CN108880038A - 混合极转子及电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混合极转子及电机，包括表面式永磁体、内置式永磁体、转子铁心和转轴；转子铁心采用导磁材料制成，转子铁心套装在转轴的外周；内置式永磁体沿径向插设在转子铁心中，表面式永磁体沿周向嵌套在转子铁心的外圆周表面；当p=2i时，表面式永磁体的数量为2i个，内置式永磁体的数量为i个，i为正整数。当p=3i时，表面式永磁体的数量为2i个，内置式永磁体的数量为2i个，i为正整数。当p=5i时，表面式永磁体的数量为4i个，内置式永磁体的数量为2i个，i为正整数。本发明在降低电机成本和保证转矩输出能力的同时，不存在单极性漏磁及其引起的磁化问题。

Description

混合极转子及电机
技术领域
本发明涉及电机设计技术领域，特别是一种混合极转子及电机。
背景技术
永磁电机采用永磁体取代电励磁而带来了结构简单、体积小、质量轻、功率密度高、效率高和噪声低等诸多优点，已被广泛应用于家电、电动汽车、风力发电和航空航天等场合。
目前，高性能的永磁电机必须采用钕铁硼或钐钴等稀土永磁材料。尽管我国的稀土存储量较多，但是稀土是不可再生能源；加上全球新能源产业的发展，必然推动了稀土价格的进一步上涨。
为了提高永磁材料的利用率，并降低其成本，申请号为200710010915.0的发明专利，提供了一种表面式永磁伺服电机转子，永磁体与“假极”交替布置，永磁体的数量仅为传统表面式永磁电机的一半，节省了永磁材料和加工成本，从而降低了电机的总成本。这种电机的一个极对包含一个永磁体和一个铁心极，也被成为“交替极电机”。
然而，正如IEEE磁学会刊发表的文章：Comparative Analysis of End Effect inPartitioned Stator Flux Reversal Machines Having Surface-Mounted andConsequent Pole Permanent Magnets，所指出的，交替极永磁电机的端部漏磁比较严重。
而且，由于交替极永磁电机所有永磁体的极性沿径向相同，导致端部漏磁呈单极性，这使得电机端部的机械部件被磁化，将对整个电机系统的可靠性和安全性产生影响。发明专利201611011019.1提出采用转子分段的方法，在转子和转轴内部提供漏磁路径，削弱了电机端部的单极性漏磁以及磁化。然而，两段转子交界处存在轴向漏磁，会降低转矩输出能力，永磁体的利用率较低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种混合极转子，该混合极转子在降低电机成本和保证转矩输出能力的同时，不存在单极性漏磁及其引起的磁化问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种混合极转子，混合极转子的极对数为p，p为任意正整数，混合极转子包括表面式永磁体、内置式永磁体、转子铁心和转轴。
转子铁心采用导磁材料制成，转子铁心套装在转轴的外周；内置式永磁体沿径向插设在转子铁心中，表面式永磁体沿周向嵌套在转子铁心的外圆周表面。
当p=2i时，表面式永磁体的数量为2i个，内置式永磁体的数量为i个，其中，i为正整数；i个内置式永磁体沿转子铁心周向均匀布设，相邻两个内置式永磁体充磁方向沿周向相同；相邻两个内置式永磁体之间的转子铁心外圆周表面设置一组表面式永磁体组；每组表面式永磁体组均包括两个相邻接的表面式永磁体，两个相邻接的表面式永磁体的邻接处均设置有磁障；相邻两个表面式永磁体的充磁方向沿径向相反。
当p=3i时，表面式永磁体的数量为2i个，内置式永磁体的数量为2i个，其中，i为正整数；2i个内置式永磁体沿转子铁心周向均匀布设，相邻两个内置式永磁体充磁方向沿周向相反；相邻两个内置式永磁体之间的转子铁心外圆周表面设置一个表面式永磁体；相邻两个表面式永磁体充磁方向沿径向相反。
当p=5i时，表面式永磁体的数量为4i个，内置式永磁体的数量为2i个，其中，i为正整数；2i个内置式永磁体沿转子铁心周向均匀布设，相邻两个内置式永磁体充磁方向沿周向相反；相邻两个内置式永磁体之间的转子铁心外圆周表面均匀布设两个表面式永磁体。
内置式永磁体采用切向充磁，表面式永磁体采用平行或径向充磁。
位于转子铁心两侧或内侧的转轴上套装有不导磁的轴套。
