不可逆退磁，尤其是在高温情况下，永磁材料不可逆退磁将导致电机性能的下降。

发明内容

本发明目的是为了解决正弦波驱动的稀土永磁同步电机气隙磁场存在谐波和易出现局部不可逆退磁的问题，尤其是在高温情况下，永磁材料不可逆退磁将导致电机性能的下降的问题，提供了一种组合磁极式内置切向永磁同步电机。在不影响电机输出性能前提下，既降低稀土永磁电机成本，又能提高稀土永磁电机气隙磁场正弦度、解决高温退磁问题就极具现实意义了。

本发明所述组合磁极式内置切向永磁同步电机，包括转子和定子，转子设置在定子的内部，转子和定子之间留有径向气隙，定子包括定子铁心和定子绕组，定子铁心的内部定子槽中设置定子绕组；转子包括多个转子磁极和转子铁心，转子铁心沿圆周方向均布多个转子磁极，每个转子磁极均沿径向竖直嵌入定子铁心内；

转子磁极包括稀土永磁磁极和铁氧体永磁磁极；铁氧体永磁磁极靠近气隙侧，铁氧体永磁磁极内部端面与稀土永磁磁极的外部端部结合在一起；稀土永磁磁极和铁氧体永磁磁极的充磁方向均为平行充磁，充磁方向相同，均与所在半径垂直。

本发明的优点：在传统内置切向稀土永磁同步电机的基础上，用铁氧体永磁材料代替一部分稀土永磁材料，将铁氧体放置于稀土永磁材料靠近气隙一侧。由于铁氧体材料剩磁低于稀土永磁材料剩磁，通过组合可以使气隙磁密波形更加接近正弦波，降低气隙磁场的谐波含量，从而可以降低磁场谐波引起的定子铁损和转矩波动。此外，铁氧体永磁材料的抗退磁能力强于稀土永磁材料，且铁氧体永磁材料抗退磁能力随温度升高而加强，将铁氧体放置于稀土材料端部能大大降低原本稀土永磁材料的局部退磁风险，，提高电机运行可靠性。该组合磁极式永磁电机利用成本低廉的铁氧体永磁材料代替一部分稀土永磁材料，降低了成本，同时使效率和运行可靠性增加。

附图说明

图1是一种传统内置切向稀土永磁同步电机结构示意图；

图2是本发明所述组合磁极式内置切向永磁同步电机的结构示意图；

图3是组合式的转子磁极的结构示意图；

图4是本发明的组合磁极式内置切向永磁同步电机与传统的内置切向稀土永磁同步电机的气隙磁密波形对比图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图2至图4说明本实施方式，本实施方式所述组合磁极式内置切向永磁同步电机，包括转子和定子，转子设置在定子的内部，转子和定子之间留有径向气隙，定子包括定子铁心1和定子绕组2，定子铁心1的内部定子槽中设置定子绕组2；转子包括多个转子磁极3和转子铁心4，转子铁心4沿圆周方向均布多个转子磁极3，每个转子磁极3均沿径向竖直嵌入定子铁心1内；

其特征在于，转子磁极3包括稀土永磁磁极3-1和铁氧体永磁磁极3-2；铁氧体永磁磁极3-2靠近气隙侧，铁氧体永磁磁极3-2内部端面与稀土永磁磁极3-1的外部端部结合在一起；稀土永磁磁极3-1和铁氧体永磁磁极3-2的充磁方向均为平行充磁，充磁方向相同，均与所在半径垂直。

稀土永磁磁极3-1半径方向上的长度为a/2，铁氧体永磁磁极3-2半径方向的长度为b/2，二者满足如下条件：

$\frac{\sqrt{\frac{a{\left({\mathrm{Br}}_2\right)}^2+b{\left({\mathrm{Br}}_1\right)}^2}{a+b}}-\frac{2}{\mathrm{\π}}\{2\left({\mathrm{Br}}_2\right)\sin \left(\frac{a}{2(a+b)}\mathrm{\π}\right)+2\left({\mathrm{Br}}_1\right)\[\sin \left(\frac{a+b}{2(a+b)}\mathrm{\π}\right)-\sin \left(\frac{a}{2(a+b)}\mathrm{\π}\right)\]\}}{\frac{2}{\mathrm{\π}}\{2\left({\mathrm{Br}}_2\right)\sin \left(\frac{a}{2(a+b)}\mathrm{\π}\right)+2\left({\mathrm{Br}}_1\right)\[\sin \left(\frac{a+b}{2(a+b)}\mathrm{\π}\right)-\sin \left(\frac{a}{2(a+b)}\mathrm{\π}\right)\]\}}\≤2\%$

