CN105896773A - 一种开槽式永磁体及轴向、径向磁通永磁电机转子 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开槽式永磁体及轴向、径向磁通永磁电机转子，永磁体上表面设置有横向槽和纵向槽，横向槽和纵向槽的宽度均相等，横向槽和纵向槽的深度均等于电机中产生涡流损耗的高次谐波在永磁体中的透入深度，横向槽等距离均匀设置，纵向槽与横向槽相交且等距离均匀设置；轴向磁通永磁电机转子，纵向槽过圆心且沿周向等距离均匀设置，横向槽与纵向槽相交且沿径向等距离均匀设置；径向磁通永磁电机转子，纵向槽平行于轴线且沿周向等距离均匀设置，横向槽与纵向槽垂直相交且沿径向等距离均匀设置。本发明在不增加电机制造工艺难度和制造成本的基础上，能够限制高速永磁电机转子永磁体中的涡流路径，减少涡流损耗。

Description

一种开槽式永磁体及轴向、径向磁通永磁电机转子

技术领域

本发明涉及一种永磁体及电机转子，更具体的说，是涉及一种开槽式永磁体及轴向、径向磁通永磁电机转子。

背景技术

高速永磁电机具有转速高、效率和功率密度大、几何尺寸远小于输出功率相同的中低速电机、转动惯量小、动态响应快等优点，被广泛应用于航空航天、能源及精密制造等领域。

高速永磁电机的特点可以概括为:(1)转子高速旋转,转速高达每分钟数万转甚至十几万转,圆周速度可达200m/s以上；(2)定子绕组电流和铁心中磁通的高频率,一般在1000Hz以上。由此，在高速永磁电机设计过程中需着重关注转子的涡流损耗、转子的机械强度、定子铜耗等问题。

针对于转子涡流损耗问题，由于高速永磁同步电机谐波频率较高，且定子开槽、定子磁势的空间和时间谐波的存在，产生相对于转子异步旋转的谐波磁场，产生涡流及涡流损耗。尽管与定子铁心损耗以及绕组铜耗相比，转子涡流损耗较小，但是转子散热条件差，转子涡流损耗可能会引起转子较高的温升。永磁材料性能与温度有关，尤其是对于居里点较低、电导率较高、温度系数较大的钕铁硼材料，过高的温度会使钕铁硼高速永磁电机性能下降，甚至引起磁钢的不可逆退磁而损坏电机。

申请号为201510046487.1的中国专利永磁电机转子，将永磁体分段，能够有效减少磁极块内容纳产生的涡流回路的长度，减弱涡流感应电动势，进而减少涡流损耗。但是存在以下问题：永磁体分块会增加电机转子的装配工艺难度，增加电机的制造成本。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种开槽式永磁体及轴向、径向磁通永磁电机转子，在不增加电机制造工艺难度和制造成本的基础上，能够限制高速永磁电机转子永磁体中的涡流路径，减少涡流损耗。

以下是本发明的第一种技术方案。

本发明的一种开槽式永磁体，所述永磁体上表面设置有横向槽和纵向槽，所述横向槽和纵向槽的宽度均相等，所述横向槽和纵向槽的深度均等于电机中产生涡流损耗的高次谐波在永磁体中的透入深度，所述纵向槽等距离均匀设置，所述横向槽与纵向槽相交且等距离均匀设置。

所述横向槽和纵向槽的宽度均设置为0.1mm。

所述谐波在永磁体中的透入深度按照下述公式一计算：

$\mathrm{\δ}=\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\ω}\mathrm{\μ}\mathrm{\σ}}}=\sqrt{\frac{1}{{\mathrm{\πf}}_x\mathrm{\μ}\mathrm{\σ}}}=\sqrt{\frac{1}{{\mathrm{\πf}}_x{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_{PM}\mathrm{\σ}}}$

其中，δ为谐波透入深度；f_x为相电流谐波频率；μ₀为永磁体真空磁导率；μ_PM为永磁体相对磁导率；σ为永磁体电导率。

以下是本发明的第二种技术方案。

一种含有开槽式永磁体的轴向磁通永磁电机转子，包括环形背铁，所述背铁沿圆周等距离设置有扇环形永磁体，所述永磁体上表面设置有横向槽和纵向槽，所述横向槽和纵向槽的宽度均相等，所述横向槽和纵向槽的深度均相等且等于电机中产生涡流损耗的谐波在永磁体中的透入深度，所述纵向槽过圆心且沿周向等距离均匀设置，所述横向槽与纵向槽相交且沿径向等距离均匀设置。

以下是本发明的第三种技术方案。

一种含有开槽式永磁体的径向磁通永磁电机转子，包括圆柱形转子铁芯，所述转子铁芯沿圆周等距离设置有永磁体，所述永磁体上表面设置有横向槽和纵向槽，所述横向槽和纵向槽的宽度均相等，所述横向槽和纵向槽的深度均相等且等于电机中产生涡流损耗的谐波在永磁体中的透入深度，所述纵向槽平行于轴线且沿周向等距离均匀设置，所述横向槽与纵向槽垂直相交且沿径向等距离均匀设置。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

(1)本发明中，永磁体上表面设置有横向槽和纵向槽，永磁体开槽不需要改变永磁体形状，相比于分段式永磁体结构，制造工艺简单易行；

(2)本发明中，轴向磁通永磁电机转子的扇环形永磁体设置有横向槽和纵向槽，纵向槽过圆心且沿周向等距离均匀设置，横向槽与纵向槽相交且沿径向等距离均匀设置，将涡流限制在开槽后的狭小回路中，减小涡流路径，避免由涡流损耗引起的永磁体发热退磁现象，提高轴向磁通永磁电机的性能指标；

(3)本发明中，径向磁通永磁电机转子的永磁体设置有横向槽和纵向槽，纵向槽平行于轴线且沿周向等距离均匀设置，横向槽与纵向槽垂直相交且沿径向等距离均匀设置，将涡流限制在开槽后的狭小回路中，减小涡流路径，能够显著降低永磁体本身的涡流损耗，避免由涡流损耗引起的永磁体发热退磁现象，提高电机的性能指标。

附图说明

图1为本发明开槽式永磁体结构示意图；

图2为本发明含有开槽式永磁体的轴向磁通永磁电机转子结构示意图；

图3为本发明含有开槽式永磁体的径向磁通永磁电机转子结构示意图；

图4为未开槽的径向磁通高速永磁电机永磁体涡流示意图；

图5为在图4的永磁体开槽后的等效阻抗图；

附图标记:1永磁体；2横向槽；3纵向槽；4背铁；5转子铁芯。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1所示，本发明的一种开槽式永磁体，所述永磁体1上表面设置有横向槽2和纵向槽3，考虑碎屑吸附在永磁体1表面等问题，可通过线切割的方式在未充磁的永磁体1材料表面按照设计进行加工制作，所述纵向槽3等距离均匀设置，所述横向槽2与纵向槽3相交且等距离均匀设置。所述横向槽2和纵向槽3的宽度均相等，槽宽尺寸不宜过大，过大将降低永磁体1本身性能，减小气隙磁密，影响永磁电机的性能，宽度可设置为0.1mm。所述横向槽2和纵向槽3的深度均相等，深度尺寸依永磁电机中的涡流损耗情况而定，一般情况下等于电机中产生涡流损耗的高次谐波在永磁体1中的透入深度，一般取电机中产生主要涡流损耗的高次谐波在永磁体1中的透入深度。

所述永磁体1内磁通密度的第x次谐波在永磁体1内的穿透深度由第x次谐波的频率、永磁体1的磁导率和永磁体1的电导率共同决定，本发明所涉及的开槽深度由第x次谐波透入深度决定，所述谐波在永磁体1中的透入深度按照下述公式计算：

