CN109787443B - 一种抑制永磁电机交流损耗的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制永磁电机交流损耗的方法，具体为在使用Halbach阵列的径向磁通永磁电机转子/轴向磁通永磁电机转子/永磁直线电机动子上，针对不同充磁角度的磁钢，在其表面的特殊位置固定高磁导率薄片；其中，所述高磁导率薄片由于磁导率与气隙不同，可以改变气隙大小，从而改变磁场分布，减少穿过定子绕组但不参与机电能量转换的磁场分量，进而抑制定子绕组上的交流损耗。本发明的抑制永磁电机交流损耗的方法，在较大程度上减小了永磁磁场切向分量，而且在不增加加工难度的前提下尽可能减小定子绕组上产生的交流损耗。

Description

一种抑制永磁电机交流损耗的方法

技术领域

本发明属于永磁电机技术领域，更具体地，涉及一种抑制永磁电机交流损耗的方法。

背景技术

随着永磁材料的研究取得进展，永磁同步电机也迅速发展。其中，轴向磁通永磁电机因具有高功率密度、高转矩密度、高集成度等特点，在电动汽车、新型能源、船舰驱动等领域得到广泛应用。相比一般的径向磁通电机，轴向磁通电机具有轴向长度短、功率密度高等优势。若采用无铁芯定子结构，则电机质量大大下降，可进一步提升单位质量功率密度，且该结构不存在铁耗，可提高系统效率。

常见的双转子-中间定子轴向磁通无铁芯永磁电机示意图如图1所示。转子由磁钢及转子轭构成，磁钢通常采用Halbach阵列以减小漏磁，增强气隙磁场，转子轭根据需求可导磁或不导磁。现有的磁钢阵列通常不经过其它特殊处理便进行安装。该结构磁场分布如图2所示，磁力线由一永磁转子出发，穿过气隙-无铁芯定子-气隙到达另一永磁转子，在沿相似路径回到磁力线出发的永磁转子，形成回路。因为磁力线经过的路径中没有铁芯结构，磁钢本身和绕组的磁导率接近空气，因而需要磁钢的厚度较大。同时，无铁芯结构中气隙需要考虑绕组厚度。若考虑电机轴向长度，则需尽可能减小绕组厚度。这会使电阻、电密增加，带来铜耗上升，导致效率下降，提高过热风险。另外，无铁芯电机的绕组暴露在交变磁场中，除常规电机重点考虑的直流铜耗外，交流铜耗的抑制也显得尤为重要。

为了克服上述铜耗的问题，许多文献提出了新型的绕组或磁钢结构。专利文献CN108123558A提出在定子绕组上装设多组由永磁体构成的永磁聚焦结构，但依然存在以下不足：(1)该绕组上装有永磁体，导致电机成本和绕组灌封后的重量上升；(2)该绕组上装有永磁体，且暴露在交变磁场中，产生损耗；(3)实施方案中采用铁氧体作为聚焦结构的材料，而铁氧体在温度不高时易退磁，性能受到影响。

发明内容

针对上述现有技术的改进需求，本发明提供一种抑制永磁电机交流损耗的方法，在永磁转子/动子使用Halbach阵列的基础上，将高磁导率薄片铺设于特定充磁方向的磁钢表面，由于高磁导率薄片磁导率大，对于充磁方向与径向磁通电机的径向/轴向磁通电机的轴向/直线电机的法向不平行的部分可以减少永磁磁场切向分量，而对于平行的部分则可以进一步减小磁场中切向分量，从而抑制绕组上的交流损耗。

为了实现上述目的，本发明提供一种抑制永磁电机交流损耗的方法，具体为在径向磁通永磁电机永磁转子/轴向磁通永磁电机永磁转子/永磁直线电机永磁动子上的特殊位置固定高磁导率薄片，

所述永磁转子或永磁动子使用Halbach阵列；且，

各个所述磁钢均在特定方向充磁，对应每个所述磁钢表面或其交界处设有所述高磁导率薄片，以减小磁场的切向分量，进而减少定子绕组上产生的空载交流损耗。

进一步地，所述径向磁通永磁电机转子/轴向磁通永磁电机转子/永磁直线电机动子使用Halbach阵列，每个磁极下设有多个磁钢，采取Halbch阵列中相邻磁钢充磁角之差不变的方式时，每极下磁钢数目n与相邻磁钢充磁角之差θ关系为：

n*θ＝180° (1)

进一步地，所述永磁转子或永磁动子为45°Halbach阵列，θ＝45°，n＝4，永磁电机的切向为0°，则所述磁钢分别为第一磁钢、第二磁钢、第三磁钢以及第四磁钢；其中，

