CN112953059A - 一种非晶合金高速外转子永磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非晶合金高速外转子永磁电机，电机包括永磁外转子、非晶合金内定子和气隙。外转子采用三段Halbach阵列+组合磁极结构，磁极中间磁钢的最大磁能积比两边对称的同类型磁钢大，磁钢的厚度、空间角度、充磁角和矫顽力均经过优化得到，以保证电机空载气隙磁密的谐波畸变率最小，从而抑制永磁电机的力矩波动。内定子铁心为铁基非晶合金带材经叠压、线切割而成，以降低高频铁损；定子槽楔截面为异形结构，槽楔轴向方向上为截面的凸起高出槽口0.1‑0.2mm以及与槽口平齐的部分交替出现，以保护非晶合金定子铁心免受电机装配或拆卸时永磁外转子的磕碰。本发明的外转子高速永磁电机适合于高效、高速、平稳运行的场合。

Description

一种非晶合金高速外转子永磁电机

技术领域

本发明涉及电机制造技术领域，特别涉及一种非晶合金高速外转子永磁电机。

背景技术

在一些应用领域需要低损耗、低力矩波动的高速外转子电机，比如高速精密离心机或陀螺马达等。永磁电机相对于异步电机具有体积小、重量轻、效率高的优点，非常适合高速运行。铁基非晶合金材料具有磁导率高、交流铁芯损耗低的优点，尤其是高频损耗仅是传统硅钢片的10％以下，应用于高速电机或多极对数的高频电机，可以明显降低高频铁心损耗。因此把铁基非晶合金材料应用到永磁电机中，可以显著降低电机的损耗并提高非晶合金高速永磁电机的效率。并且经过永磁电机本体以及电机驱动器控制器的优化设计，能够显著降低电机的力矩波动，达到高效、平稳运行的目的。

然而非晶合金材料具有硬而脆的特点，也被称为金属玻璃，过大的机械应力会大大降低非晶合金材料的导磁性能，而在装配或维修、拆卸永磁电机的过程中，永磁转子不小心和由非晶合金定子铁心相吸而发生碰撞，不但影响非晶合金的磁性能，更严重的是非晶合金定子铁心就有可能被碰掉碎屑，这些碎屑很容易被永磁转子吸引。当电机高速旋转时，非晶合金碎屑因离心力会被高速甩出，成为电机绕组绝缘极大的安全隐患。

专利号为201610222210.4、公开号为CN105680588B、公开日2019年05月10日的中国专利涉及的非晶合金定子铁芯与电机机座或冷却水套固定方法的特征在于，非晶合金定子铁铁心与电机机座在圆周方向上通过多个不导电的圆柱销钉固定；轴向上，非晶合金定子铁芯轴向的一端由电机机座或冷却水套的限位台阶固定，另一端由多个径向沉头螺钉进行限位固定。

专利号为201610917660.5、公开号为CN106374649A、公开日2017年02月01日的中国专利涉及的径向电机非晶合金材料定子与机座的安装结构特征在于，机座壁面开有若干个径向圆形通孔，定子外圆周上具有3个均布2mm高的圆弧凸台，圆弧凸台外圆与机座内圆间隙配合，在3个圆弧凸台之间的定子外圆周上形成3个空隙，在3个空隙和机座上的圆形通孔内填充环氧树脂；电机的定子与机座的轴向相对位置利用机座内圆处的定位台阶定位。

以上专利都是在定子铁心的外圆上通过圆柱销钉或圆弧凸台及环氧树脂进行固定非晶合金定子，保护定子外圆不受集中机械应力而影响非晶合金材料的磁性能，并不能保护非晶合金定子铁心内圆免受永磁转子的意外磕碰。

