CN110649732A - 混合励磁转子及混合励磁表贴式永磁电机 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种混合励磁转子及混合励磁表贴式永磁电机，包括转轴，固定于转轴上的转子铁心，所述转子铁心外侧圆周设置有若干转子极，转子极之间设置有空气气隙间隔，每个转子极都包括了多个弧形磁钢，且所述弧形磁钢包括第一磁钢和第二磁钢两种，且第一磁钢的矫顽力与第二磁钢具有相同或者相近的剩磁，但两者的矫顽力不同；且第一磁钢和第二磁钢依次交替设置，本公开可以做到更低的转矩输出成本，同时还具有结构简单有利于工厂批量化生产和不影响电机的电磁特性以及便于弱磁控制的特点。
Description
技术领域
本公开属于永磁电机技术领域，具体涉及一种混合励磁转子及混合励磁表贴式永磁电机。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
电机是现代工业生产以及人类生活的重要组成部分，同时也是国家经济重要推力之一。稀土材料一直是世界上重要的稀缺资源，随着稀土材料的应用和科学技术的发展，永磁材料的种类和性能得到了质的飞跃。于是随着永磁材料的进步，永磁电机在电动汽车、家用电器、风力发电机、航天航空、智能机器人、医疗器械、农业生产等领域的应用也越来越广泛。稀土永磁体的超高磁性能可使电机的重量比常规电机减少30-50％，提高了电机的功率密度；永磁电机的功率因数很高，在电机的快速调速特性、过载能力等方面优点十分显著，有明显取代异步电机的趋势。表贴式永磁电机因其结构简单，可靠性高，制造工艺简单，易于矢量控制，所以被广泛的使用在各种场合。
但是随着稀土材料的紧张和价格不断的上涨，严重限制了表贴式永磁电机的研发和发展。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提出了一种混合励磁转子及混合励磁表贴式永磁电机，本公开能够降低转矩输出成本,提高单位成本的转矩输出，同时还具有结构简单，不影响电机的电磁特性以及便于弱磁控制的特点。
根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
一种混合励磁转子，包括转轴，固定于转轴上的转子铁心，所述转子铁心外侧圆周设置有若干转子极，转子极之间设置有空气气隙间隔，每个转子极都包括了两个弧形磁钢，且所述弧形磁钢包括第一磁钢和第二磁钢两种，且第一磁钢与第二磁钢具有相同或者相近的剩磁，但两者的矫顽力不同；
且第一磁钢和第二磁钢依次交替设置。
上述方案充分利用了定子电流产生的磁动势来降低在永磁体上的花费。在定子产生的助磁区域内使用低矫顽力的永磁体如铝镍钴等来实现降低电机成本的目的，在定子产生的退磁区域内使用高矫顽力的永磁体如钕铁硼等来保证电机的转矩输出。
电流产生的磁动势方向与永磁材料充磁方向相同，则会对永磁材料产生一定的充磁或者助磁，其充磁或者助磁的效果取决于永磁材料的矫顽力，矫顽力越小的永磁材料越容易被充磁或者越容易凸显助电流产生磁动势的助磁效果，矫顽力越大的永磁材料越难被充磁或者越难凸显电流产生磁动势的助磁效果，当永磁材料的充磁方向与电流产生磁动势的方向相反时，永磁材料会有退磁风险，其退磁情况依旧取决于永磁材料的矫顽力，矫顽力越大的永磁材料退磁效果越小，矫顽力越小的永磁材料其退磁效果越大。电机在稳态运行过程中，如果所用第二磁钢全部始终处于充磁或助磁状态下，那么可以很好的提高第二磁钢对转矩的贡献度，从而实现电机转矩的提升，降低电机的转矩成本，实现单位成本输出转矩更高的目的。