所述第一磁钢充磁角为90°或270°；

所述第二磁钢充磁角为45°或225°；

所述第三磁钢充磁角为0°或180°；

所述第四磁钢充磁角为135°或315°；且，

单个磁极下所有磁钢的充磁角同时小于180°或同时大于180°。

进一步地，每个所述磁极上铺设有多块高磁导率薄片，每个所述磁钢上铺设有一块或多块所述高磁导率薄片。

进一步地，每个所述磁极上铺设有多块高磁导率薄片，所述永磁转子或永磁动子为45°Halbach阵列，则所述单个磁极下的高磁导率薄片数目为3，分别为第一高磁导率薄片、第二高磁导率薄片以及第三高磁导率薄片；其中，

所述第一高磁导率薄片铺设于所述第一磁钢表面，且关于该第一磁钢与轴向平行的中间面对称；

所述第二高磁导率薄片铺设于所述第二磁钢、第三磁钢交界处表面；

所述第三高磁导率薄片铺设于所述第三磁钢以及第四磁钢交界处表面。

进一步地，所述高磁导率薄片的材料为硅钢片或软铁。

进一步地，径向磁通永磁电机中，所述第一高磁导率薄片、第二高磁导率薄片以及第三高磁导率薄片的结构形状为扇环柱面。

进一步地，轴向磁通永磁电机中，所述第一高磁导率薄片、第二高磁导率薄片以及第三高磁导率薄片的结构形状为扇环形或带有圆弧边的矩形或者扇形。

进一步地，永磁直线电机中，所述第一高磁导率薄片、第二高磁导率薄片以及第三高磁导率薄片的结构形状为矩形。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：

1.本发明的永磁电机交流损耗抑制方法，对于转子/动子磁钢充磁方向与径向磁通永磁电机的径向/轴向磁通永磁电机的轴向/直线永磁电机的法向不平行的部分可以减少永磁磁场切向分量，与径向磁通永磁电机的径向/轴向磁通永磁电机的轴向/直线永磁电机的法向平行的部分则可以进一步减小磁场中切向分量，从而抑制绕组上的交流损耗。

2.本发明的永磁电机交流损耗抑制方法，在不增加加工难度的前提下尽可能减小定子绕组上产生的交流损耗，对于所述示例的轴向磁通永磁电机，铺设高磁导率薄片以后，空载绕组交流损耗降低为装设前的73％左右。

3.本发明的永磁电机交流损耗抑制方法，对于所述示例的轴向磁通永磁电机，第三磁钢气隙磁场处磁力线较装设之前更加稀疏、第一磁钢气隙磁场处磁力线方向更加接近轴向，从而磁力线穿过绕组但不参与机电能量转换的无效部分，即气隙磁场中切向分量变少，进而减小绕组上产生的交流损耗。

4.本发明的永磁电机交流损耗抑制方法，对于所述示例的轴向磁通永磁电机，每一极上铺设有块硅钢片，分别为第一硅钢片、第二硅钢片以及第三硅钢片。其中，第一硅钢片铺设于第一磁钢表面，且关于第一磁钢与轴向平行的中间面对称；第二硅钢片铺设于第二磁钢、第三磁钢交界处表面，第三硅钢片铺设于第三磁钢以及第四磁钢交界处表面，两者大小、形状相同且位置关于第三磁钢与轴向平行的中间面对称。该方案不仅可以减小气隙，同时由于硅钢片的磁导率比空气大，从而可以较大程度地减小磁场切向分量。

5.本发明的永磁电机交流损耗抑制方法，高磁导率薄片铺设不限于所述示例方案的每磁极下3处，每极下每个铺设高磁导率薄片处的高磁导率薄片数目不限于1片，可根据Halbach阵列中相邻磁钢充磁角之差θ、转子所含的磁极数目等电机参数的具体情况进行处理。

6.本发明的永磁电机交流损耗抑制方法，对于所述示例的轴向磁通永磁电机，所述高磁导率薄片的结构形状可为扇环形，也可为带有圆弧边的矩形、扇形等结构形状。

7.本发明的永磁电机交流损耗抑制方法，可推广至径向磁通永磁电机及直线永磁电机，应用于①内转子、内定子或多转子等结构的径向磁通永磁电机②双转子-中间无铁芯定子、双定子-中间转子或多盘无铁芯等结构的轴向磁通永磁电机③单边平板、双边平板式等结构的直线永磁电机，不仅较大程度地减小永磁磁场切向分量，而且在不增加加工难度的前提下尽可能减小定子绕组上产生的交流损耗。

附图说明

图1为现有技术中无铁芯轴向磁通永磁电机的常见结构示意图；

图2为现有技术中无铁芯轴向磁通永磁电机的磁力线分布；

图3为本发明实施例的一种加装硅钢片的永磁转子磁钢部分的结构示意图，其中，图3(a)为转子正对电机定子绕组一面的示意图，图3(b)为一对磁极下硅钢片的布置方式示意图；