轴套的外圆周表面均匀设置有若干个燕尾形的隔磁件。
本发明还提供一种混合极转子，该混合极转子在降低电机成本和保证转矩输出能力的同时，不存在单极性漏磁及其引起的磁化问题。
一种电机，包括上述混合极转子。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明的混合极转子，包括内置式永磁体和表面式永磁体，永磁体用量少。
2、内置式永磁体为切向充磁、表面式永磁体为径向或平行充磁。转子铁心采用导磁材料。
3、转子的极对数为p，p为任意正整数。对于p=2i（i为正整数）的电机，有2i个表面式永磁体和i个内置式永磁体。对于p=3i（i为正整数）的电机，有2i个表面式永磁体和2i个内置式永磁体。对于p=5i（i为正整数）的电机，有4i个表面式永磁体和2i个内置式永磁体。
4、本发明的混合极转子，含有磁化方向相反的永磁体，沿整个圆周对称；因此，不存在单极性的漏磁，避免了机械部件的磁化问题。
5、任意p=2i或3i或5i的传统永磁电机，其转子都可以改装成本发明的混合极转子。
6、转子铁心为导磁材料，且安装在转轴上。
7、本电机即可电动运行，也可发电运行。
附图说明
图1显示了本发明一种混合极转子当p=3时的结构示意图。
图2显示了本发明一种混合极转子当p=4时的结构示意图。
图3显示了本发明一种混合极转子当p=5时的结构示意图。
图4显示了本发明一种混合极转子装配轴套后的结构示意图。
图5显示了本发明一种混合极转子当p=3时的磁力线图。
图6显示了本发明一种混合极转子当p=3时的永磁体磁力线图。
图7显示了当p=3时，传统表贴式永磁电机、201611011019.1和本发明电机转矩比较。
图8显示了当p=3时，传统表贴式永磁电机、201611011019.1和本发明的永磁体利用率k m 的比较示意图。
其中有：
10.表面式永磁体；20.内置式永磁体；30.转子铁心；40.转轴；50.磁障；60.轴套。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1至图4所示，一种混合极转子，包括表面式永磁体10、内置式永磁体20、转子铁心30和转轴40。
一种电机，包括上述混合极转子，电机的极对数为p，p为任意正整数。
转子铁心采用导磁材料制成，转子铁心套装在转轴的外周；内置式永磁体沿径向插设在转子铁心中，表面式永磁体沿周向嵌套在转子铁心的外圆周表面。
上述内置式永磁体优选采用切向充磁，表面式永磁体优选采用平行充磁。
本发明利用表面式永磁体和内置式永磁体在临近的铁心极上形成“假极”，节约了永磁体用量。且整个机械周期（圆周）上永磁体的充磁方向相反，不存在单极性漏磁及其引起的磁化问题。
下面以p=2i、3i或5i为例，对本发明进行进一步详细说明。
一、当p=2i时，表面式永磁体的数量为2i个，内置式永磁体的数量为i个，其中，i为正整数。
上述i个内置式永磁体沿转子铁心周向均匀布设，相邻两个内置式永磁体充磁方向沿周向相同；相邻两个内置式永磁体之间的转子铁心外圆周表面设置一组表面式永磁体组，所有表面式永磁体组沿转子铁心周向均匀布设。
每组表面式永磁体组均包括两个相邻接的表面式永磁体，两个相邻接的表面式永磁体的邻接处均设置有磁障50，也即为隔磁槽，降低漏磁。
相邻两个表面式永磁体的充磁方向沿径向相反，这里的相邻，包括表面式永磁体组中的两个表面式永磁体，也包括表面式永磁体组之间，相互紧邻的两个表面式永磁体。
如图2所示，以i=2为例，也即p=4，极数为8。此时，混合极转子具有4个表面式永磁体和2个内置式永磁体，即用6块永磁体构成了4对极，而传统转子则需要8块永磁体。
二、当p=3i时，表面式永磁体的数量为2i个，内置式永磁体的数量为2i个，其中，i为正整数。
上述2i个内置式永磁体沿转子铁心周向均匀布设，相邻两个内置式永磁体充磁方向沿周向相反；相邻两个内置式永磁体之间的转子铁心外圆周表面设置一个表面式永磁体，所有表面式永磁体组沿转子铁心周向也为均匀布设。
相邻两个表面式永磁体充磁方向沿径向相反。
如图1所示，以i=1为例，也即p=3，极数为6。混合极转子具有2个表面式永磁体和2个内置式永磁体，即用4块永磁体构成了3对极，然而传统转子需要6块永磁体。
图5给出了p=3时的永磁体的磁力线图，可以看出表面式永磁体和内置式永磁体的磁力线会通过邻近的铁心极闭合，从而在铁心极上形成了“假极”, 转子上产生了6极磁场。
