CN108923556A - 一种适用于大中型低速永磁电机的磁极 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于大中型低速永磁电机的磁极，属于永磁电机技术领域，该磁极包括多个磁极小段、至少一根轴向导磁拉杆、至少两块端部压板和若干拉紧螺母，其中，多个完成充磁的磁极小段通过导磁拉杆贯穿并串连成整体，两端通过端部压板和拉紧螺母压紧固定，形成完整磁极。本发明提出的一种改进的适用于大中型低速永磁电机的磁极，融合现有表贴式和内嵌式磁极结构各自技术优势，同时兼顾了内嵌式磁极结构工艺简单、可靠性高的优点，还兼顾了表贴式磁极结构电磁性能好的优点，能同时满足大中型低速永磁电机对工艺性、可靠性和振动噪声性能的要求。

Description

一种适用于大中型低速永磁电机的磁极

技术领域

本发明属于永磁电机技术领域，更具体地，涉及一种适用于大中型低速永磁电机的磁极。

背景技术

永磁电机利用高磁能积的稀土永磁材料取代了励磁绕组，具有功率密度高、机械结构简单、全调速范围效率高等优点。已经广泛应用于风力发电、电动(混动)汽车和船舶推进等领域。

根据转子永磁体的固定方式不同，永磁电机可以分为两大类，即表贴式永磁电机和内嵌式永磁电机，其中：

(1)、表贴式永磁电机通常通过胶水将永磁体粘接在电机转子表面，或者通过护套将永磁体绑扎于电机转子表面。其结构形式决定了电机的等效气隙大，气隙磁导均匀，电枢反应很小，即使在负载工况下，气隙磁密也不容易由于电枢反应发生畸变；配合适当的永磁体削极设计，可使电机在全工况均具有高度正弦的气隙磁密波形，有利于降低电机的振动噪声。但是，电机磁极结构若采用胶粘方案，其长期服役可靠性难以保证；若采用护套方案，则对于大中型永磁电机，其工艺难度过大。

(2)、内嵌式永磁电机的转子铁心由硅钢片冲片叠压而成，在转子叠片铁心内部设有放置永磁体的空腔，永磁体插入后辅以适当胶水即可牢固固定。其转子结构形式与常规电励磁同步电机类似，工艺简单成熟，且具有良好的长期服役可靠性。但是内嵌式永磁电机由于硅钢片铁心的存在，电机的等效气隙较小，且气隙磁导不均匀，电枢反应较强。因此在负载工况下，电机的气隙磁密很容易由于电枢反应发生畸变，对电机的振动噪声造成不利影响。此外，内嵌式永磁电机的永磁体若采用常规削极设计，会存在自退磁现象，不利于电机的长期可靠稳定运行。

由于常规表贴式磁极结构和内嵌式磁极结构各自的性能局限，难以同时满足大中型低速永磁电机对工艺性、可靠性和振动噪声性能的要求，亟待提出一种新型磁极结构解决现有磁极结构性能不足的问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种适用于大中型低速永磁电机的磁极，其目的在于，提出了一种改进的磁极，融合现有表贴式和内嵌式磁极结构各自技术优势，同时兼顾了内嵌式磁极结构工艺简单、可靠性高的优点，还兼顾了表贴式磁极结构电磁性能好的优点，能同时满足大中型低速永磁电机对工艺性、可靠性和振动噪声性能的要求。

为实现上述目的，本发明提供了适用于大中型低速永磁电机的磁极结构，每件完整磁极包括多个磁极小段、至少一根轴向拉杆、至少两块端部压板、和若干拉紧螺母。其中，磁极小段首先完成充磁，再通过拉杆将多个磁极小段串在一起，两端再通过压板和螺母压紧，形成一个完整磁极。

其中，所述导磁拉杆选用高导磁钢材(或选用导磁材料)，端部压板选用不导磁不锈钢。所述磁极底部开有若干通孔，通孔对应的拉杆位置处开有螺纹孔，以供安装和固定导磁拉杆。

电机的转轴外壁开有与磁极适型的安装槽，安装磁极时，整个磁极沿轴向插入安装槽，通过从在转轴内壁插入紧固螺栓，紧固螺栓拧紧固定在拉杆的螺纹孔处，将磁极与转轴固定为一个整体。其中所述转轴采用高导磁钢材。

进一步的，每个所述磁极小段包括高磁能积永磁体、硅钢叠片磁盒以及设置在永磁体两侧的隔磁障，其中，硅钢叠片磁盒内设多个空腔，永磁体安装在所述空腔内；永磁体安装时，上下表面涂抹适量胶水，插入硅钢叠片磁盒中部的适型空腔并固定；硅钢叠片磁盒两侧的空腔插入填充棒材并用胶水固定，形成了隔磁障；磁极小段端面的永磁体设有绝缘层。

