CN112910126A - 无刷永磁电机中使用多极环形磁体增加磁场的方法 - Google Patents

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Abstract

所提出设计的多极环形磁体被磁化，从而通过增加两个连续磁极之间磁体内部的磁化有效长度来增加磁场。磁化有效长度由多极磁体的厚度内部的弧形表示，并且弧形的数量等于多极磁体的磁极的数量。弧形允许具有正弦径向通量分布，并允许无槽无刷PM电机具有正弦转矩常数。

Description

无刷永磁电机中使用多极环形磁体增加磁场的方法
技术领域
本发明总体上涉及用于无刷永磁电机的永磁体。更具体地，本发明涉及在径向通量无槽永磁电机中使用环形磁体来增加气隙磁场密度。
背景技术
在背景技术部分中讨论的主题不应该仅仅由于在背景技术部分中提到而被认为是现有技术。类似地，在背景技术部分中提到的或与背景技术部分的主题相关联的问题不应被认为是现有技术中先前已经认识到的。背景技术部分中的主题仅表示不同的方法，其本身也可以对应于所要求保护的技术的实施方式。
微型可灭菌的无槽无刷永磁电机用于诸如外科电动工具之类的应用中，需要高转矩密度并且需要承受极端的环境条件。此外，在多种应用中使用的无刷永磁(PM)电机，例如外科动力钻具，需要更大的轴杆直径，特别是空心转子轴杆。
无槽无刷PM电机需要高的气隙通量密度，因为线圈在气隙中，并且因此需要更大的磁体体积或高的能量密度磁体才能输送更高的功率。因此，为了提高这种电机的性能，应考虑更大的轴杆直径设计来优化永磁特性及其在磁路内的操作。
现有技术利用不同的方式来布置高能量密度的各向异性烧结转子磁体，特别是对于高速应用(最高30krpm)。由于电机的高速运行，离心力作用在转子的组件上。为了保护组件不受离心力影响，磁瓦使用了转子锁定布置。例如，图1a示出了具有磁化矢量的四极磁瓦布置的截面图，其示出了平行磁化。四极磁瓦布置包括第一磁瓦100、第二磁瓦102、第三磁瓦104和第四磁瓦106。图1a进一步示出了空心轴杆108和转子背铁110。
在一种情况下，在转子磁瓦布置中，可以使用非磁性套筒作为保持套筒。例如，图1b示出了具有非磁性套筒112的四极磁瓦布置的横截面图。非磁性套筒112可以保护第一磁瓦100、第二磁瓦102、第三磁瓦104和第四磁瓦106抵抗高离心力。然而，非磁性套筒112的使用导致磁体体积的减小，并因此导致电机性能的降低。另外，转子组件的复杂性也随着非磁性套筒112的使用而增加。
在常规解决方案中，还考虑了各个磁瓦的平行磁化，以实现正弦气隙磁通密度分布。然而，这种布置需要转子背铁110以更好地利用磁体，因此导致减小的磁体体积。例如，采用传统方法的无槽永磁电机的气隙中的磁通密度与针对所选择的剩余磁通密度(Br，以特斯拉为单位)的磁体厚度与磁体厚度和有效气隙长度(即机械气隙和定子线圈厚度)的比值有关。
Figure BDA0002786533870000021
图2a示出了四极磁瓦202至208的布置中的磁体有效长度。箭头210指示了磁体的径向厚度。转子背铁211显示为存在于中心处的空心轴杆周围。在这样的布置中，磁体径向厚度(Lm)被确定为(Do-Di)/2，其中Do表示磁体的外径212，而Di表示由四极磁瓦202至208形成的完整磁体的内径214。应该理解的是，内径214是基于一个圆确定的，该圆的面积等于由转子背铁211覆盖的面积。从图2a可以理解，所产生的气隙磁场密度取决于磁体的厚度，即(Do-Di)/2，如箭头210所示。通过增加磁体的外径以实现增加的磁强度，离心力对磁体的影响也增加了，并且电机的电负载得到了减小。
图2b示出了使用八个单独的磁瓦216至230的四极磁体转子的横截面图。此外，八个单独的磁瓦216至230可围绕空心轴杆232存在并且通过非磁性套筒234保持在其位置。八个单独的磁体段216至230可在所需的磁化方向上存在，例如Halbach阵列布置。将八个单独的磁瓦216至230布置为Halbach布置将导致仅在一侧上产生磁场，即如对于内部转子、外部定子电机配置所期望的那样向外产生磁场。