专利号为201610221769.5、公开号为CN105703569B、公开日2018年02月02日的中国专利涉及的非晶合金电机定子铁芯的制备方法的特征，在叠压非晶合金定子铁心的过程中，在非晶合金定子铁芯两端和中间部位每隔一定厚度夹带高频硅钢片、高强度铝合金薄片或镁合金薄片等金属薄片并进行真空浸高温无机胶、线切割而成，定子铁心两端及中间夹带的金属薄片可避免在装配或拆卸电机的过程中，永磁转子意外磕碰定子铁心内圆的非晶合金部分。该专利虽然能够部分避免永磁转子意外磕碰到非晶合金定子铁心的内圆，但是定子铁心两端和中间增加的金属薄片的磁导率以及单位铁心损耗与非晶合金不同，金属薄片内的磁密以及损耗也与非晶合金部分不同，使得定子铁心中金属薄片的温升和非晶合金部分也不相同；再加上金属薄片的径向热膨胀率也与非晶合金不同，在温升过高的情况下有可能使得金属薄片与非晶合金部分产生错位，使定子铁心产生松动，有可能破坏电机绕组的绝缘。

专利号为202021143504.6、公开号为CN212258593U、公开日2020年12月29日的中国专利涉及的一种电机定子凸形磁性槽楔的特征在于，槽楔顶面设有凸块，凸块顶面比定子冲片槽口低0.3mm。该截面为凸形的磁性槽楔主要是为了减小由于电机定转子齿槽引起的附加铁心损耗，并且凸块顶面比槽口低0.3mm，如果应用于非晶合金电机，并不能保护非晶合金定子内圆免受永磁转子的磕碰。

专利号为CN200820184809.4、公开号为CN201274431Y、公开日2009年07月15日的中国专利涉及的一种电机转子异形槽楔的特征在于，槽楔的截面为倒“T”形结构，其中倒“T”形截面口部宽度尺寸比齿槽口宽度小0.1-0.15mm，口部高度尺寸比齿槽口高度大0.1-0.2mm，以解决车转子外圆时由于断续切削造成的毛刺和铁屑难以清理的问题。该异形槽楔，虽然槽口部高度比槽口高出0.1-0.2mm，但在电机加工过程中，因为需要车转子外圆，把高出的部分又车掉了，实际高度又和转子槽口齐平，转子外圆整体上看是光滑的，并不能保护非晶合金定子铁心免受转子的磕碰。如果使用此倒“T”型槽楔，对于高速电机来说，定子内圆中槽楔全部高出槽口的部分，使得转子的风磨耗增大，并带来比较大的噪音。

另一方面，对于永磁电机来说，除了电机驱动器不合适的控制方式带来电流谐波和力矩波动外，永磁电机本体的设计也会带来力矩波动。永磁电机的力矩波动主要包括电机由于定子齿槽引起的齿槽力矩和由于定转子谐波磁场引起的波动力矩，力矩波动会影响高速永磁电机的平稳运行。措施抑制永磁电机力矩波动，主要从电机本体优化设计和驱动器的控制方式两个方向入手。

在永磁电机本体的优化设计上，可采用永磁磁极极弧系数的合理选择、磁极形状的优化、不同类型磁钢的组合磁极、Halbach阵列、永磁磁极对数与定子槽数的配合、定子斜槽或斜磁极、定子采用磁性槽楔、定子齿冠开虚拟槽等技术用来抑制力矩波动，提高电机的性能。这些抑制力矩波动的措施有些对于非晶合金电机目前还不适用，比如定子斜槽技术，由于非晶合金带材硬而脆，非晶合金带材的冲压技术还没有解决，因此非晶合金定子铁心目前还是采用线切割方式加工而成，线切割加工斜槽的工艺还是比较复杂，会进一步提高电机的加工成本。

