CN105811614A - 一种高速永磁同步电机转子结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高速永磁同步电机转子结构，包括电机转子和转轴；所述电机转子最外层为保护层，转轴安装在电机转子中心，转轴与保护层之间为永磁体；所述永磁体分为内外两层，外层永磁体为铁氧体永磁体，内层永磁体为稀土永磁体，铁氧体永磁体极数为p1，稀土永磁体极数为p2，且p1＝p2，两层永磁体相同磁极的中心线重合。本发明充分结合铁氧体永磁体有剩磁且电导率低的优点与稀土永磁体剩磁高的优点，通过将铁氧体永磁体与稀土永磁体按一定厚度比例配合，可以在保证所需磁场产生能力的前提下，减小转子的涡流损耗，降低电机的散热难度，通过合理设计解决全部采用铁氧体永磁材料电机体积大或全部采用稀土永磁材料转子涡流损耗大的问题。
Description
技术领域
本发明属于电机领域，尤其涉及一种高速永磁同步电机转子结构。
背景技术
高速电机无需借助维护保养困难、故障率高的变速装置而直接与高速原动机或者负载相连接，使得整个传动系统具有功率密度高、效率高、运维成本低等一系列优点，因此高速电机在高速机床、鼓风机、高速离心机、研磨机、微型燃气轮机、飞轮储能、电动汽车等领域具有广泛的应用前景。永磁同步电机凭借其高效率和高功率密度的优点在高速电机中受到广泛关注和应用。但转子涡流损耗大、发热严重等一系列关键问题仍然没有得到良好解决，严重制约着永磁同步电机向更大功率和更高转速发展，因此研究开发转子涡流损耗小的高速永磁同步电机(highspeedpermanentmagnetsynchronousmachine,HSPMSM)具有重要的现实意义。
围绕HSPMSM的转子涡流损耗计算和抑制问题，国内外学者从定转子结构和供电波形质量等多方面开展了大量深入的研究，并取得了许多重要的成果。比如，在定子结构方面，有的文献研究了定子槽数对转子损耗的影响，结果表明为减小转子涡流损耗，定子应采用多槽甚至无槽结构。但无槽结构会增大电机体积，不利于电机运行。有的文献分析了极槽配合对转子涡流损耗的影响，结果表明，分数槽绕组会产生更大的转子涡流损耗，所以在HSPMSM中应尽量避免。在供电波形质量方面，有文献研究了PWM供电对转子涡流损耗的影响，结果表明采用PWM供电后，转子涡流损耗会显著增加。然而，无论是优化定子结构还是改善供电波形质量，在合理范围内对转子损耗的减小幅度都很有限。因此，最大化地抑制或者消除转子涡流损耗必须从转子结构本身进行攻关突破。
两种常见的转子结构为了确保转子部件不被因电机高速旋转所产生的离心力破坏，两种结构都在转子外部设有高强度转子护套。当采用导电护套时，通过护套自身的涡流效应可以削弱谐波磁场对永磁体的影响，进而减小永磁体涡流损耗。当采用导电性能差的护套时，一般在护套与永磁体之间添加一层薄的铜层用以屏蔽谐波磁场，从而减小永磁体涡流损耗。虽然两种转子结构的永磁体涡流损耗在采用导电屏蔽层之后得到了抑制，但导电屏蔽层所在位置的磁场交变幅值却较高，同样会产生涡流损耗，引起转子发热。因此，研究如何在不引入护套或者屏蔽层损耗的基础上减小转子涡流损耗具有重要意义。
目前，削弱转子涡流损耗的一种有效途径就是分段技术，主要包括轴向和周向分段。有文献研究了永磁体轴向和周向分段对涡流损耗的影响，结果表明，不合理的分段不但不能减小永磁体涡流损耗反而还会使其增加。有文献研究了护套圆周方向开槽对护套涡流损耗和风磨耗的影响，结果表明圆周方向开槽不仅不会增加风磨耗而且可有效减小护套涡流损耗，但却会削弱护套对谐波磁场的屏蔽作用，一定程度地增大了永磁体涡流损耗。从涡流损耗的产生根源可以发现，消除转子涡流损耗的一种最有效途径就是选用不导电的转子护套和永磁体。铁氧体永磁材料导电性能差(约为稀土永磁体的1/108)，但其磁能积比稀土永磁材料小很多。若HSPMSM全采用铁氧体永磁体励磁，虽然转子涡流损耗几乎可以消除，但却会使电机体积增大很多，这必然会对HSPMSM性能产生不利影响，然而这却为HSPMSM转子设计提供了一种新思路。