作为可选择的实施方式，所述第一磁钢为钕铁硼材料制成的磁钢，所述第二磁钢为铝镍钴材料制成的磁钢。
作为可选择的实施方式，所述第一磁钢和所述第二磁钢与转子铁心之间紧密黏贴，没有气隙。
作为可选择的实施方式，同一转子极的两种不同磁钢充磁方向都是相同的，每个磁钢的充磁方向都是径向充磁。
作为可选择的实施方式，相邻两个转子极的充磁方向相反，分别是沿径向方向向里充磁和沿径向方向向外充磁。
作为可选择的实施方式，第二磁钢所对应的电角度α在55°到75°之间，第一磁钢对应的电角度β对应在75°到55°之间。
作为可选择的实施方式，第二磁钢所对应的电角度α＝75°，第一磁钢对应的电角度β＝55°。电机磁极配置过程中，保持α+β＝130°，α从55°变到75°，对应β从75°变为55°均可实现降低转矩成本的目的。提出的α＝75°、β＝55°的配置可以将电机在永磁体方面花费的成本降到最低，实现单位成本下提高转矩的目的。
作为可选择的实施方式，第二磁钢侧的空气气隙间隔对应的电角度δ1＝20°，第一磁钢侧的空气气隙间隔对应的电角度δ2＝30°。
作为可选择的实施方式，第一磁钢所对应的剩磁与第二磁钢所对应的剩磁应尽可能相等，误差小于0.01T。在保证剩磁满足条件的情况下，第一磁钢所对应的矫顽力应是第二磁钢所对应矫顽力的10-20倍，该配置可以降低永磁体成本和转矩成本，实现单位成本下增加转矩的目的。
混合励磁表贴式永磁电机，包括上述转子和定子。
作为可选择的实施方式，定子电流产生的磁动势对第二磁钢始终是充磁状态，即第二磁钢始终处在定子电流磁动势产生的充磁区域的区域内(定子电流产生的磁动势方向与磁钢的充磁方向相同)，所以转子每一极中，第二磁钢始终沿定子电流磁动势旋转方向排列在第一磁钢之前。
作为可选择的实施方式，定子具有定子铁心和多个定子绕组，所述定子铁心具有在转轴方向上层叠电磁硅钢片而成的结构，定子铁心为圆筒状，且在转轴方向上延伸。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
本公开提供的混合励磁表贴式永磁电机在同种规格尺寸表贴式永磁电机中可以做到更低的转矩输出成本，提高单位成本的转矩输出。同时还具有结构简单有利于工厂批量化生产和不影响电机的电磁特性以及便于弱磁控制的特点。
本公开利用钕铁硼材料和铝镍钴材料具有相同或者相近的剩磁，矫顽力具有较大的差异的特点，电机在稳态运行过程中，控制保持定子磁动势与转子磁动势之间的夹角始终为90°(电角度)，所用铝镍钴永磁材料全部始终处于充磁或助磁状态下，可以很好的提高铝镍钴永磁材料对转矩的贡献度，在降低永磁体成本的同时，减少转矩损失，从而实现单位成本下输出转矩更高的目的。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1是本实施例的电机的剖面结构示意图；
图2是本实施例的一个转子极的剖面结构图；
图3是本实施例的钕铁硼材料和铝镍钴材料的退磁曲线示意图；
图4是本实施例一个电周期内的定子电流产生的磁动势与转子上永磁材料分布产生拉力和推力的示意图，也为整个电机设计的原理图；
图5是本实施例4极转子3D结构图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。
本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。
本实施例提供了一种高性能混合励磁的表贴式永磁转子，从而实现低转矩成本的表贴式永磁电机。所谓低转矩成本指的是在保证电机定转子铁心材料尺寸结构和制造工艺相同的情况下，只改变转子永磁体材料组成和配置角度从而实现产生单位转矩在永磁体材料上花费上所需的价格最低，也可认为单位成本能产生更大的转矩。
第一实施例，如图1所示，以高性能低转矩成本的27槽4极混合励磁表贴式永磁电机为例进行说明。但是，以4极电机转子为例说明，但并不代表该种转子结构极数只能为4。可以采用其他的槽形和槽数的定子结构和其他绕线方式，不会影响其转矩性能特点。转子极数可以增加，但是需要保证转子每一极和下面所述的配置相同。
在本实施例中，27槽的定子采用分布式绕组布线实现降低转矩脉动的目的。
图1是与第一实施方式所涉及的高性能低转矩成本混合励磁表贴式永磁电机的转轴方向垂直的剖面图。另外图2表示第一实施方式所涉及的高性能低转矩成本混合励磁表贴式永磁电机转子一极的垂直于转轴的剖面结构图，图2为剖面的1/4，虽然为了便于说明仅显示图的1/4，但并非是指高性能低转矩成本混合励磁表贴式永磁电机转子能够一分为四。
高性能低转矩成本混合励磁表贴式永磁电机在外壳的内部具有定子(1)和转子(4)。
定子(1)具有定子铁心(2)和多个定子绕组(3)。
定子铁心(2)具有在转轴方向上层叠电磁硅钢片而成的结构，该硅钢片是为了降低涡流损耗而在铁中添加硅而制成的薄板。定子铁心(2)为圆筒状，且在转轴(8)的转轴方向上延伸。
图2为转子(4)的单独一极结构。转子铁心(7)具有沿转轴方向上层叠电磁硅钢片而成的结构。铝镍钴材料制成的瓦片形磁钢(5)和钕铁硼材料制成的瓦片形磁钢(6)分别固定于转子铁心(7)的外侧表面，与转子铁心(7)之间紧密黏贴，没有气隙。铝镍钴材料制成的瓦片形磁钢(5)形成的弧所对应的圆心角α＝75°电角度，钕铁硼材料制成的瓦片形磁钢(6)形成的弧所对应的圆心角β＝55°电角度，同时两种材料制成的瓦片形磁钢紧密的排列在转子铁心(7)的外表面，中间没有任何气隙间隔。铝镍钴材料制成的瓦片形磁钢(5)没有与钕铁硼材料制成的瓦片形磁钢(6)紧挨着侧有空气间隔，空气气隙间隔对应的弧度δ1＝20°电角度。钕铁硼材料制成的瓦片形磁钢(6)没有与铝镍钴材料制成的瓦片形磁钢(5)紧挨侧有空气间隔，空气气隙间隔对应的弧度δ2＝30°电角度。同一转子极的铝镍钴材料制成的瓦片形磁钢(5)和钕铁硼材料制成的瓦片形磁钢(6)具有相同的充磁方向，都沿径向充磁，充磁方向沿径向向里或者向外，相邻两个转子极的铝镍钴材料制成的瓦片形磁钢(5)和钕铁硼材料制成的瓦片形磁钢(6)的充磁方向相反。
转子上的表贴式永磁体采用两种价格有较大差异但是具有相同剩磁不同矫顽力的永磁材料构成，所选材料中，价格低的那种永磁材料同时具备较小的矫顽力，和高价格的永磁材料的矫顽力相差10～20倍的关系。选用低矫顽力永磁体原因有两个，1)相同剩磁情况下低矫顽力永磁的价格会低很多，有利于降低转矩成本。2)低矫顽力的永磁体容易被电流磁化，受电流产生的磁动势影响大，在充磁方向与电流产生磁动势方向相同的情况下，电流产生磁动势能够对永磁材料起到助磁作用，增加其对转矩的贡献度。矫顽力大的永磁材料，其受到电流产生磁动势影响较小。定子电流产生的磁动势对安装在转子上的磁钢分别有退磁作用和助磁作用，利用在助磁状态下的低矫顽力永磁材料代替昂贵的高矫顽力永磁材料从而实现大幅降低电机的制造成本但是电机的输出转矩只有小幅的降低。转子极数可以增加，但是需要保证转子每一极和下面所述的配置相同。