专利号为CN200910310623.8、公开号为CN101707405B、公开日2011年10月05日的中国专利涉及的复合结构永磁电机的Halbach阵列外转子的特征在于，转子铁心为圆筒形铁心，外层和内层Halbach永磁体阵列中的每一个永磁体均为瓦片形永磁体，外层和内层Halbach阵列永磁体的瓦片形永磁体分别沿圆周方向均匀排列在转子铁心的外部和内部，外层Halbach阵列永磁体的瓦片形永磁体的磁场减弱一侧的内表面和内层Halbach阵列永磁体的瓦片形永磁体的磁场减弱一侧的外表面分别与转子铁心的外表面和内表面固定连接。该专利解决了复合结构电机磁耦合问题和可灵活选择电机极数问题。但该专利Halbach阵列中的每一个永磁体的宽度是相同的，充磁角也是固定的几个角度，这样虽然得到的气隙磁密中的谐波含量比传统平行充磁或者径向充磁的永磁电机要小，但并不能得到最小的气隙谐波磁密。

专利号为CN201711077852.0、公开号为CN107634631B、公开日2019年07月26日的中国专利涉及的一种具有最优磁化角的两段式Halbach永磁电机特征在于，单层的两段式Halbach阵列的最优磁化角通过解析方法计算求得：首先通过解析方法得到永磁电机空载径向气隙磁密的函数表达式，然后通过对空载径向气隙磁密的基波函数对磁化角进行求导计算，从而得到空载径向气隙磁密的基波幅值最大时的最优磁化角。该专利优化磁化角的目标是为了得到最大的气隙磁密基波，并不是为了使谐波磁密最小。

申请号为CN202010354317.0、公开号为CN111555492A、公开日2020年08月18日的中国专利涉及的一种平行充磁的少稀土组合局部Halbach阵列高速永磁电机特征在于，永磁转子表面设置有一对极平行充磁的表贴式永磁体，表贴式永磁体采用了高剩磁钕铁硼材料和低剩磁铁氧体材料的组合，通过将钕铁硼进行分段平行充磁，并且改变充磁角度使得部分钕铁硼和铁氧体组成局部Halbach阵列，该专利使用了低成本的铁氧体材料替代了部分价格昂贵的稀土永磁材料，降低了电机的成本，同时电机性能保持不变。对于高速电机来说，转子的动平衡非常重要，甚至决定是否能运转到设计转速。用钕铁硼和铁氧体两种类型永磁体材料进行组合，两种材料的质量密度相差比较大，在加工准确的情况下，由于结构的对称性，转子不存在动平衡问题，如果两种不同类型磁钢圆周角度的加工出现偏差，就会转子就会出现比较严重的动平衡问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种非晶合金高速外转子永磁电机，目的是通过对外转子的永磁磁极采用分段Habach阵列结合组合磁极的磁极优化方法，尽可能降低空载气隙磁密中的谐波磁场，从而降低永磁电机的力矩波动。同时对非晶合金内定子采用异形截面的槽楔结构，通过部分凸出定子槽口外的异形槽楔在非晶合金定子槽中的使用，避免在电机装配或拆卸的过程中永磁外转子磕碰到非晶合金内定子的外圆，从而保护定子铁心免受局部集中的机械应力，更不会被磕掉非晶合金碎屑。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种非晶合金高速外转子永磁电机，包括永磁外转子和非晶合金内定子，所述永磁外转子与所述非晶合金内定子之间形成气隙，且所述永磁外转子与所述非晶合金内定子同轴设置；

所述永磁外转子由外转子磁轭、永磁磁极和不导磁的磁钢护套组成，套筒型的所述永磁磁极安装在套筒型的所述外转子磁轭与套筒型的所述磁钢护套之间；

所述非晶合金内定子包括定子轴、非晶合金定子铁心、内定子绕组和异形槽楔，截面圆环型的所述非晶合金定子铁心与圆柱形的所述定子轴同轴设置，且所述非晶合金定子铁心设置在所述定子轴的外侧，所述非晶合金定子铁心的外壁上均匀分布有若干防脱的定子槽，所述定子槽延伸至所述非晶合金定子铁心两端的端面处，所述定子槽口设置有与所述定子槽配合的异形槽楔，所述异形槽楔远离所述定子轴侧设置，所述异形槽楔与所述定子槽之间形成安装孔，所述安装孔中设置有内定子绕组；