图4为本发明实施例的一种加装硅钢片的永磁转子中一对磁极沿圆周展平的结构；

图5为本发明实施例永磁转子装设硅钢片之前轴向磁通无铁芯电机单磁极下的空载磁力线分布；

图6为本发明实施例永磁转子装设硅钢片之后轴向磁通无铁芯电机单磁极下的空载磁力线分布；

图7为图5图6两种情况下定子绕组上产生的空载交流损耗对比；

图8为本发明实施例中硅钢片形状的示意图；

图9为高磁导率薄片固定方法的示意图；

图10为其他拓扑轴向磁通电机的简单示意图；

图11为本发明在径向磁通电机上实施的简单示意图；

图12为本发明在直线电机上实施的简单示意图。

在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-第一磁钢、2-第二磁钢、3-第三磁钢、4-第四磁钢；5-第一硅钢片、6-第二硅钢片、7-第三硅钢片、8-磁钢3附近的气隙磁场、9-磁钢1附近的气隙磁场。

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。

现有轴向磁通无铁芯永磁电机，其技术瓶颈在于轴向磁通电机气隙中的漏磁，即从任一转子发出、不经过定子绕组而直接经过气隙回到该转子的磁场，以及气隙中主磁场的切向分量在绕组上引起较大的交流损耗，阻碍电机效率提升。针对现有技术无法对所述的磁场分量进行削弱或可以削弱、但引入其他问题的情况，本发明提出一种抑制永磁电机交流损耗的方法，其实施例所涉及电机转子结构如图3所示，该实施例为双转子内定子轴向磁通无铁芯永磁电机，永磁转子采用45°Halbach阵列。高磁导率薄片选用硅钢片，将硅钢片铺设在Halbach阵列永磁转子中特定充磁方向的磁钢表面，由于硅钢片导磁，对于充磁方向与轴向不平行的部分可以减少与定子绕组交链的漏磁，与轴向平行的部分则可以进一步减小磁场中切向分量，从而抑制绕组上的交流损耗。该轴向磁通电机转子结构可以在不增加加工难度的前提下尽可能减小定子绕组上产生的交流损耗。

具体而言，图3(a)所示为转子正对电机定子绕组的一面，图3(b)所示为一对磁极下硅钢片的布置方式，转子采用45°的Halbach阵列。例如永磁体数为96，磁极数为24，每个磁极依次设有四个磁钢，分别为第一磁钢1、第二磁钢2、第三磁钢3以及第四磁钢4。如图4所示，其中，第一磁钢1为充磁角为90°或270°的磁钢；第二磁钢2为充磁角为45°或225°的磁钢；第三磁钢3为充磁角为0°或180°的磁钢；第四磁钢4为充磁角为135°或315°的磁钢。

如图3(b)所示，在本发明的实施例中，每一极上铺设有3块硅钢片，分别为第一硅钢片5、第二硅钢片6以及第三硅钢片7。其中，第一硅钢片5铺设于第一磁钢1表面，且关于图4视角下第一磁钢1与轴向平行的中间面对称；第二硅钢片6铺设于第二磁钢2、第三磁钢3交界处表面，第三硅钢片7铺设于第三磁钢3以及第四磁钢4交界处表面，两者大小、形状相同且位置关于第三磁钢3与轴向平行的中间面对称。这种硅钢片的结构及布置方式仅为本发明其中一种实施例，硅钢片铺设不限于每磁极下3处，每极下每个铺设硅钢片处的硅钢片数目不限于1片，可根据Halbach阵列的具体情况进行处理.凡在永磁电机转子/动子上装设硅钢片以改变磁场分布进而抑制损耗的方法，均应在本发明的保护范围内。

图5和图6为本发明实施例永磁转子装设硅钢片前后，轴向磁通无铁芯电机单磁极下的空载磁力线分布。对比分析图5和图6可知，通过在第一磁钢表面以及第二磁钢与第三磁钢、第三磁钢与第四磁钢交界处铺设硅钢片，不仅可以大大减小气隙，同时由于硅钢片的磁导率比空气大，从而可以较大程度地减小永磁磁场切向分量。

此外，由于第一硅钢片5铺设于第一磁钢1表面，且关于图4视角下第一磁钢1与轴向平行的中间面对称，对比第三磁钢3附近的气隙磁场，第一磁钢1附近的气隙磁场可知，铺设硅钢片后，气隙磁场8处磁力线较装设之前更加稀疏、气隙磁场9处磁力线方向更加接近轴向，从而磁力线穿过绕组但不参与机电能量转换的无效部分，即气隙磁场中切向分量变少，从而使得绕组上产生的交流损耗变小。