众所周知，谐波磁场从气隙进入转子后幅值逐渐衰减，所以转子表面一定尺寸以内的涡流损耗占据整个转子损耗的绝大部分，对该部分损耗的抑制对降低转子涡流损耗具有重要意义。因此，本发明提出在谐波磁场幅值较大的部分采用导电性能差的铁氧体永磁材料，其余部分采用高磁能积的稀土永磁材料，进而形成一种永磁复合励磁HSPMSM转子结构。通过合理设计解决全部采用铁氧体永磁材料电机体积大或全部采用稀土永磁材料转子涡流损耗大的问题，诚然，采用低磁能积的铁氧体永磁材料部分替代高磁能积的稀土永磁材料后电机功率会有所降低，但由于其降低了转子涡流损耗，可以通过合理设计保证在转子温度不超过限定的情况下适当提高电机功率，从而使电机输出功率基本不变。
现有技术中存在永磁同步电机转子涡流损耗较大的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高速永磁同步电机转子结构，旨在解决永磁同步电机转子涡流损耗较大的问题。
本发明是这样实现的，一种高速永磁同步电机转子结构，所述高速永磁同步电机转子结构包括电机转子和转轴；
所述电机转子最外层为保护层，转轴安装在电机转子中心，转轴与保护层之间为永磁体；所述永磁体分为内外两层，外层永磁体为铁氧体永磁体，内层永磁体为稀土永磁体。
进一步，所述的外层永磁体与内层永磁体的厚度比例在能保证所需磁场产生能力的前提下，根据外层和内层两层永磁体厚度的混合比例不同、涡流损耗大小不同、磁场强度也不同的原理进行设计。
进一步，所述电机转子最外层或为钛合金保护层或为碳纤维保护层。
进一步，铁氧体永磁体极数为p1，稀土永磁体极数为p2，且p1＝p2。
进一步，所述永磁体的外层铁氧体永磁体和内层稀土永磁体相同磁极的中心线重合。
本发明所述的外层永磁体与内层永磁体的厚度比例在能保证所需磁场产生能力的前提下根据外层和内层两层永磁体厚度的混合比例不同，涡流损耗大小不同，磁场强度也不同的原理进行设计，外层铁氧体厚度越厚，永磁体涡流损耗越小，磁场强度越弱；
本发明通过将铁氧体永磁体稀土永磁体按一定厚度比例配合，将铁氧体永磁体的低涡流损耗的特点与稀土永磁体剩磁高的特点相结合，可以在保证所需磁场产生能力的前提下，减小转子的涡流损耗，降低电机的散热难度。
本发明提出在谐波磁场幅值较大的部分采用导电性能差的铁氧体永磁材料，其余部分采用高磁能积的稀土永磁材料，进而形成一种永磁复合励磁HSPMSM转子结构。通过合理设计解决全部采用铁氧体永磁材料电机体积大或全部采用稀土永磁材料转子涡流损耗大的问题，采用低磁能积的铁氧体永磁材料部分替代高磁能积的稀土永磁材料后电机功率会有所降低，但由于其降低了转子涡流损耗，可以通过合理设计保证在转子温度不超过限定的情况下适当提高电机功率，从而使电机输出功率基本不变。
附图说明
图1是本发明实施例提供的高速永磁同步电机转子结构示意图；
图中：1、保护层；2、外层永磁体；3、内层永磁体；4、转轴。
图2是本发明实施例提供的转子6次谐波磁场变化关系图；
图3是本发明实施例提供的常规转子和复合励磁转子涡流损耗和反电动势对比图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步描述：
请参阅图1：
一种高速永磁同步电机转子结构，包括电机转子和转轴，