所述永磁磁极采用Halbach阵列和组合磁极经过优化而成。

进一步地，所述永磁磁极包括四个所述组合磁极，每个所述组合磁极包括两个对称的两边磁钢和一个中间磁钢，两个所述两边磁钢分别安装在所述中间磁钢的两边，两个所述组合磁极之间的两个所述两边磁钢接触，所述两边磁钢的最大磁能积相同，所述中间磁钢的最大磁能积比所述两边磁钢的大，所述永磁磁极的磁钢厚度、空间角度、充磁角和矫顽力均经过优化得到，优化目标为在气隙基波磁密幅值满足要求的前提下，使得气隙磁密的谐波畸变率最小，从而达到抑制永磁电机力矩波动的目的。

进一步地，所述两边磁钢和中间磁钢的材料均为钕铁硼磁钢。

进一步地，所述非晶合金定子铁心由铁基非晶合金带材经过叠压、线切割而成，定子槽的数量为24。

进一步地，所述异形槽楔的截面为异形结构，所述异形结构截面的中部为等腰的梯形，所述梯形的上部有与所述梯形下底配合的第一长方形，所述梯形的下部有与所述梯形上底配合且凸起的第二长方形，所述异形槽楔在电机轴向长度方向上的长度L比非晶合金定子铁心轴向长度长6～10mm。

进一步地，所述异形槽楔的一端设置有用于方便所述异形槽楔插入到非晶合金定子铁心中的斜面，所述斜面由所述第一长方形向所述第二长方形侧倾斜，所述斜面的倾斜角度为44～46°。

进一步地，在所述异形槽楔的长度方向上，所述异形槽楔上设置斜面端设置有L2段，所述L2段的所述第二长方形凸起的高度H1比定子槽口高度h01高出0.15mm，所述第二长方形上靠近所述L2段侧设置有L3段，所述L3段凸起的高度H2等于定子槽口高h01，所述第二长方形上靠近所述L3段侧设置有L4段，所述L4段凸起的高度等于H1，所述第二长方形上靠近所述L4段侧设置有L3段，所述L4与所述L3交替出现，交替出现到所述异形槽楔的另一端。

进一步地，所述异形槽楔的另一端设置有L5段，所述L5段凸起的高度等于H1。

进一步地，所述L2段和所述L5段的长度均为异形槽楔长度L的1/10～1/6。

本发明的有益效果是：

1)本发明中的非晶合金高速外转子永磁电机的内定子采用铁基非晶合金带材经过叠压、线切割而成，高频铁损低，高速运行时内定子温升低，适合高速运行。

2)本发明中的非晶合金高速外转子永磁电机的外转子磁极采用三段式Habach阵列+不同最大磁能积的同类磁钢组合磁极结构，并且经过优化得到组合磁极三块磁钢的各自最大磁能积、空间角度、充磁角，以保证气隙磁密的谐波畸变率最小，从而降低电机的力矩波动。同时，同类型的永磁磁钢的质量密度相等，因此不同最大磁能积、同种类型的永磁磁钢构成的组合磁极，从设计上避免了已有技术中的不同类型永磁磁钢构成的组合磁极出现高速永磁外转子的动平衡问题。

3)本发明所述的高速外转子永磁电机的非晶合金内定子的异形槽楔，采用截面为异形结构槽楔的凸出定子槽口部分，阻挡永磁外转子在装配或装卸过程中磕碰到内定子的非晶合金铁心，从而保护非晶合金定子铁心不受冲击，更不会出现磕掉非晶碎屑的现象。

4)本发明所述的异形槽楔，其截面上凸起的长方形高度为H2、长度为L3的槽楔部分，凸起的长方形高度与定子槽口的高度相同，该部分的槽楔凸起填补了槽口部位的缺口，在整个定子外圆圆周上与内定子齿冠共同形成光滑的圆柱，可以降低高速电机运行气隙中空气涡流带来的噪音。