因此，非常需要用于无刷PM电机的具有强磁场的薄磁体。
本发明的目的
本发明的总体目的是增加无槽无刷PM电机中的磁场。
本发明的另一个目的是考虑到空心转子轴杆的设计，使用薄环形磁体来实现高磁场密度。
本发明的又一个目的是开发一种环形磁体，当与较大直径的轴杆一起使用时，该环形磁体可以提供强磁场。
本发明的又一个目的是消除对用于抵抗离心力的防止磁体飞走的锁定装置的需求。
本发明的又一个目的是提供一种环形磁体，其减小了环形磁体的相邻磁极之间的漏磁通，从而增加了电机的磁负载。
发明内容
提供本发明内容以介绍与使用无刷PM电机中使用的环形磁体来增加磁场的方法有关的方面，并且这些方面在下面的详细描述中进一步描述。该发明内容既不旨在标识所要求保护的主题的必要特征，也不旨在用于确定或限制所要求保护的主题的范围。
在一个实施例中，无槽径向磁通无刷永磁(PM)电机的转子组件包括围绕转子的空心轴杆定位的多极环形磁体。所提出设计的多极环形磁体被磁化，使得多极环形磁体的第一组交变磁化矢量垂直于多极环形磁体的外径，以及第二组交变磁化矢量与多极环形磁体的外径相切。
在一个实施例中，第一组交变磁化矢量的数量和第二组交变磁化矢量的数量等于多极环形磁体的磁极的数量。多极环形磁体的磁化有效长度等于弧形长度。第一组交变磁化矢量和第二组交变磁化矢量导致气隙中的径向正弦通量分布。
在电机气隙中实现了接近正弦形状的通量密度和更高的峰值通量密度幅度，这导致了正弦转矩常数。磁化矢量周期性地垂直于磁极中心处的环形磁体，并遵循环形磁体内部的弧形形状。这种模式导致磁通量仅聚焦在环形磁体的一侧，即外径(Do)上。
在数学上，磁极对间距(L)的长度确定为：
Figure BDA0002786533870000031
在上述等式中，Dm表示磁体的平均直径，并且被计算为(Do+Di)/2，并且P表示磁极对的数量。Di表示环形磁体的内径。
在进行基于有限元分析(FEA)的仿真时，可以观察到，与现有的4极磁体磁瓦设计相比，在所提出的4极环形磁体中，气隙磁通密度(即，B)的值增加了22％。此外，随着安装环形磁体所围绕的轴杆的直径的增大，与4极磁瓦相比，4极环形磁体的气隙磁通密度(即，B)的值更高。
通过结合附图以示例方式示出本发明原理的以下描述，本发明的其他方面和优点将变得显而易见。
附图说明
附图构成说明书的一部分，并用于提供对本发明的进一步理解。
图1a示出了根据现有技术的具有磁化矢量的4极磁瓦布置的横截面图，其示出了平行磁化。
图1b示出了根据现有技术的具有非磁性套筒的4极磁瓦布置的横截面图。
图2a示出了根据现有技术的4极磁瓦的布置中的磁体有效长度。
图2b示出了根据现有技术的使用八个单独的磁瓦的四极磁体转子的横截面图。
图3a示出了根据本发明的实施例的4极环形磁体的横截面图。
图3b示出了根据本发明的实施例的使用4极环形磁体的转子组件的截面图。
图3c示出了根据本发明的实施例的4极环形磁体布置中的磁化弧模式。
图3d示出了根据本发明的实施例的考虑了4极环形磁体的一个磁极对的线性化模型。
图4示出了根据本发明的实施例的4极磁瓦和4极环形磁体的气隙磁通密度随转子位置的变化。
图5示出了根据本发明的实施例的，对于4极磁瓦和4极环形磁体的给定的外径，气隙磁通密度随轴杆直径的变化。
图6示出了根据本发明的实施例的6极环形磁体的横截面图。
图7示出了根据本发明的实施例的8极环形磁体的横截面图。
具体实施方式
下面结合附图阐述的详细描述旨在作为对本发明的各种实施例的说明，而并非旨在代表可以实践本发明的唯一实施例。在本公开中描述的每个实施例仅提供为本发明的示例或说明，并且不必一定被解释为比其他实施例优选或有利。为了提供对本发明的透彻理解，详细描述包括特定细节。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明。