进一步的，其中所述永磁体采用平行充磁，其横截面呈瓦型：其上表面为一段突起的曲线，其具体形状可为偏心圆弧、正弦曲线、余弦曲线、或是其他有利于提高永磁体磁密正弦度的形状；其下表面为一条相同曲线，且与上表面平行。

进一步的，每件永磁体由多个未充磁永磁体小块沿电机环向粘接而成。

进一步的，其中所述硅钢叠片磁盒设有一个与永磁体适型的空腔，用于嵌入未充磁的永磁体；空腔左侧和右侧设有固定凸台，防止永磁体产生周向晃动。空腔外侧(气隙侧)为一条横梁，横梁的弧度与永磁体上表面基本一致；横梁通过磁盒左右两侧的径向筋与磁盒底部连成一个整体。电机转子旋转时，磁盒两侧径向筋和横梁起到约束永磁体，克服其离心力的作用。在满足结构强度和工艺性前提下，横梁和径向筋的宽度应尽可能小。

进一步的，其中所述硅钢叠片磁盒由多张硅钢片冲片采用胶粘工艺叠压而成。

进一步的，其中所述硅钢片磁盒在永磁体空腔左右两侧对称设有两个小空腔，填充不导电也不导磁的材料(例如是环氧树脂)，形成隔磁障。隔磁障起到阻碍磁极自漏磁，并降低相邻磁极间互漏磁的作用。

进一步的，所述磁极小段组装完成后，再利用专用充磁设备对其进行整体充磁。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

采用本发明所述磁极结构的永磁电机，在空载和负载工况均具有优越的低转矩脉动性能和良好的气隙磁密正弦性，特别适合于对振动噪声有较高要求的应用领域。这是因为，空载工况下，磁极小段经优化的特殊外弧设计，保证了气隙磁密具有高度的正弦性。而在负载工况下，由于永磁体的相对磁导率很小，与空气接近；而磁盒面向气隙一侧的横梁和径向筋的宽度都很小，在定子电枢反应的作用下迅速饱和，整个转子表现出很大的等效气隙，因此气隙磁导较小，且沿圆周方向分布均匀性较高，规避了不均匀气隙导致的气隙磁密畸变问题。

同时，采用本发明所述磁极结构的永磁电机，由于电机的等效气隙大，所以电机电感较小，具有功率因数高的优点。另外，永磁体厚度沿充磁方向处处相等，避免了永磁体的局部自退磁问题，永磁体工作点合理，因此磁极具有抗退磁性强的优点。

上述设计回避了内嵌式磁极结构的短板，但保留内嵌式磁极的基本结构结构形式，因此保留了内嵌式磁极结构机械强度高、生产工艺简单的优点。

附图说明

图1是按照本发明实现的磁极结构的部件组成示意图；

图2a是按照本发明实现的“类表贴式”磁极的纵剖面图，图2b是该磁极的A-A横截面的结构示意图；

图3a是按照本发明实现的磁极小段的横截面图，图3b是图3a中A-A纵剖面图；

图4是按照本发明实现的“类表贴式”磁极结构的三维示意图；

图5a是按照本发明实现的磁极安装于转轴后的横截面图，图5b是磁极安装于转轴后的纵剖面图；

图6a是常规的内嵌式磁极结构，在电机额定工况下产生的典型气隙磁密波形；

图6b是按照本发明实现的磁极结构，在电机额定工况产生的典型气隙磁密波形。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

针对现有表贴式和内嵌式永磁电机的性能局限，本发明提出了一种改进的磁极，融合现有表贴式和内嵌式磁极结构各自技术优势，同时兼顾了内嵌式磁极结构工艺简单、可靠性高的特点，以及表贴式磁极结构电磁性能好的特点。具体的，本发明提出的是一种“类表贴式”的永磁电机磁极结构，其基本结构形式仍属于内嵌式磁极，但其特殊的磁路设计设计使其电磁性能接近于表贴式磁极结构。

下面结合附图对本发明的磁极机构做进一步详细的说明。

图1是按照本发明实现的磁极结构的部件组成示意图，由图1可知，整个磁极通过转轴和磁极固定螺栓设置在电机中，磁极在结构上包括磁极小段1.1、导磁拉杆1.2、端部压板1.3、拉紧螺母1.4，磁极小段又包括永磁体1.1.1、硅钢叠片磁盒1.1.2以及隔磁障1.1.3。

图2a是按照本发明实现的“类表贴式”磁极的纵剖面图，图2b是该磁极的A-A横截面的结构示意图，由图可知，整个磁极1包括多个磁极小段1.1，多个磁极小段1.1由导磁拉杆1.2贯穿成整个一串，整个磁极的端部安装有端部压板1.3和拉紧螺母1.4，以将多个磁极小段固定成整体并且牢固地被导磁栏杆1.2串成一体。

图3a是按照本发明实现的磁极小段的横截面图，图3b是图3a中A-A纵剖面图，由图可知，磁极小段包括永磁体1.1.1、硅钢叠片磁盒1.1.2以及隔磁障1.1.3，具体的，所述永磁体1.1.1采用平行充磁，充磁方向指向电机定子(N极)或指向电机转子(S极)。永磁体总体近似呈瓦片形，即中部突起，两侧后弯。具体的，永磁体上表面的曲线形式可以是一段圆弧，或是一段随圆心角度变化的正弦或反余弦曲线，但总体而言，均要保证曲线中部距离定子内圆距离最小，而曲线两端距离定子内圆的距离较大，这种结构形式有利于提高气隙磁密空间分布的正弦度，减小气隙磁密的谐波畸变率。永磁体下表面曲线与上表面相同且与上表面平行，这一设计保证了永磁体厚度处处相等，避免了永磁体放置于硅钢片磁盒后，较厚的部位通过硅钢片磁盒上部窄梁对较薄部位产生自退磁。

所述硅钢片磁盒1.1.2内部设有一个与永磁体形状匹配的空腔，空腔两侧设有定位凸台，方便永磁体嵌入后周向定位。空腔的外侧(气隙侧)设置有一条弧形横梁，横梁的弧度与永磁体上表面保持一致；横梁通过磁盒左右两侧的径向筋与磁盒底部连成一个整体。电机转子旋转时，磁盒两侧径向筋和横梁起到约束永磁体、克服其离心力的作用。设计横梁和径向筋时，应确保其厚度在满足磁盒结构强度和工艺性前提下尽可能小。这是因为：首先，电机定子通电时，较窄的横梁设计使得横梁铁心材料在电枢反应作用下迅速饱和，相对磁导率大幅下降接近空气磁导率，从而尽可能降低了磁盒硅钢片对气隙磁导均匀性的影响，提高了气隙磁密的正弦度。其次，窄的径向筋设计一方面减小了永磁体漏磁通路，降低了永磁体自漏磁，提高了永磁材料的利用率；另一方面也减小了气隙中的铁磁材料，降低了磁盒硅钢片对气隙磁导均匀性的影响，也提高了气隙磁密的正限度。

所述隔磁障1.1.3位于永磁体两侧，其高度与永磁体厚度基本一致。设置隔磁障增加了永磁体自漏磁回路的长度，增加了漏磁回路的磁阻，从而降低永磁体的自漏磁。同时，隔磁障还增加了相邻磁极之间永磁体的距离，总而增加了极与极之间的磁阻，降低了极间漏磁。因此，隔磁障对降低永磁体漏磁，提高永磁材料的利用率具有重要意义。

图4是按照本发明实现的“类表贴式”磁极结构的三维示意图，图5a是按照本发明实现的磁极安装于转轴后的横截面图，图5b是磁极安装于转轴后的纵剖面图，结合图1至图3可知，所述导磁拉杆1.2的中段横截面为矩形，两端横截面为圆形。将拉杆穿过硅钢片磁盒轭部预留的方孔，将多个硅钢片磁盒串成一串。进一步的，导磁拉杆1.2两端安装反磁不锈钢压板，再用螺栓拧紧，则可将多个硅钢片磁盒轴向拉紧，形成一个完整磁极。拉杆采用导磁实心钢材料，尽可能减小了对磁盒轭部磁路的影响，避免了回路磁阻的大幅增加。所示磁极端部压板1.3采用反磁不锈钢材料，既避免了了永磁体在端部形成漏磁回路，造成永磁材料的浪费；同时也避免了定子谐波磁场穿过压板，导致额外的涡流损耗。所示导磁转轴一方面充当了磁极的固定基础，其表面开有与硅钢片磁盒匹配的梯形槽，梯形槽壁与磁极侧面紧密贴合，构成转子轭部磁路的一部分。电机装配时，将整条磁极推入梯形槽后，再通过所述的紧固螺栓，从转轴内圆向外反拧至磁极拉杆处，将磁极固定紧。为避免紧固螺栓插入拉杆后增加磁盒轭部磁阻，紧固螺栓宜选用导磁材料。另一方面，导磁转轴也是转子轭部磁路的一部分，增大了转子轭部的导磁面积，并连通了相邻极之间的轭部磁路。