式中：Br₂为稀土永磁磁极3-1在工作温度下剩磁密度；Br₁为铁氧体永磁磁极3-2在工作温度下剩磁密度；且满足Br₂>Br₁。

按上述公式对稀土永磁磁极3-1和铁氧体永磁磁极3-2的尺寸进行合理配比，使其产生正弦度最好的气隙磁场波形，从而有利于降低铁损和转矩波动。

放置于稀土永磁磁极3-1一侧的铁氧体永磁磁极3-2抗退磁能力较强，且其矫顽力具有正温度系数，高温时抗退磁能力会进一步加强，能够改善实际应用时稀土永磁材料高温易退磁问题。

本发明所述的磁极部分3的总宽度和厚度与图1中的稀土永磁磁极相同；由如图4可知，本发明提出的组合磁极式内置切向永磁同步电机气隙磁密波形畸变率明显变小，但其磁密幅值也因引入剩磁较小的铁氧体材料而随之变小，为保证电机的输出能力与图1所示的内置切向稀土永磁同步电机保持一致，增加了组合磁极电机的轴向长度，但组合磁极式电机成本依然比纯稀土永磁电机低。由图4可知，本发明提出的组合磁极式内置切向永磁同步电机的气隙磁密波形比传统内置切向永磁同步电机更加正弦，从而降低了定子铁耗和转矩波动。此外，铁氧体材料的强抗退磁能力降低了电机运行时退磁风险，提高了电机的可靠性。

Claims (2)

1.组合磁极式内置切向永磁同步电机，包括转子和定子，转子设置在定子的内部，转子和定子之间留有径向气隙，定子包括定子铁心(1)和定子绕组(2)，定子铁心(1)的内部定子槽中设置定子绕组(2)；转子包括多个转子磁极(3)和转子铁心(4)，转子铁心(4)沿圆周方向均布多个转子磁极(3)，每个转子磁极(3)均沿径向竖直嵌入定子铁心(1)内；

其特征在于，转子磁极(3)包括稀土永磁磁极(3-1)和铁氧体永磁磁极(3-2)；铁氧体永磁磁极(3-2)靠近气隙侧，铁氧体永磁磁极(3-2)内部端面与稀土永磁磁极(3-1)的外部端部结合在一起；稀土永磁磁极(3-1)和铁氧体永磁磁极(3-2)的充磁方向均为平行充磁，充磁方向相同，均与所在半径垂直。

2.根据权利要求1所述组合磁极式内置切向永磁同步电机，其特征在于，稀土永磁磁极(3-1)半径方向上的长度为a/2，铁氧体永磁磁极(3-2)半径方向的长度为b/2，二者满足如下条件：

$\frac{\sqrt{\frac{a{\left({\mathrm{Br}}_2\right)}^2+b{\left({\mathrm{Br}}_1\right)}^2}{a+b}}-\frac{2}{\mathrm{\π}}\{2\left({\mathrm{Br}}_2\right)sin\left(\frac{a}{2(a+b)}\mathrm{\π}\right)+2\left({\mathrm{Br}}_1\right)\[sin\left(\frac{a+b}{2(a+b)}\mathrm{\π}\right)-sin\left(\frac{a}{2(a+b)}\mathrm{\π}\right)\]\}}{\frac{2}{\mathrm{\π}}\{2\left({\mathrm{Br}}_2\right)\sin \left(\frac{a}{2(a+b)}\mathrm{\π}\right)+2\left({\mathrm{Br}}_1\right)\[\sin \left(\frac{a+b}{2(a+b)}\mathrm{\π}\right)-\sin \left(\frac{a}{2(a+b)}\mathrm{\π}\right)\]\}}\≤2\%$

式中：Br₂为稀土永磁磁极(3-1)在工作温度下剩磁密度；Br₁为铁氧体永磁磁极(3-2)在工作温度下剩磁密度；且满足Br₂>Br₁。