在一个实施例中，本公开提供了一种多极各向异性烧结环形磁体(也称为圆柱磁体)，以克服与电机性能和转子组件有关的问题。接下来，参照附图说明各向异性烧结环形磁体的结构和性能。图3a示出了使用4极环形磁体300的转子组件的横截面图。环形磁体300显示为围绕空心轴杆302存在。环形磁体300被磁化，使得每个磁化矢量在环形磁体300的厚度内保持。磁化矢量包括第一组交变磁化矢量304和第二组交变磁化矢量306。第一组交变磁化矢量304垂直(正交)于环形磁体300的外径。第二组交变磁化矢量306与环形磁体300的外径相切。必须注意，第一组磁化矢量304的数量和第二组磁化矢量306的数量等于环形磁体300的磁极的数量。由于环形磁体300是4极环形磁体，因此第一组磁化矢量304的数量和第二组磁化矢量306的数量分别是四个。通量仅集中在环形磁体300的一侧，即朝向环形磁体300的外径。
图3b示出了使用环形磁体300的转子组件的截面图。该截面图示出了插入在空心轴杆302周围的环形磁体300、以及前平衡环308和后平衡环310。尽管环形磁体300被示出为两件式设计，但是完全有可能利用单件式环形磁体。
图3c示出了4极环形磁体布置(即环形磁体300)中的磁化弧模式。箭头312至318指示在环形磁体300中的磁化弧。环形磁体300的磁化长度等于环形磁体300的两个相邻磁极之间的距离。从图3c中应当理解，所产生的磁场在环形磁体300中更强，并且取决于环形磁体300的内径(Di)320和外径(Do)322。从图3c可以观察到，第一组交变磁化矢量304和第二组交变磁化矢量306导致气隙中的径向通量分布。此外，多极环形磁体300创建正弦气隙通量密度，并且该正弦气隙通量密度产生正弦转矩常数。
如图3d所示，可以考虑环形磁体300的一个磁极对来准备线性化模型。如下所提供的，使用数学计算，可以确定环形磁体300的磁极对间距(L)、内径(Di)和外径(Do)之间的关系。使用常规磁体中使用的现有平行磁化模式，通过图3d中的线性段324所示的气隙磁场密度(Bstd)使用下面提供的等式1确定。
Bstd＝λ*(Do-Di)/2 等式1
参照图3a描述的磁化模式导致磁化弧326，其显著大于表示常规磁体的磁化模式的线性段324。
在利用上述磁化模式并且满足以下提供的等式2所提及的条件时，可以实现更高的气隙通量密度(B)。(这是一个简化的等式，用于阐述有效长度增加的概念)
Figure BDA0002786533870000061
注意，在上述等式2中，右侧分量((Do–Di)/2)指示常规磁体的磁化长度，而左侧分量((πx L)/8)指示所提出的环形磁体300的磁化长度。
此外，根据上述等式2，可以确定磁极对间距(L)的值，如下面提供的等式3所提供的。
Figure BDA0002786533870000062
求解上述等式3得出磁极对间距(L)的值为：
Figure BDA0002786533870000063
在上述等式4中，Dm表示磁体的平均直径并且被计算为(Do+Di)/2，并且P表示磁极对的数量。
图4示出了常规的4极磁瓦和4极环形磁体300的气隙磁通密度(以特斯拉为单位)随转子位置(以度为单位)的变化。波形400示出了常规的4极磁瓦的气隙磁通密度随转子位置的变化。波形402示出了4极环形磁体300的气隙磁通密度随转子位置的变化。图4中绘制的模拟值考虑了相似尺寸的常规的4极磁瓦和4极环形磁体300。可以观察到，与常规的4极磁瓦设计相比，4极环形磁体300中的气隙磁通密度(即B)的值增加了22％。
图5示出了对于常规4极磁瓦和4极环形磁体300的给定的外部磁体直径，气隙磁通密度(以特斯拉为单位)随轴杆直径(以毫米为单位)的变化。必须理解的是，轴杆外径反映了常规4极磁瓦和4极环形磁体300的内径，该轴杆外径是变化的，以保持常规4极磁瓦和4极环形磁体300的外径恒定。曲线500示出了常规的4极磁瓦在具有轴杆直径的线圈的平均直径下的通过线圈导体所观察到的磁通密度。曲线502示出了4极环形磁体300的气隙磁通密度随轴杆直径的变化。可以观察到，与常规的4极磁瓦设计相比，4极环形磁体300的磁通密度的值更高，特别是对于磁体的相同OD的轴杆直径的更高值。因此，随着轴杆直径的增加，4极环形磁体300的气隙磁通密度(即B)的值比常规的四极磁瓦更高。
类似于图3a中所示的四极环形磁体300，也可以使用具有更高数量的磁极的磁体。图6示出了使用6极环形磁体600的转子组件的横截面图。环形磁体600被示出为围绕空心轴杆302存在。在图6所示的6极环形磁体设计中，虚拟磁体段的总数量为12。图7示出了使用8极环形磁体700的转子组件的横截面图。环形磁体700被示出为围绕空心轴杆302存在。在图7中所示的8极环形磁体设计中，虚拟磁体段的总数量为16。虚拟磁体段的这种布置导致无槽PM电机的气隙中的正弦通量密度分布。
如上所述，使用在无刷PM电机中使用的环形磁体来增加磁场的示例性实施例可以提供某些优点。尽管不需要实践本公开的方面，但是这些优点可以包括由以下特征提供的那些优点。
在无刷PM电机中使用的使用环形磁体来增加磁场的方法的一些实施例允许环形磁体的磁化以增加环形磁体的有效长度。因此，所提出的设计根据磁体的几何尺寸(即外径与内磁体直径之间的比值(Do/Di))和磁极对的数量而有益处。此外，当环形磁铁薄时，可以获得更大的益处。
在无刷PM电机中使用的使用环形磁体来增加磁场的方法的一些实施例允许优化磁化模式以获得正弦形状的通量密度和气隙中的更高峰值的通量密度。可以参考图3c来观察磁化模式。磁化矢量周期性地垂直于磁极中心上的环形磁体，并遵循环形磁体内部的弧形。这种模式导致磁通量仅聚焦在环形磁体的一侧，即在外径(Do)上。
使用在无刷PM电机中使用的环形磁体来增加磁场的方法的一些实施例允许减小环形磁体的相邻磁极之间的漏磁通，从而导致更高的气隙通量密度。
使用在无刷PM电机中使用的环形磁体来增加磁场的方法的一些实施例允许环形磁体直接组装在空心轴杆上而不是方形磁体支架上，并且还导致简单的转子组装。有利地，由于磁化模式，所提出的环形磁体的设计允许使用非磁性轴杆。
此外，使用所提出的环形磁体的布置允许防止在无刷PM电机的转子中使用背铁。此外，必须注意，所提出的实施例描述了磁体的连续布置(即环形磁体而不是常规的磁瓦)的使用。通过使用磁体的这种连续布置，不会发生在常规的磁瓦之间发生的在磁片的接头处的磁通量的泄漏。这也导致电机中更高的转矩常数。
考虑到无刷PM电机的转子设计的机械完整性，在无刷PM电机中使用的使用环形磁体来增加磁场的方法的一些实施例允许无刷PM电机以更高的速度运行。
在无刷PM电机中使用的使用环形磁体来增加磁场的方法的一些实施例允许在具有最佳磁体体积的有槽无刷PM电机中使用所提出的环形磁体。所提出的环形磁体也可用于微型电机。此外，所提出的具有多个磁极的环形磁体甚至在更大的轴杆直径下也提供正弦反电动势形状。

Claims (5)

1.一种无槽径向通量无刷永磁(PM)电机的转子组件，包括：
围绕转子的空心轴杆(302)定位的多极环形磁体(300、600、700)，其中所述多极环形磁体(300、600、700)的第一组交变磁化矢量(304)垂直于所述多极环形磁体(300、600、700)的外径(322)，以及第二组交变磁化矢量(306)与所述多极环形磁体(300、600、700)的外径(322)相切。
2.根据权利要求1所述的无槽径向通量无刷永磁电机的转子组件，其中，第一组交变磁化矢量(304)的数量和第二组交变磁化矢量(306)的数量等于所述多极环形磁体(300、600、700)的磁极的数量。
3.根据权利要求1所述的无槽径向通量无刷永磁电机的转子组件，其中，所述多极环形磁体(300、600、700)的磁化有效长度等于弧形长度(314)。
4.根据权利要求1所述的无槽径向通量无刷永磁电机的转子组件，其中，所述第一组交变磁化矢量(304)和所述第二组交变磁化矢量(306)导致气隙中的正弦通量分布。
5.根据权利要求1所述的无槽径向通量无刷永磁电机的转子组件，其中，所述多极环形磁体(300、600、700)产生正弦气隙通量密度，以及其中所述正弦气隙通量密度产生正弦转矩常数。
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