所述电机转子最外层为保护层1，转轴4安装在电机转子中心，转轴4与保护层1之间为永磁体；所述永磁体分为内外两层，外层永磁体为铁氧体永磁体2，内层永磁体为稀土永磁体3，两层永磁体的厚度比例可根据在保证所需磁场产生能力的前提下和实际需求设计，铁氧体永磁体所占厚度比例越大，永磁体的整体剩磁越小，涡流损耗越小。
所述电机转子最外层或为钛合金保护层或为碳纤维保护层。
所述的外层永磁体2与内层永磁体3的厚度比例在能保证所需磁场产生能力的前提下，根据外层和内层两层永磁体厚度的混合比例不同、涡流损耗大小不同、磁场强度也不同的原理进行设计。
铁氧体永磁体2极数为p1，稀土永磁体3极数为p2，且p1＝p2。
所述永磁体的外层铁氧体永磁体2和内层稀土永磁体相同磁极的中心线重合。
本发明通过将铁氧体永磁体稀土永磁体按一定厚度比例配合，将铁氧体永磁体的低涡流损耗的特点与稀土永磁体剩磁高的特点相结合，可以在保证所需磁场产生能力的前提下，减小转子的涡流损耗，降低电机的散热难度。
以下结合实施例对本发明做进一步描述。
本发明初步设计了一台2极75kW，80000rpm的原理性实验样机，铁氧体永磁体极数为p1，稀土永磁体极数为p2，且满足p1＝p2；永磁体的外层铁氧体永磁体和内层稀土永磁体相同磁极的中心线重合。
对仅采用稀土永磁体励磁和本发明提出的永磁复合励磁两种转子结构进行对比，本发明提出在谐波磁场幅值较大的部分采用导电性能差的铁氧体永磁材料，其余部分采用高磁能积的稀土永磁材料，进而形成一种永磁复合励磁HSPMSM转子结构。通过合理设计解决全部采用铁氧体永磁材料电机体积大或全部采用稀土永磁材料转子涡流损耗大的问题，采用低磁能积的铁氧体永磁材料部分替代高磁能积的稀土永磁材料后电机功率会有所降低，但由于其降低了转子涡流损耗，可以通过合理设计保证在转子温度不超过限定的情况下适当提高电机功率，从而使电机输出功率基本不变。
图2给出了在不考虑包覆层对谐波磁场的屏蔽作用时，电机带负载时转子6次谐波磁场幅值的变化关系。
图3为铁氧体永磁体厚度为3mm时与单一采用稀土永磁体时的空载反电动势和转子损耗对比。在空载反电动势降低14％的情况下，转子涡流损耗降低了85.4％，效果明显。
利用本发明所述的技术方案，或本领域的技术人员在本发明技术方案的启发下，设计出类似的技术方案，而达到上述技术效果的，均是落入本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种高速永磁同步电机转子结构，其特征在于，所述高速永磁同步电机转子结构包括电机转子和转轴；
所述电机转子最外层为保护层，转轴安装在电机转子中心，转轴与保护层之间为永磁体；所述永磁体分为内外两层，外层永磁体为铁氧体永磁体，内层永磁体为稀土永磁体。
2.如权利要求1所述的高速永磁同步电机转子结构，其特征在于，所述的外层永磁体与内层永磁体的厚度比例在能保证所需磁场产生能力的前提下，根据外层和内层两层永磁体厚度的混合比例不同、涡流损耗大小不同、磁场强度也不同的原理进行设计。
3.如权利要求1所述的高速永磁同步电机转子结构，其特征在于，所述电机转子最外层或为钛合金保护层或为碳纤维保护层。
4.如权利要求1所述的高速永磁同步电机转子结构，其特征在于，铁氧体永磁体极数为p1，稀土永磁体极数为p2，且p1＝p2。
5.如权利要求1所述的高速永磁同步电机转子结构，其特征在于，所述永磁体的外层铁氧体永磁体和内层稀土永磁体相同磁极的中心线重合。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20160727 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |