CN108631468A - 组合磁化方式的表贴式永磁电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种组合磁化方式的表贴式永磁电机，包括定子与转子结构，所述转子结构包括转子磁极和转子铁心，转子磁极分布在转子铁心的外表面构成表贴式；所述转子磁极的每极包括一段磁性较强的中间永磁和两段磁性较弱的侧边永磁，两段侧边永磁对称分布在中间永磁的两侧，所述中间永磁与侧边永磁采用不同永磁材料、相同/不同的磁化方式。本发明的永磁电机可以提高径向气隙磁密的基波幅值，减少气隙磁场中的谐波含量，提高电机在不同驱动控制场合下的效率，降低了电机的制造成本。

Description

组合磁化方式的表贴式永磁电机
技术领域
本发明涉及一种组合磁化方式的表贴式永磁电机，属于永磁电机领域。
背景技术
随着高精度计算机控制芯片、现代电机驱动技术及智能控制算法的发展，永磁电机在应用于高性能伺服控制的场合频率越来越高，可以实现一般电机无法实现的位置控制精度，广泛用于各类工业自动化生产中。在智能机器人、航天飞行器、医疗器械、模具精密加工行业等，都对电机的控制参数要求很高。永磁电机按照电磁转矩产生的原理以及驱动电源的种类可分为：永磁同步电动机与无刷直流电动机。永磁同步电动机与无刷直流电动机外观结构基本一致，都是由永磁体和电枢绕组所组成，永磁块均匀分布在转子结构上，为提高这两类永磁电机的电磁性能，永磁体的磁化方式不同，在空载场下，一个产生矩形波磁场，另一个产生正弦波磁场。无刷直流电机理想的空载反电动势为梯形波，永磁同步电机理想的空载反电动势为正弦波。为了有效发挥不同驱动控制方式的永磁电机特性，提高永磁的利用率，削弱电机磁场中的谐波成份，降低永磁电机的制造成本。研究永磁电机的组合磁化方式，对提高电机的相关性能具有重要意义。本发明设计了组合磁化方式的表贴式永磁电机，涉及平行与径向的组合，该组合磁化方式不仅简单实用，而且可有效提升电机的带载能力。
中国专利CN105449968公开了一种组合磁极表贴式永磁同步电机，所述永磁同步电机采用组合磁极方式，转子磁极包括稀土永磁磁极和两个铁氧体永磁磁极的组合，所述稀土永磁磁极和两个铁氧体永磁磁极的充磁方向均为径向充磁，且充磁方向相同。但并未对无刷直流电机的磁场特性作进一步分析，以及并未对其它永磁充磁方式作进步深入解释。
中国专利CN105429409公开了一种组合磁极式轴向磁通永磁同步电机，所述永磁同步电机采用组合磁极方式，转子磁极包括稀土永磁磁极和两个铁氧体永磁磁极的组合。两个铁氧体永磁磁极处在稀土永磁磁极的左右两个端面上。所述稀土永磁磁极和两个铁氧体永磁磁极的充磁方向均为轴向充磁，且充磁方向相同。但该种组合磁极主要针对永磁同步电机，且组合磁极的永磁充磁方式单一，并未对与其它充磁方式作对比分析。
发明内容
本发明主要目的为解决无刷直流电机和永磁同步电机在不同驱动控制方式下所需的磁场波形，提高电机的相关性能，削弱电机磁场的谐波。提出了一种组合磁化方式的表贴式永磁电机，对转子磁极结构采用组合磁化的方式，不仅可以提升电机的带载能力。而且可以节省永磁电机的制造成本，充分发挥无刷直流电机和永磁同步电机各自的磁场特性，极具有现实意义。
本发明是通过以下技术方案实现的：
组合磁化方式的表贴式永磁电机，包括定子与转子结构，其特征在于：所述转子结构包括转子磁极和转子铁心，转子磁极分布在转子铁心的外表面构成表贴式；所述转子磁极的每极包括一段磁性较强的中间永磁和两段磁性较弱的侧边永磁，两段侧边永磁对称分布在中间永磁的两侧，所述中间永磁与侧边永磁采用不同永磁材料、相同/不同的磁化方式。
所述的组合磁化方式的表贴式永磁电机，其特征在于：所述转子磁极的每极的磁化方式组合为平行+径向+平行、径向+平行+径向或平行+平行+平行。
所述的组合磁化方式的表贴式永磁电机，其特征在于：所述平行+径向+平行的组合磁化方式，中间永磁采用径向磁化方式，侧边永磁采用平行磁化方式，且平行磁化的中心与两侧各自磁极的中心相一致。该种组合磁化方式可使电机空载磁场更接近梯形波分布。
所述的组合磁化方式的表贴式永磁电机，其特征在于：所述径向+平行+径向的组合磁化方式，中间永磁采用平行磁化方式，侧边永磁采用径向磁化方式，且平行磁化的中心与中间磁块的中心相一致。该种组合磁化方式可使电机空载磁场呈正弦波分布。
所述的组合磁化方式的表贴式永磁电机，其特征在于：所述平行+平行+平行的组合磁化方式，中间永磁采用平行磁化方式，侧边永磁采用平行磁化方式，且中间平行磁化的中心与整个磁极的中心保持一致，两侧平行磁化的中心分别与两侧永磁各自的中心相一致。该种组合磁化方式可使电机空载磁场呈正弦波分布。
所述的组合磁化方式的表贴式永磁电机，其特征在于：所述定子结构包括定子铁心和定子绕组，定子绕组嵌放在定子铁心的槽中。
所述的组合磁化方式的表贴式永磁电机，其特征在于：所述转子结构可为内转子或外转子；转子结构与定子结构的相对位置可构成内转子电机结构或外转子电机结构。
本发明的优点是：
本发明提出组合磁化方式的表贴式永磁电机，通过不同磁性材料以及相同/不同的磁化方式的组合，可以优化无刷直流电机和永磁同步电机各自的磁场特性，削弱电机磁场的谐波成份。在每极磁化区域单位体积平均剩磁相同时，与传统无刷直流采用单一径向磁化相比，“平行+径向+平行”组合磁化方式不仅可以增加径向气隙磁密基波幅值，而且可以削弱电机磁场中的谐波成份。另外，在每极磁化区域单位体积平均剩磁相同时，与传统永磁同步电机采用单一径向磁化或者平行磁化相比，“径向+平行+径向”和“平行+平行+平行”组合磁化方式可以提高径向气隙磁密基波幅值，还可以削弱电机的谐波成份。组合磁化方式不仅提高了永磁材料的利用率，而且可以减小电机的铁耗和转矩脉动。
附图说明
图1是传统表贴式永磁电机结构示意图。
图2是本发明所述组合磁化的表贴式永磁电机示意图。
图3是本发明电机转子磁极“平行+径向+平行”组合磁化具体结构示意图。
图4是本发明电机转子磁极“径向+平行+径向”组合磁化具体结构示意图。
图5是本发明电机转子磁极“平行+平行+平行”组合磁化具体结构示意图。
具体实施方式
图1为传统表贴式永磁电机结构示意图。图1中转子磁极是由一整块永磁材料构成，且磁化方向均为同一种方向。转子磁极均匀分布在转子铁心的外表面。图2是本发明组合磁化表贴式永磁电机示意图。如图2所示，该种永磁电机包括：定子和转子。定子结构包括定子铁心1和定子绕组2。转子结构包括转子磁极3和转子铁心4，转子磁极3分布在转子铁心4的外表面，构成表贴式，转子与定子的相对位置即可构成内转子电机结构，也可构成外转子电机结构，该种组合磁化方式对以上电机结构均适用。
组合磁化方式的转子结构是由多块不同永磁材料且采用相同/不同的磁化方式组合而成。磁性较强的中间永磁3-1在每极的中间位置，磁性较弱的侧边永磁3-2、3-3在每极的两侧，且为对称分布。假设磁性较强的中间永磁剩磁为Br1，极弧系数为αp1，磁性较弱的侧边永磁剩磁为Br2，整个磁极极弧系数为αp2。
图3是本发明电机转子磁极“平行+径向+平行”组合磁化具体结构示意图。磁性较强的中间永磁在每极的中间位置，且剩磁为Br1，极弧系数为αp1，该区域采用径向磁化方式。磁性较弱的侧边永磁分布在每极的两侧，剩磁为Br2，所占区域为(αp2-αp1)，该区域采用平行磁化方式，两侧平行磁化的中心分别与两侧永磁各自的中心保持一致。
图4是本发明电机转子磁极“径向+平行+径向”组合磁化具体结构示意图。磁性较强的中间永磁在每极的中间位置，且剩磁为Br1，极弧系数为αp1，该区域采用平行磁化方式，平行磁化的中心与整个磁极的中心相一致。磁性较弱的侧边永磁在每极的两侧，剩磁为Br2，所占区域为(αp2-αp1)，该区域采用径向磁化方式。
图5是本发明电机转子磁极“平行+平行+平行”组合磁化具体结构示意图。磁性较强的中间永磁在每极的中间位置，且剩磁为Br1，极弧系数为αp1，该区域采用平行磁化方式，该部分平行磁化的中心与整个磁极的中心相一致。磁性较弱的侧边永磁在每极的两侧，剩磁为Br2，所占区域为(αp2-αp1)，该区域也采用平行磁化方式，两侧平行磁化的中心分别与两侧永磁各自的中心保持一致。
如实施例一，对于无刷直流电机希望获得径向气隙磁密呈矩形波，空载反电动势波形呈梯形波，“平行+径向+平行”组合相比传统单一径向磁化方式更具优势。为了便于比较两种转子磁极结构对电机磁场的影响，假设永磁成本相等，即以总磁化区域的单位体积平均剩磁相等为标准。当忽略定子齿槽效应时，并且假定永磁体等厚、轴向长度相同。对于“平行+径向+平行”的组合磁化，则有如下关系：
