CN111541326A - 一种Halbach阵列聚磁式永磁记忆电机 - Google Patents
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Abstract
本发明针对现有高功率密度永磁电机高速区转子损耗大、效率低，记忆电机转矩/功率密度等问题，提供一种Halbach阵列聚磁式永磁记忆电机，定子包括定子铁心和定子绕组，所述转子包括转子永磁体、转子支架和转子护套，转子与定子同轴安装，实现转子的旋转和转矩传递，所述转子永磁体安装在转子支架上，转子支架用于与转轴连接；所述转子永磁体采用轴向分段的方式，每个分段的转子永磁体由第一永磁体和第二永磁体相间排布而成；第一永磁体采用高矫顽力的钕铁硼永磁体，第二永磁体采用低矫顽力的铝镍钴永磁体。本发明Halbach阵列聚磁式永磁记忆电机具有气隙磁密可调、转矩密度高、弱磁区效率高、转子强度高等优点，适合于电推进、电动汽车和航空起动发电场合。
Description
技术领域
本发明涉及永磁电机领域，特别涉及一种Halbach阵列聚磁式永磁记忆电机。
背景技术
为了追求更高的功率密度，永磁电机一般工作于高电磁负荷状态，当电机处于高电磁负荷状态时，电机的损耗较大，特别是高速区的转子损耗较大，易导致转子永磁体产生不可逆退磁的现象。
记忆电机是利用低矫顽力永磁体的磁化强度能够通过施加短时充、去磁电流而改变，并且新的磁密水平能够被记忆住，从而实现气隙磁密的灵活调节。但该类电机需要使用低矫顽力永磁体，使得电机的气隙磁密会降低，从而导致该类电机的转矩/功率密度较低。
同时，在外径和轴向长度一定的条件下，在电机结构尺寸一定的前提条件下，提升电机功率密度的方法是提高电机电磁负荷和转速，当转速较高时，较高的频率和磁负荷使得转子铁心产生较大铁耗，电机在高速区的效率大大降低，为了降低高功率密度永磁电机高速运行时铁损，CN201510794930.3公开了一种高饱和磁感应强度的软磁粉芯轴向磁通电机，将定子硅钢片用高饱和磁感应强度的软磁粉芯，大大降低了高速去的损耗，但其材料的结构强度较差，使得定子的机械强度大大降低，影响其运行可靠性。
为了解决高功率密度永磁电机的高速弱磁困难、转子损耗大等问题，专利CN201610860945.X提出了一种混合励磁电机，其定子槽内放置直流励磁电流和交流电枢绕组，定子齿侧面放置永磁体，虽然解决了电机弱磁和转子永磁体退磁问题，但其转子为凸极转子结构，其转矩脉动大，且电机的功率密度相对永磁电机较低；专利CN201310432668.9提出了一种轴向磁场磁通切换型表贴式永磁记忆电机，提高了电机的功率密度，实现了气隙磁场的高效调节，但轴向电机的结构使得加工工艺更加复杂，且该电机的转子结构复杂，不适用于高速运行，很大程度上限制了其在大功率场合的应用。
综上所述，尽管永磁电机具有高转矩、高功率密度、轴向长度短等优点，但仍然存在气隙磁场不可调节，高速区转子损耗大等问题，而混合励磁电机是解决此方法的有效途径，但轴向混合励磁电机存在转子结构复杂、加工工艺难等缺点，而凸极转子结构混合励磁电机存在转矩脉动大、功率密度低等问题，记忆电机是解决永磁电机转子永磁体不可逆退磁风险高、转子高速损耗大等问题的有效方法，但普通的永磁记忆电机却存在气隙磁密低，转矩/功率密度低等问题。
发明内容
本发明针对现有高功率密度永磁电机高速区转子损耗大、效率低，记忆电机转矩/功率密度等问题，提供一种Halbach阵列聚磁式永磁记忆电机。
为了实现上述目的，本发明通过如下的技术方案来实现：
一种Halbach阵列聚磁式永磁记忆电机，主要包括定子和转子：所述定子包括定子铁心和定子绕组，所述定子铁心沿圆周方向均匀开有若干个定子槽，相邻定子槽之间形成定子齿部，相邻两个所述定子齿的外端相连形成定子轭部；所述定子绕组缠绕至定子齿上，所述转子包括转子永磁体、转子支架和转子护套，所述转子与定子同轴安装，实现转子的旋转和转矩传递，所述转子永磁体安装在转子支架上，所述转子支架用于与转轴连接；