附图说明

图1为非晶合金高速外转子永磁电机截面图；

图2为永磁外转子示意图；

图3为永磁外转子磁钢示意图；

图4永磁磁极优化的参数示意图；

图5非晶合金高速外转子永磁电机空载磁力线分布；

图6为非晶合金内定子图；

图7为非晶合金内定子铁心示意图；

图8为4极24槽电机三相绕组连接图；

图9为非晶合金内定子截面图；

图10为异形槽楔正视图；

图11为异形槽楔左视图；

图12为异形槽楔的A-A向截面图；

图13异形槽楔B-B向的截面图。

图中，1-外转子磁轭，2-永磁磁极，211-中间磁钢，212-两边磁钢，3-转子护套，4-非晶合金定子铁心，5-定子轴，6-内定子绕组，7-异形槽楔，8-气隙，9-槽绝缘。

具体实施方式

下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参阅图1-13，本发明提供一种技术方案：

本发明非晶合金高速外转子永磁电机，外转子永磁磁极采用三段Halbach阵列结合同质量密度、同类型永磁磁钢的组合磁极，组合磁极每个磁极为三段钕铁硼磁钢组成，中间磁钢根据成本选择最大磁能积合适的钕铁硼永磁材料，两边对称结构磁钢是最大磁能积比中间磁钢稍小的钕铁硼材料。中间磁钢为平行充磁，两边磁钢的充磁角度、空间角度及矫顽力需要经过Taguchi优化方法优化得到。

本发明的非晶合金高速外转子永磁电机，其中的铁基非晶合金内定子铁心的定子槽数和外转子永磁磁极数配合设计，定子绕组采用双层短距布置。非晶合金内定子使用的槽楔为截面凸起长方形高度比槽口高高出0.15mm的异形槽楔，保护非晶合金定子铁心避免在永磁外转子装配或拆卸过程中磕碰到定子齿冠而受到机械应力冲击。

下面结合附图和优选实施例对本发明说明如下：

以永磁外转子内径为58.0mm、铁基非晶合金内定子铁心外径为65.5mm、铁心长度为70mm、内定子为24槽、转速为30000r/min的高速外转子永磁电机为例，对本发明的实施方法进行说明。非晶合金高速永磁电机的定转子截面图如附图1所示。

本发明非晶合金高速外转子永磁电机包括经过磁极优化的永磁外转子、非晶合金内定子和气隙8。

本发明非晶合金高速外转子永磁电机，其中的高速永磁外转子如附图2所示，其特征在于由外转子磁轭1，经过优化的永磁磁极2和磁钢护套3构成。其中外转子磁轭3为具有良好的导磁性能和较强抗拉强度的套筒型结构，其材料为经过淬火的45#，起到支撑整个外转子的目的，同时保证外转子高速旋转时保护磁钢和整个外转子不至因离心力而损坏。

一种非晶合金高速外转子永磁电机，包括永磁外转子和非晶合金内定子，永磁外转子与非晶合金内定子之间形成气隙8，且永磁外转子与非晶合金内定子同轴设置；永磁外转子由外转子磁轭1、永磁磁极2和不导磁的磁钢护套组成，套筒型的永磁磁极2安装在套筒型的外转子磁轭1与套筒型的磁钢护套之间；非晶合金内定子包括定子轴5、非晶合金定子铁心4、内定子绕组6和异形槽楔7，截面圆环型的非晶合金定子铁心4与圆柱形的定子轴5同轴设置，且非晶合金定子铁心4设置在定子轴5的外侧，非晶合金定子铁心4的外壁上均匀分布有若干防脱的定子槽，定子槽延伸至非晶合金定子铁心4两端的端面处，定子槽口设置有与定子槽配合的异形槽楔7，异形槽楔7远离定子轴5侧设置，异形槽楔7与定子槽之间形成安装孔，安装孔中设置有内定子绕组6；永磁磁极2采用Halbach阵列和组合磁极经过优化而成。非晶合金定子铁心4由铁基非晶合金带材经过叠压、线切割而成，定子槽的数量为24。