当电机定子内半径为40mm，永磁外半径为38.4mm，永磁内半径为15.8mm，永磁极弧系数为αp1为0.75，极弧系数为αp2为0.95，电机极数为4，剩磁Br1为1.0T，剩磁Br2为0.4T。为了更加充分突出“平行+径向+平行”组合磁化方式的优点，选取单一径向磁化在不同极弧系数下的磁密波形作为比较对象，设定每极磁化区域的平均剩磁为0.75T。当αp1、αp2发生变化时，获得无槽电机径向气隙磁密的基波幅值和THD，列于表1中。
表1组合磁化与单一磁化获得的径向气隙磁密比较
从表1中可以看出，在每极磁化区域单位体积平均剩磁相同的前提下(Br＝0.75T)，与单一径向磁化相比，“平行+径向+平行”组合磁化方式可明显提高径向气隙磁密的基波幅值，且减小THD值。
如实施例二，对于永磁同步电机希望获得径向气隙磁密为正弦波，空载反电动势波形也为正弦波。与传统单一平行磁化方式相比，“径向+平行+径向”和“平行+平行+平行”组合能使电机磁场更接近正弦波。为了便于对比，仍然假设永磁成本相等，即以总磁化区域单位体积的平均剩磁相等为标准。当忽略定子齿槽效应时，并且假定永磁体等厚、轴向长度相同。对于“径向+平行+径向”和“平行+平行+平行”组合磁化，则仍有下列关系：
当电机定子内半径为40mm，永磁外半径为38.4mm，永磁内半径为15.8mm，永磁极弧系数为αp1为0.75，极弧系数为αp2为0.95，电机极数为4，剩磁Br1为1.0T，剩磁Br2为0.4T。为了突出“径向+平行+径向”和“平行+平行+平行”组合磁化方式的优点，选取单一平行磁化在不同极弧系数下的磁密分布作为比较对象，设定每极磁化区域的平均剩磁为0.75T。当αp1和αp2发生变化时，获得无槽电机径向气隙磁密的基波幅值和THD，列于表2中。
表2组合磁化与单一磁化获得的径向气隙磁密比较
从表2中不难看出，在每极磁化区域单位体积平均剩磁相同的前提下(即)，与单一平行磁化相比，“径向+平行+径向”磁化可以提高径向气隙磁密基波幅值，且降低了THD值；而“平行+平行+平行”组合磁化在提高径向气隙磁密基波幅值的优势更明显，对减小THD方面与“径向+平行+径向”十分接近。
本发明所述的组合磁化表贴式永磁电机，充分利用了磁极磁化方向的组合，可以提高电机径向气隙磁密的基波幅值，减小了磁场中的谐波。因此本发明在电机体积和生产成本不变的前提下，提高了电机的输出转矩，从而提高了电机功率密度。

Claims (8)

1.组合磁化方式的表贴式永磁电机，包括定子与转子结构，其特征在于：所述转子结构包括转子磁极和转子铁心，转子磁极分布在转子铁心的外表面构成表贴式；所述转子磁极的每极包括一段磁性较强的中间永磁和两段磁性较弱的侧边永磁，两段侧边永磁对称分布在中间永磁的两侧，所述中间永磁与侧边永磁采用不同永磁材料、相同/不同的磁化方式。
2.根据权利要求1所述的组合磁化方式的表贴式永磁电机，其特征在于：所述转子磁极的每极的磁化方式组合为平行+径向+平行、径向+平行+径向或平行+平行+平行。
3.根据权利要求2所述的组合磁化方式的表贴式永磁电机，其特征在于：所述平行+径向+平行的组合磁化方式，中间永磁采用径向磁化方式，侧边永磁采用平行磁化方式，且平行磁化的中心与两侧各自磁极的中心相一致。
4.根据权利要求2所述的组合磁化方式的表贴式永磁电机，其特征在于：所述径向+平行+径向的组合磁化方式，中间永磁采用平行磁化方式，侧边永磁采用径向磁化方式，且平行磁化的中心与中间磁块的中心相一致。
5.根据权利要求2所述的组合磁化方式的表贴式永磁电机，其特征在于：所述平行+平行+平行的组合磁化方式，中间永磁采用平行磁化方式，侧边永磁采用平行磁化方式，且中间平行磁化的中心与整个磁极的中心保持一致，两侧平行磁化的中心分别与两侧永磁各自的中心相一致。
6.根据权利要求2所述的组合磁化方式的表贴式永磁电机，其特征在于：所述平行+径向+平行的组合磁化方式可产生接近梯形波的磁场；所述径向+平行+径向和平行+平行+平行的组合磁化方式可产生接近正弦波的磁场。
7.根据权利要求1所述的组合磁化方式的表贴式永磁电机，其特征在于：所述定子结构包括定子铁心和定子绕组，定子绕组嵌放在定子铁心的槽中。
8.根据权利要求7所述的组合磁化方式的表贴式永磁电机，其特征在于：所述转子结构可为内转子或外转子；转子结构与定子结构的相对位置可构成内转子电机结构或外转子电机结构。
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