本发明的混合极转子的整个机械周期（圆周）上永磁体的充磁方向相反，不存在单极性漏磁及其引起的磁化问题。图6为p=3时的转轴端部30mm处的磁密分布，可以看出本发明的转轴端部磁密呈双极性（有正有负），而交替极呈单极性。
当p=6或6的倍数时，表面式永磁体10和内置式永磁体20布设方式，可以采用p=2i的方案，也可以采用p=3i的方案。
三、当p=5i时，表面式永磁体的数量为4i个，内置式永磁体的数量为2i个，其中，i为正整数。
上述2i个内置式永磁体沿转子铁心周向均匀布设，相邻两个内置式永磁体充磁方向沿周向相反；相邻两个内置式永磁体之间的转子铁心外圆周表面均匀布设两个充磁方向相同的表面式永磁体，每个内置式永磁体两侧的表面式永磁体的充磁方向相反。
如图3所示，以i=1为例，也即p=5，极数为10，此时，混合极转子具有4个表面式永磁体和2个内置式永磁体，即用6块永磁体构成了5对极，然而传统转子需要10块永磁体。
当p=10或10的倍数时，表面式永磁体10和内置式永磁体20布设方式，可以采用p=2i的方案，也可以采用p=5i的方案。
当p=15或15的倍数时，表面式永磁体10和内置式永磁体20布设方式，可以采用p=3i的方案，也可以采用p=5i的方案。
进一步，如图4所示，位于转子铁心两侧或内侧的转轴上优选套装有不导磁的轴套60，轴套的外圆周表面均匀设置有若干个燕尾形的隔磁件，减少漏磁的基础上，使转子铁心的燕尾型部分与轴套进行装配，从而方便分离转子铁心的装配。
申请人将本发明的电机与传统表贴式永磁电机和201611011019.1进行并行试验，得出本发明具有如下优异效果：
1、较传统表贴式永磁电机转子，减少永磁体用量和成本，提高永磁体利用率km（单位永磁体用量的输出转矩）。在电机体积和铜耗相同的情况下，传统的表贴式永磁电机、专利201611011019.1和本发明电机的输出转矩（以p=3为例），如图7所示；它们的永磁体利用率km，如图8所示；本发明的电机具有较高的永磁体利用率。
2、较发明专利200710010915.0和201110126475.1等交替极转子，本发明的混合极转子的整个机械周期（圆周）上永磁体的充磁方向相反，不存在单极性漏磁及其引起的磁化问题。
3、较发明专利201611011019.1，增加电机的转矩输出能力。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种混合极转子，混合极转子的极对数为p，p为任意正整数，其特征在于：混合极转子包括表面式永磁体、内置式永磁体、转子铁心和转轴；
转子铁心采用导磁材料制成，转子铁心套装在转轴的外周；内置式永磁体沿径向插设在转子铁心中，表面式永磁体沿周向嵌套在转子铁心的外圆周表面；
当p=2i时，表面式永磁体的数量为2i个，内置式永磁体的数量为i个，其中，i为正整数；i个内置式永磁体沿转子铁心周向均匀布设，相邻两个内置式永磁体充磁方向沿周向相同；相邻两个内置式永磁体之间的转子铁心外圆周表面设置一组表面式永磁体组；每组表面式永磁体组均包括两个相邻接的表面式永磁体，两个相邻接的表面式永磁体的邻接处均设置有磁障；相邻两个表面式永磁体的充磁方向沿径向相反；
当p=3i时，表面式永磁体的数量为2i个，内置式永磁体的数量为2i个，其中，i为正整数；2i个内置式永磁体沿转子铁心周向均匀布设，相邻两个内置式永磁体充磁方向沿周向相反；相邻两个内置式永磁体之间的转子铁心外圆周表面设置一个表面式永磁体；相邻两个表面式永磁体充磁方向沿径向相反；
当p=5i时，表面式永磁体的数量为4i个，内置式永磁体的数量为2i个，其中，i为正整数；2i个内置式永磁体沿转子铁心周向均匀布设，相邻两个内置式永磁体充磁方向沿周向相反；相邻两个内置式永磁体之间的转子铁心外圆周表面均匀布设两个表面式永磁体。
2.根据权利要求1所述的混合极转子，其特征在于：内置式永磁体采用切向充磁，表面式永磁体采用平行或径向充磁。
3.根据权利要求1所述的混合极转子，其特征在于：位于转子铁心两侧或内侧的转轴上套装有不导磁的轴套。
4.根据权利要求3所述的混合极转子，其特征在于：轴套的外圆周表面均匀设置有若干个燕尾形的隔磁件。
5.一种电机，其特征在于：包括权利要求1至4任一项所述的混合极转子。
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