所述转子永磁体采用轴向分段的方式，每个分段的转子永磁体由第一永磁体和第二永磁体相间排布而成；第一永磁体采用高矫顽力的钕铁硼永磁体，第二永磁体采用低矫顽力的铝镍钴永磁体。
优选地，所述定子铁心上开有上宽下窄的梯形定子槽，所述定子槽内放置定子绕组，所述定子绕组采用分布绕组的形式；
优选地，定子齿和定子轭的厚度满足1:2的比例关系。
优选地，所述第一永磁体采用切向充磁的方式，第二永磁体采用径向充磁的方式，两永磁体产生的磁场为串联磁路，以提高电机的功率密度。
优选地，转子永磁体轴向分段的间距为L，且0.05mm≤ L ≤0.11mm；每个分段厚度为5-10mm；所述第一永磁体和第二永磁体的宽度比例为1:2.5，保证电机的输出性能。
优选地，所述第一永磁体采用矩形结构，所述第二永磁体采用扇形结构，第一永磁体和第二永磁体与转子支架固定连接（永磁体胶）。
优选地，所述转子支架采用整体加工的方式，外径处开有与第一永磁体配合的若干凸台A，所述凸台A与第一永磁体内侧紧密接触，对第一永磁体内侧起到限位作用。
优选地，所述转子永磁体外圈套有转子护套B，所述转子护套B的内周壁设有若干凸台B；凸台B与第一永磁体外侧配合且与之尺寸相当，对第一永磁体外侧起到限位作用。
所述转子护套B采用不锈钢材料或者铜材料制成。
进一步地，所述转子支架外径处的凸台A高度在1.5~2.5mm之间，增强转子的强度的同时，减小永磁体的漏磁。所述护套B上的凸台B高度在1~2mm之间，保证电磁性能的同时，增强转子散热能力。
进一步地，所述护套B外圈还缠绕有护套C，采用碳纤维材料制成，进一步增强连接稳固性，增强转子强度。
所述护套B与护套C的厚度比例关系为2:3，减小永磁体的涡流损耗的同时，保证电机转子的散热能力。
本发明相比现有技术相比，具有以下有益效果：
1、定子绕组槽底采用弧形的结构，提高了槽满率，电机的电负荷得到一定的提升，提高了电机的转矩/功率密度。
2、转子永磁体采用混合永磁体的结构，实现气隙磁密的高效调磁，减小了永磁电机高速弱磁区的转子损耗，提高高速区的运行效率。
3、采用切向磁钢和径向磁钢组合的结构，在保证调磁的同时，进一步提高电机的磁负荷，从而提高了电机的转矩/功率密度。
4、采用混合转子护套结构，简化转子装配工艺的同时，提高了电机转子的强度和运行转速，提升电机功率密度。
附图说明
以下将结合附图对本发明作进一步说明：
图1是本发明Halbach阵列聚磁式永磁记忆电机的结构示意图（也作摘要附图）；
图2是本发明实施例转子护套B结构示意图；
图3是本发明实施例转子铁心示意图；
图4是本发明的实施例转子永磁体充磁方向图；
图5是本发明的实施例增磁时电机磁力线分布图；
图6是本发明的实施例去磁时电机磁力线分布图；
图7是在额定电流下的转矩输出能力示意图；
图8为实施例的结果分析图；
图中：1-定子铁心，2-定子绕组，3-第一永磁体，4-第二永磁体，5-护套B，6-护套C，7-转子支架，8-定子齿，9-定子轭，10-凸台A，11-凸台B。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和效果更加清楚，明确，参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一：
如图1所示，本发明的Halbach阵列聚磁式永磁记忆电机，主要包括定子和转子，定子包括定子铁心1，定子绕组2，定子齿8和定子轭9。转子包括第一永磁体3，第二永磁体4，护套B5，护套C6，转子支架7；转子与定子同轴安装，实现转子的旋转和转矩传递，转子永磁体安装在转子支架上，转子支架7用于与转轴连接；定子铁心1上开有上宽下窄的梯形定子槽，定子槽内放置定子绕组2，定子绕组采用分布绕组的形式。
图1中Halbach阵列聚磁式永磁记忆电机为45槽12极分布绕组结构。定子铁心1上开有均匀分布的定子槽，两相邻的定子槽之间形成定子齿8，定子齿8的外径处连接形成定子轭部9，每个相隔若干个定子齿8上缠绕有定子电枢绕组2。定子绕组8采用分布绕组的结构，定子槽的槽底采用矩形结构，所述定子齿与轭部宽度比例为1:2，实现过载转矩的提升。
电机的转子由24个沿圆周方向均匀分布的第一永磁体3和第二永磁体4拼接而成，两相邻第一永磁体3间放置有转子第二永磁体4，两者相间排布，如图1所示。
如图3所示，为了实现转子第一永磁体3和第二永磁体4的固定，转子铁心外周壁采用凸台的结构形式，圆环形状的转子铁心7表面开有均匀分布的转子凸台A，其宽度与第一永磁体3宽度相等，方便装配及可靠性。
为了提高电机的功率密度，电机转子的转速较高，当转子高速旋转时，转子承受较大的离心力作用，转子的机械强度较低，为了提高转子高速旋转时的强度，第一永磁体3和第二永磁体4的外径处设置有转子护套B5，转子护套B5内周壁上设有均匀分布的转子凸台B11，如图2所示。转子护套B5采用不锈钢或者铜材料制成，与永磁体之间采用热套过盈的方式装配。转子护套B与第二永磁体采用过盈配合。
转子护套B5外径处缠绕有转子护套C6，为了实现工艺的可靠性，转子护套B5制成后，采用磨床磨平，实现与转子护套C6的密切接触，增加转子的强度和可靠性。
本发明的转子永磁体，先将单块永磁体进行轴向分段，并用永磁体胶进行粘接，固定在转子支架和护套之间，再进行整体充磁。
如图4所示，该永磁记忆电机的所选的第一永磁体3为高剩磁、高矫顽力钕铁硼材料，采用切向充磁的方式，实现聚磁作用，所选的第二永磁体4为高剩磁、低矫顽力铝镍钴材料，采用径向充磁的方式，实现气隙磁密的高效调节。低矫顽力永磁体采用平行充磁的结构，与高矫顽力永磁体实现磁路串联，形成Halbach阵列永磁结构，形成聚磁效果。
制成的第一永磁体3和第二永磁体4均采用轴向分段的方式，减小永磁体高速涡流损耗，同时，第一永磁体3和第二永磁体4形成的磁路构成串联式磁路，在提升气隙磁密的同时，实现气隙磁密的高效调节。
为了实现气隙磁场的调节，电机采用矢量控制的方法，当定子绕组2分别施加一个脉冲电流时，在d轴形成一个充、去磁电动势，实现气隙磁场的调节。
如图5所示，脉冲电流的方向由电机的工作状态而定，当电机处于强过载状态时，脉冲电流的方向与第二永磁体4的磁化方向一致，产生充磁的作用。
如图6所示，当电机处于高速弱磁区时，脉冲电流的方向与第二永磁体4的磁化方向相反，产生去磁的作用，减小高速转子损耗。同时，脉冲电流的大小由电机需求的转矩决定。
实施例二：
进一步地，本实例可选设计在于，转子永磁体采用轴向分段，相邻两段之间的间距为L可选0.05mm。对于转轴长度为1m的电机，可采用20个分段转子永磁体组合而成，每段转子永磁体的厚度取5mm。转子支架7采用整体加工的方式，每个分段的转子永磁体安装在一个转子支架7上。
第一永磁体和第二永磁体的宽度比例为1:2.5，保证电机的输出性能。第一永磁体采用矩形结构，第二永磁体采用扇形结构，以减小加工成本。
转子铁心外径处的护套B上凸台高度在1~2mm之间，保证电磁性能的同时，增强转子散热能力。转子铁心外圆的凸台高度为2~3.5mm之间，保证转子强度的同时，实现磁场的有效分布，减小气隙磁场谐波含量的同时，增强气隙磁密幅值。
转子护套B外圈还缠绕有转子护套C，采用碳纤维材料制成，进一步增强连接稳固性，增强转子强度，提升转子的转速，达到提升电机的功率密度的需求。转子护套B和转子护套C，均采用整体式结构。
转子护套B与转子护套C的厚度比例关系为2:3，减小永磁体的涡流损耗的同时，保证电机转子的散热能力。
实施例三：
本实例进一步设计在于，转子支架外径处，对于每个分段开有与第一永磁体配合的6-12个均匀分布的凸台A，凸台A对第一永磁体内侧起到限位作用；
转子永磁体外圈套有转子护套B的内周壁设有6-12个均匀分布的凸台B；凸台B与第一永磁体外侧相配合且与之尺寸相当，凸台B对第一永磁体外侧起到限位作用。
测试实例：
基于实施例二，图7给出额定电流下的转矩输出能力的结果分析。
分别示出额定电流条件时，采用相同的电流密度，普通内置式永磁电机的转矩相对于转速的曲线b；和本发明中的聚磁式永磁记忆电机的转矩相对于转速的曲线a。
通过比较可知，相对于切向内置式永磁电机，本发明中的永磁记忆电机在额定状态时具备更强的转矩输出和功率输出能力，即具有更高的功率密度。
图8给出本发明的结果分析图，分别示出了不同工况下，普通切向内置式永磁电机的效率相对于转速的曲线b；和本发明中的聚磁式永磁记忆电机的效率相对于转速的曲线a。
通过比较可知，相对于切向内置式永磁电机，本发明中的永磁记忆电机在具备更高的效率。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (10)
1.一种Halbach阵列聚磁式永磁记忆电机，主要包括定子和转子：所述定子包括定子铁心和定子绕组，所述定子铁心沿圆周方向均匀开有若干个定子槽，相邻定子槽之间形成定子齿部，相邻两个所述定子齿的外端相连形成定子轭部，其特征在于：所述转子包括转子永磁体、转子支架和转子护套，所述转子与定子同轴安装，实现转子的旋转和转矩传递，所述转子永磁体安装在转子支架上，所述转子支架用于与转轴连接；所述转子永磁体采用轴向分段的方式，每个分段的转子永磁体由第一永磁体和第二永磁体相间排布而成；第一永磁体采用高矫顽力的钕铁硼永磁体，第二永磁体采用低矫顽力的铝镍钴永磁体。
2.根据权利要求1所述Halbach阵列聚磁式永磁记忆电机，其特征在于：所述定子铁心上开有上宽下窄的梯形定子槽，所述定子槽内放置定子绕组，所述定子绕组采用分布绕组的形式；定子齿和定子轭的厚度满足1:2的比例关系。
3.根据权利要求2所述Halbach阵列聚磁式永磁记忆电机，其特征在于：所述第一永磁体采用切向充磁的方式，第二永磁体采用径向充磁的方式，两永磁体产生的磁场为串联磁路，以提高电机的功率密度。
4.根据权利要求3所述Halbach阵列聚磁式永磁记忆电机，其特征在于：转子永磁体轴向分段的间距为L，且0.05mm≤ L ≤0.11mm；每个分段厚度为5-10mm；所述第一永磁体和第二永磁体的宽度比例为1:2.5。
5.根据权利要求4所述Halbach阵列聚磁式永磁记忆电机，其特征在于：所述第一永磁体采用矩形结构，所述第二永磁体采用扇形结构，第一永磁体和第二永磁体与转子支架固定连接。
6.根据权利要求1-5任一所述Halbach阵列聚磁式永磁记忆电机，其特征在于：所述转子支架采用整体加工的方式，外径处开有与第一永磁体配合的若干凸台A，所述凸台A与第一永磁体内侧紧密接触，对第一永磁体内侧起到限位作用。
7.根据权利要求6所述Halbach阵列聚磁式永磁记忆电机，其特征在于：所述转子永磁体外圈套有转子护套B，所述转子护套B的内周壁设有若干凸台B；凸台B与第一永磁体外侧配合且与之尺寸相当，对第一永磁体外侧起到限位作用。
8.根据权利要求7所述Halbach阵列聚磁式永磁记忆电机，其特征在于：所述转子支架外径处的凸台A高度在1.5~2.5mm之间；所述护套B上的凸台B高度在1~2mm之间。
9.根据权利要求8所述Halbach阵列聚磁式永磁记忆电机，其特征在于：所述护套B外圈还缠绕有护套C，以增强转子强度。
10.根据权利要求7所述Halbach阵列聚磁式永磁记忆电机，其特征在于：所述护套B与护套C的厚度比例关系为2:3。
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