图3为钕铁硼材料和铝镍钴的退磁曲线示意图，图中虚线为钕铁硼材料的退磁曲线，实线为铝镍钴材料的退磁曲线，两者具有相同或者相近的剩磁，但是钕铁硼材料的矫顽力远大于铝镍钴材料的矫顽力。
转子每一极分别由钕铁硼材料制成的瓦片形磁钢和铝镍钴材料制成的瓦片形磁钢构成，其中钕铁硼材料和铝镍钴材料具有相同或者相近的剩磁，矫顽力具有较大的差异。钕铁硼材料的矫顽力远高于铝镍钴材料的矫顽力，所以钕铁硼材料具有很强的抗退磁能力，而铝镍钴材料的矫顽力远低于钕铁硼材料的矫顽力，所以铝镍钴材料具有退磁的风险，但是同时铝镍钴材料也容易被电流产生的磁动势进行充磁和助磁，在充磁或助磁作用下的铝镍钴材料对转矩的贡献度更高即产生更高的转矩。电流产生的磁动势方向与永磁材料充磁方向相同，则会对永磁材料产生一定的充磁或者助磁，其充磁或者助磁的作用取决于永磁材料的矫顽力，矫顽力越小的永磁材料越容易被充磁或越容易凸显助磁效果，矫顽力越大的永磁材料越难被充磁或越难凸显助磁效果，当永磁材料材料的充磁方向与电流产生磁动势的方向相反时，永磁材料会有退磁风险，其退磁情况依旧取决于永磁材料的矫顽力，矫顽力越大的永磁材料退磁效果越小，矫顽力小的永磁材料其退磁效果越大。
电机在稳态运行过程中，如果所用铝镍钴永磁材料全部始终处于充磁或助磁状态下，那么可以很好的提高铝镍钴永磁材料对转矩的贡献度，从而实现单位成本输出转矩更高，降低电机转矩成本的目的。
图4为一个电周期下，定子电流产生磁动势与转子表面不同永磁材料制成的瓦片形磁钢示意图，只为突出不同永磁材料制成的瓦片形磁钢位置与定子电流产生磁动势的相对位置。
配置过程中，保证定子磁动势与转子磁动势之间的夹角始终为90°(电角度)，为保证电机单位成本输出转矩更高，定子电流产生的磁动势对铝镍钴永磁材料始终是充磁状态，即铝镍钴材料始终处在定子电流磁动势产生的充磁区域的区域内，所以转子每一极中，铝镍钴材料始终沿定子电流磁动势旋转方向排列在钕铁硼永磁材料之前。钕铁硼材料因其具有较大的矫顽力，不易退磁或者充磁，所以可以处在定子电流磁动势产生退磁的区域内。市场上钕铁硼原材料的价格约是铝镍钴原材料价格的一倍(在剩磁相同的前提下)。
该电机很好的结合了两种永磁材料的特性，充分利用定子电流磁动势的影响，大幅降低电机的永磁材料使用成本的同时还尽可能的减少了转矩的损失，从而实现转矩成本的大幅度降低，提高了单位成本的输出转矩。转子每一极的两种不同材料制成的瓦片形磁钢充磁方向都是相同的，每个瓦片形磁钢的充磁方向都是径向充磁，相邻两个转子极的充磁方向相反，分别是沿径向方向向里充磁和沿径向方向向外充磁。转子每一极之间为节约永磁体和减少极间漏磁，留有一定电角度的空气气隙。
图2为高性能低转矩成本的27槽4极混合励磁表贴式永磁电机一个转子极的剖面结构图；图中铝镍钴材料制成的瓦片形磁钢(5)所对应的电角度α＝75°，钕铁硼材料制成的瓦片形磁钢(6)对应的电角度β＝55°，两种材料制成的瓦片形磁钢紧密排列在转子铁心(7)的外表面，中间没有气隙间隔。铝镍钴材料制成的瓦片形磁钢(5)侧的空气气隙间隔对应的电角度δ1＝20°钕铁硼材料制成的瓦片形磁钢(6)侧的空气气隙间隔对应的电角度δ2＝30°。
图3为钕铁硼材料和铝镍钴材料的退磁曲线示意图；其中虚线表示的是钕铁硼材料的退磁曲线，实线表示的是铝镍钴材料的退磁曲线。两个曲线具有相近的剩磁即两个曲线的Br相同或者相近，两条曲线的矫顽力有很大的差距即图种Hc和Hc1相差有很大。