$\mathrm{\δ}=\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\ω}\mathrm{\μ}\mathrm{\σ}}}=\sqrt{\frac{1}{{\mathrm{\πf}}_x\mathrm{\μ}\mathrm{\σ}}}=\sqrt{\frac{1}{{\mathrm{\πf}}_x{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_{PM}\mathrm{\σ}}}---\left(1\right)$

其中，δ为谐波透入深度；f_x为相电流谐波频率；μ₀为永磁体真空磁导率，一般为4π×10^-7H/m；μ_PM为永磁体相对磁导率，一般为1.03～1.05；σ为永磁体的电导率，一般为0.5～1.5×10⁶S/m，优选值为0.7×10⁶S/m。

如图2所示，本发明的一种含有上述开槽式永磁体的轴向磁通永磁电机转子，包括环形背铁4，所述背铁4沿圆周等距离设置有扇环形永磁体1，所述永磁体1通过粘接的方式贴于背铁4内表面。所述永磁体1上表面设置有横向槽2和纵向槽3。其中，所述纵向槽3过圆心且沿周向等距离均匀设置，所述横向槽2与纵向槽3相交且沿径向等距离均匀设置。

如图3所示，本发明的一种含有上述开槽式永磁体的径向磁通永磁电机转子，包括圆柱形转子铁芯5，所述转子铁芯5沿圆周等距离设置有永磁体1，所述永磁体1通过粘接的方式贴于转子铁心外表面。所述永磁体上表面设置有横向槽2和纵向槽3，其中，所述纵向槽3平行于轴线且沿周向等距离均匀设置，所述横向槽2与纵向槽3垂直相交且沿径向等距离均匀设置。

如图4所示的未开槽的径向磁通高速永磁电机永磁体涡流示意图。其中，永磁体1厚度为为h_M，轴向长度为L_n，宽度为L_m，体积V＝L_nL_mh_M。在垂直进入交变谐波磁场的作用下，根据电磁感应定律，永磁体1中将有围绕磁通呈涡旋状的感应电动势和电流产生。涡流在其流通路径上的等效电阻中产生涡流损耗。

根据电磁感应定律，参照图1，涡流回路的感应电动势为：

E_w＝KfL_m2xB_m (2)

式中，K为电动势比例常数，f为磁场交变频率，x为涡流回路与永磁体对称轴线间的距离，B_m为最大磁感应强度。涡流回路的等效电阻为：

$dR=\mathrm{\ρ}\frac{2(L_n+L_m)}{h_{M}dx}---\left(3\right)$

式中，ρ为永磁体的电阻率。从而给定涡流回路中的功率损耗为：

${\mathrm{dp}}_w=\frac{E_w^2}{dR}=\frac{2K^2{f}^2{L}_m^2{B}_m^2{h}_M}{\mathrm{\ρ}(L_n+L_m)}{x}^{2}dx---\left(4\right)$

由此可得永磁体1中的涡流损耗为：

$\begin{array}{c}{p}_w={\∫}_1^{\frac{L_n}{2}}{\mathrm{dp}}_w\\ ={\∫}_1^{\frac{L_n}{2}}\frac{2K^2{f}^2{L}_m^2{B}_m^2{h}_M}{\mathrm{\ρ}(L_n+L_m)}{x}^{2}dx\\ =\frac{K^2{f}^2{L}_n^3{B}_m^2{L}_m^2{h}_M}{12\mathrm{\ρ}(L_n+L_m)}\\ =\frac{K^2{f}^2{L}_n^3{B}_m^2{L}_{m}V}{12\mathrm{\ρ}(L_n+L_m)}\end{array}---\left(5\right)$

式(5)表明，永磁体中的涡流损耗与谐波磁场相对于磁场交变频率f的平方、最大磁感应强度B_m的平方以及永磁体的体积V成正比，与电阻率ρ成反比。

对于本发明所提出的开槽式永磁体，永磁体1表面被分成若干小块，开槽个数不同，其永磁体形状体积也相应变化，涡流损耗也随之变化。永磁体1表面开槽可以理解为永磁体1等效电阻的增加，高次谐波透入深度即为开槽深度，永磁体1开设横向槽2和纵向槽3后，当永磁体1横向和纵向各被分为N块时，相应地，永磁体1共被分为N²块，如图5所示永磁体1开设一个横向槽和一个纵向槽，即N＝2，开槽后的永磁体涡流损耗和未开槽的永磁体涡流损耗比为，

$\frac{P_{seg}}{P_{noseg}}=\frac{\frac{{\[d(\mathrm{\φ}/N^2)\]}^2}{2(R_b/N+R_a/N)}{N}^2}{\frac{{\left(d\mathrm{\φ}\right)}^2}{2(R_a+R_b)}}=\frac{1}{N}=\frac{1}{2}---\left(6\right)$

式(6)中，P_seg为永磁体开槽后的永磁体涡流损耗，P_noseg为未开槽的永磁体涡流损耗，φ为通过永磁体的磁通，R_a为a边对应的等效阻抗，R_b为b边对应的等效阻抗，可以明显看出永磁体开槽能够减小涡流损耗，且与开槽个数有关，开槽个数越多，涡流损耗减少越明显，但考虑电机气隙磁场、机械应力等因素，开槽个数应考虑电机的性能及机械强度的前提下选择最优值。

尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种开槽式永磁体，其特征在于，所述永磁体上表面设置有横向槽和纵向槽，所述横向槽和纵向槽的宽度均相等，所述横向槽和纵向槽的深度均等于电机中产生涡流损耗的高次谐波在永磁体中的透入深度，所述纵向槽等距离均匀设置，所述横向槽与纵向槽相交且等距离均匀设置。

2.根据权利要求1所述的一种开槽式永磁体，其特征在于，所述横向槽和纵向槽的宽度均设置为0.1mm。

3.根据权利要求1所述的一种开槽式永磁体，其特征在于，所述谐波在永磁体中的透入深度按照下述公式一计算：

$\mathrm{\δ}=\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\ω}\mathrm{\μ}\mathrm{\σ}}}=\sqrt{\frac{1}{{\mathrm{\πf}}_x\mathrm{\μ}\mathrm{\σ}}}=\sqrt{\frac{1}{{\mathrm{\πf}}_x{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_{PM}\mathrm{\σ}}}$

其中，δ为谐波透入深度；f_x为相电流谐波频率；μ₀为永磁体真空磁导率；μ_PM为永磁体相对磁导率；σ为永磁体电导率。

4.一种含有权利要求1～3中任意一项所述的开槽式永磁体的轴向磁通永磁电机转子，包括环形背铁，所述背铁沿圆周等距离设置有扇环形永磁体，其特征在于，所述永磁体上表面设置有横向槽和纵向槽，所述横向槽和纵向槽的宽度均相等，所述横向槽和纵向槽的深度均相等且等于电机中产生涡流损耗的谐波在永磁体中的透入深度，所述纵向槽过圆心且沿周向等距离均匀设置，所述横向槽与纵向槽相交且沿径向等距离均匀设置。

5.一种含有权利要求1～3中任意一项所述的开槽式永磁体的径向磁通永磁电机转子，包括圆柱形转子铁芯，所述转子铁芯沿圆周等距离设置有永磁体，其特征在于，所述永磁体上表面设置有横向槽和纵向槽，所述横向槽和纵向槽的宽度均相等，所述横向槽和纵向槽的深度均相等且等于电机中产生涡流损耗的谐波在永磁体中的透入深度，所述纵向槽平行于轴线且沿周向等距离均匀设置，所述横向槽与纵向槽垂直相交且沿径向等距离均匀设置。