图7为图5图6两种情况下定子绕组上产生的空载交流损耗对比。铺设硅钢片以后，其可进一步减小磁场中切向分量，从而抑制绕组上的交流损耗，通过仿真分析得知该实施例中的空载绕组交流损耗降低为铺设硅钢片前的73％左右。

图8为本发明实施例中硅钢片的结构示意图。本发明的实施例中，第一硅钢片5、第二硅钢片6以及第三硅钢片7的结构形状可根据磁钢的结构形状相应设计。在本发明的优选实施例中，第一硅钢片5、第二硅钢片6以及第三硅钢片7的结构形状可为如图3中所示的扇环形，也可为如图8所示的带有圆弧边的矩形、扇形等结构形状；另外，该实施例中硅钢片的固定方法可为图9(a)所示的胶粘、图9(b)所示的用螺钉固定或图9(c)所示的用内外圆环卡紧等方式。但这些硅钢片的结构形状和固定方法仅为本发明实施例中较为典型的代表，凡在依此为基础，对高磁导率薄片的结构形状和固定方法进行变形设计，并装设在永磁电机转子上以改变磁场分布，减小漏磁，进而抑制损耗的方法，均应在本发明的保护范围内。

进一步地，本发明的实施例中提供一种具有硅钢片转子的轴向磁通永磁电机，其包括结构为双转子-中间定子无铁芯轴向磁通电机，但该发明应用不仅限于该结构，如图10所示双定子-中间转子、多盘无铁芯等轴向磁通电机结构，图11和图12所示以及其他各类径向磁通永磁电机与直线永磁电机结构均在本专利保护范围内。

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，并不用于限制本发明，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 (7)

1.一种抑制永磁电机交流损耗的方法，所述永磁电机为无铁芯永磁电机，具体为在径向磁通永磁电机永磁转子/轴向磁通永磁电机永磁转子/永磁直线电机永磁动子上的固定高磁导率薄片，其特征在于；

所述永磁转子或永磁动子使用Halbach阵列；且，

各个磁钢均在特定方向充磁，对应每个所述磁钢表面或其交界处设有所述高磁导率薄片，以减小磁场的切向分量，进而减少定子绕组上产生的空载交流损耗；

每个磁极上铺设有多块高磁导率薄片；具体地，所述永磁转子或永磁动子为45°Halbach阵列，单个磁极下的高磁导率薄片数目为3，分别为第一高磁导率薄片(5)、第二高磁导率薄片(6)以及第三高磁导率薄片(7)；其中，

所述第一高磁导率薄片(5)铺设于第一磁钢(1)表面，且关于该第一磁钢(1)与轴向平行的中间面对称；

所述第二高磁导率薄片(5)铺设于第二磁钢(2)、第三磁钢(3)交界处表面；

所述第三高磁导率薄片(7)铺设于第三磁钢(3)以及第四磁钢(4)交界处表面。

2.根据权利要求1所述的一种抑制永磁电机交流损耗的方法，其特征在于，所述径向磁通永磁电机转子/轴向磁通永磁电机转子/永磁直线电机动子使用Halbach阵列，每个磁极下设有多个磁钢，采取Halbch阵列中相邻磁钢充磁角之差不变的方式时，每极下磁钢数目n与相邻磁钢充磁角之差θ关系为：

n*θ＝180°。

3.根据权利要求1所述的一种抑制永磁电机交流损耗的方法，其特征在于，所述永磁转子或永磁动子为45°Halbach阵列，θ＝45°，n＝4，永磁电机的切向为0°，则所述磁钢分别为第一磁钢(1)、第二磁钢(2)、第三磁钢(3)以及第四磁钢(4)；其中，

所述第一磁钢(1)充磁角为90°或270°；

所述第二磁钢(2)充磁角为45°或225°；

所述第三磁钢(3)充磁角为0°或180°；

所述第四磁钢(4)充磁角为135°或315°；且，

单个磁极下所有磁钢的充磁角同时小于180°或同时大于180°。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种抑制永磁电机交流损耗的方法，其特征在于，所述高磁导率薄片的材料为硅钢片或软铁。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的一种抑制永磁电机交流损耗的方法，其特征在于，径向磁通永磁电机中，所述第一高磁导率薄片(5)、第二高磁导率薄片(6)以及第三高磁导率薄片(7)的结构形状为扇环柱面。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的一种抑制永磁电机交流损耗的方法，其特征在于，轴向磁通永磁电机中，所述第一高磁导率薄片(5)、第二高磁导率薄片(6)以及第三高磁导率薄片(7)的结构形状为扇环形或带有圆弧边的矩形或者扇形。

7.根据权利要求1-3中任一项所述的一种抑制永磁电机交流损耗的方法，其特征在于，永磁直线电机中，所述第一高磁导率薄片(5)、第二高磁导率薄片(6)以及第三高磁导率薄片(7)的结构形状为矩形。

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