图4为高性能低转矩成本混合励磁表贴式电机一个电周期内的定子电流产生的磁动势与转子上永磁材料分布产生拉力和推力的示意图。定子电流产生的磁动势方向由右向左移动，其中左侧数第一块磁钢(铝镍钴永磁材料制成)充磁方向与定子电流产生的磁动势方向相同，定子电流磁动势对该磁钢(铝镍钴永磁材料制成)具有充磁或助磁效果，能提高铝镍钴材料对转矩成分的贡献度，定子电流磁动势推着该磁钢(铝镍钴永磁材料制成)向左运动。左侧数第二块磁钢(钕铁硼永磁材料制成)充磁方向与定子电流产生的磁动势方向相反，该磁钢(钕铁硼永磁材料制成)具有退磁风险没有被助磁效果，定子电流磁动势拉着该磁钢(钕铁硼永磁材料制成)向左运动。左侧数第三块磁钢(铝镍钴永磁材料制成)充磁方向与定子电流产生的磁动势方向相同，定子电流对该磁钢(铝镍钴永磁材料制成)具有充磁或助磁效果，能提高铝镍钴材料对转矩成分的贡献度，定子电流磁动势推着该磁钢(铝镍钴永磁材料制成)向左运动。左侧数第四块磁钢(钕铁硼永磁材料制成)充磁方向与定子电流产生的磁动势方向相反，该磁钢(钕铁硼永磁材料制成)具有退磁风险没有被助磁效果，定子电流磁动势拉着该磁钢(钕铁硼永磁材料制成)向左运动。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种混合励磁转子，其特征是：包括转轴，固定于转轴上的转子铁心，所述转子铁心外侧圆周设置有若干转子极，转子极之间设置有空气气隙间隔，每个转子极都包括了多个弧形磁钢，且所述弧形磁钢包括第一磁钢和第二磁钢两种，且第一磁钢与第二磁钢具有相同或者相近的剩磁，但两者的矫顽力不同；
且第一磁钢和第二磁钢依次交替设置。
2.如权利要求1所述的一种混合励磁转子，其特征是：所述第一磁钢为钕铁硼材料制成的磁钢，所述第二磁钢为铝镍钴材料制成的磁钢。
3.如权利要求1所述的一种混合励磁转子，其特征是：所述第一磁钢和所述第二磁钢与转子铁心之间紧密黏贴，没有气隙。
4.如权利要求1所述的一种混合励磁转子，其特征是：同一转子极的两种不同磁钢充磁方向都是相同的，每个磁钢的充磁方向都是径向充磁。
5.如权利要求1所述的一种混合励磁转子，其特征是：相邻两个转子极的充磁方向相反，分别是沿径向方向向里充磁和沿径向方向向外充磁。
6.如权利要求1所述的一种混合励磁转子，其特征是：作为可选择的实施方式，第二磁钢所对应的电角度α在55°到75°之间，第一磁钢对应的电角度β对应在75°到55°之间；
或，第二磁钢所对应的电角度α＝75°，第一磁钢对应的电角度β＝55°。
7.如权利要求1所述的一种混合励磁转子，其特征是：第二磁钢侧的空气气隙间隔对应的电角度δ1＝20°，第一磁钢侧的空气气隙间隔对应的电角度δ2＝30°；
或，第一磁钢所对应的剩磁与第二磁钢所对应的剩磁应尽可能相等，误差小于0.01T；
或，在保证剩磁满足条件的情况下，第一磁钢所对应的矫顽力应是第二磁钢所对应矫顽力的10-20倍。
8.混合励磁表贴式永磁电机，其特征是：包括如权利要求1-7中任一所述的转子和定子。
9.如权利要求8所述的混合励磁表贴式永磁电机，其特征是：保持定子磁动势与转子磁动势之间的夹角始终为90°情况下，定子电流产生的磁动势对具有低矫顽力的第二磁钢始终是充磁状态，即第二磁钢始终处在定子电流磁动势产生的充磁区域的区域内，所以转子每一极中，第二磁钢始终沿定子电流磁动势旋转方向排列在具有高矫顽力的第一磁钢之前。
10.如权利要求8所述的混合励磁表贴式永磁电机，其特征是：定子具有定子铁心和多个定子绕组，所述定子铁心具有在转轴方向上层叠电磁硅钢片而成的结构，定子铁心为圆筒状，且在转轴方向上延伸。
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