在本发明的又一个具体实施例中，电机的转轴2外壁开有与磁极适型的安装槽，安装磁极1时，整个磁极沿轴向插入安装槽，通过从在转轴2内壁插入紧固螺栓3，紧固螺栓拧紧固定在拉杆1.2的螺纹孔处，将磁极1与转轴2固定为一个整体。其中所述转轴2采用高导磁钢材。

本发明公开的磁极结构中，硅钢叠片磁盒外表面为弧面，永磁体呈瓦片型，并且瓦型结构永磁体上下表面均与磁盒弧面共形的，永磁体两侧具有隔磁障和定位凸台。隔磁障的两个端部设置有隔磁障填充材料，填充材料本身不导磁，可以减小磁极的自漏磁，同时提高了磁极的结构强度。

所述磁极结构无论在电机空载还是负载(电枢反应)时，始终可以获得良好的气隙磁密正弦度。图6a是常规的内嵌式磁极结构，在电机额定工况下产生的典型气隙磁密波形；图6b是按照本发明实现的磁极结构，在电机额定工况产生的典型气隙磁密波形，如图6所示，按照本发明实现的磁极结构气隙磁密正弦度和谐波畸变率明显优于采用常规设计的内嵌式永磁磁极结构。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于大中型低速永磁电机的磁极，其特征在于，该磁极(1)包括多个磁极小段(1.1)、至少一根轴向导磁拉杆(1.2)、至少两块端部压板(1.3)和若干拉紧螺母(1.4)，其中，

多个完成充磁的磁极小段通过导磁拉杆贯穿并串连成整体，两端通过端部压板(1.3)和拉紧螺母(1.4)压紧固定，形成完整磁极。

2.如权利要求1所述的适用于大中型低速永磁电机的磁极，其特征在于，其中，每个所述磁极小段(1.1)包括永磁体(1.1.1)、硅钢叠片磁盒(1.1.2)以及设置在永磁体两侧的隔磁障(1.1.3)，其中，硅钢叠片磁盒(1.1.2)内设多个空腔，永磁体(1.1.1)固定在硅钢叠片磁盒(1.1.2)中部的适型空腔中；硅钢叠片磁盒(1.1.2)两侧的空腔固定有棒材以形成隔磁障(1.1.3)，每个磁极小段的两个端面的永磁体均设有绝缘层。

3.如权利要求2所述的适用于大中型低速永磁电机的磁极，其特征在于，所述永磁体(1.1.1)采用平行充磁，其横截面呈瓦片型，横截面的上表面投影为一段突起的曲线，曲线的具体形状可为偏心圆弧、正弦曲线、余弦曲线，横截面的下表面投影为一条与上表面投影平行一致的曲线。

4.如权利要求3所述的适用于大中型低速永磁电机的磁极，其特征在于，每件永磁体(1.1.1)由多个未充磁永磁体小块沿电机环向粘接而成。

5.如权利要求4所述的适用于大中型低速永磁电机的磁极，其特征在于，所述硅钢叠片磁盒(1.1.2)设有一个与永磁体(1.1.1)适型的空腔，用于嵌入未充磁的永磁体(1.1.1)，与永磁体(1.1.1)适型的空腔的左侧和右侧均设有固定凸台，用于防止永磁体(1.1.1)产生周向晃动，

与永磁体(1.1.1)适型的空腔的气隙侧设置有一条横梁，横梁的弧度与永磁体上表面保持一致；横梁通过硅钢叠片磁盒左右两侧的径向筋与硅钢叠片磁盒底部连成整体，在电机转子旋转时，硅钢叠片磁盒两侧径向筋和横梁起到约束永磁体、克服其离心力的作用。

6.如权利要求5所述的适用于大中型低速永磁电机的磁极，其特征在于，所述硅钢叠片磁盒(1.1.2)由多张硅钢片冲片采用胶粘工艺叠压而成。

7.如权利要求6所述的适用于大中型低速永磁电机的磁极，其特征在于，所述硅钢片磁盒(1.1.2)在容置永磁体的空腔的左右两侧对称设有两个小空腔，分别填充不导电也不导磁的材料以形成隔磁障，隔磁障起到阻碍磁极自漏磁、并降低相邻磁极间互漏磁的作用。

8.如权利要求7所述的适用于大中型低速永磁电机的磁极，其特征在于，多个磁极小段(1.1)组装完成后，再利用充磁设备对其进行整体充磁。

9.如权利要求8所述的适用于大中型低速永磁电机的磁极，其特征在于，整个磁极(1)底部开有多个通孔，通孔中对应安装导磁拉杆(1.2)位置处开有螺纹孔，以能安装并固定导磁拉杆(1.2)。

10.如权利要求8所述的适用于大中型低速永磁电机的磁极，其特征在于，所述导磁拉杆(1.2)选用导磁钢材，所述端部压板(1.3)选用不导磁不锈钢。