在一些实施例中，永磁磁极2包括四个组合磁极，每个组合磁极包括两个两边磁钢212和一个中间磁钢211，两个两边磁钢212分别安装在中间磁钢211的两边，两个组合磁极之间的两个两边磁钢212接触，两边磁钢212的最大磁能积相同，中间磁钢211的最大磁能积比所述两边磁钢的大，永磁磁极2的磁钢厚度、空间角度、充磁角和矫顽力均经过优化得到，优化目标为在气隙基波磁密幅值满足要求的前提下，使得气隙磁密的谐波畸变率最小。两边磁钢212和中间磁钢211的材料均为钕铁硼磁钢。

在一些实施例中，异形槽楔7的截面为异形结构，异形结构截面的中部为等腰的梯形，梯形的上部有与梯形下底配合的第一长方形，梯形的下部有与梯形上底配合且凸起的第二长方形，异形槽楔7在电机轴向长度方向上的长度L比非晶合金定子铁心4轴向长度长6～10mm。

在一些实施例中，异形槽楔7的一端设置有用于方便异形槽楔7插入到非晶合金定子铁心4中的斜面，斜面由第一长方形向第二长方形侧倾斜，斜面的倾斜角度为44～46°。常采用倾斜角度为45°。

在一些实施例中，在异形槽楔7的长度方向上，异形槽楔7上设置斜面端设置有L2段，L2段的第二长方形凸起的高度H1比定子槽口高度h01高出0.15mm，第二长方形上靠近L2段侧设置有L3段，L3段凸起的高度H2等于定子槽口高h01，第二长方形上靠近L3段侧设置有L4段，L4段凸起的高度等于H1，第二长方形上靠近L4段侧设置有L3段，L4与L3交替出现，交替出现到异形槽楔7的另一端。异形槽楔7的另一端设置有L5段，L5段凸起的高度等于H1。L2段和L5段的长度均为异形槽楔7长度L的1/10～1/6。

一种非晶合金高速外转子永磁电机上的永磁磁极的优化方法，所述优化方法包括以下步骤：

(1)基于磁路计算设计确定的初步结构参数，建立非晶合金外转子高速永磁电机的有限元电磁场计算模型。

(2)给非晶合金外转子高速永磁电机的材料赋值，主要包括永磁材料的矫顽力和磁导率，软磁材料的磁导率，不导磁磁钢护套的磁导率，气隙及绝缘材料的磁导率；其中磁极中间永磁磁钢的矫顽力根据材料成本赋值最大磁能积比较大的牌号材料对应的矫顽力数值，两边对称的磁钢根据实际磁钢牌号的矫顽力赋值稍小。

(3)进行非晶合金外转子高速永磁电机的磁场计算，提取永磁电机的径向气隙磁密数值，并进行傅里叶分解，得到气隙磁密基波的基波和一系列谐波的幅值。

(4)计算气隙磁密的总谐波畸变率THD，THD按照如公式(1)计算：

(5)选取两边磁钢的矫顽力Hc，磁钢厚度hm，两边磁钢的充磁角β，两边磁钢所占的空间角度D为四个优化变量，也即是因子数为4，并将上述四个变量分别定义为因子A、因子B、因子C和因子D，确定各因子的水平个数及相应的取值，建立可控因子水平取值表，根据因子数及水平个数建立合适的正交表。这里因子水平的个数选为4，也即是每个优化变量(因子)在磁路计算设计初步结果的上下选四个数值，然后建立16组有限元仿真实验的正交表。

(6)根据建立的正交表，分别对每一组试验的外转子永磁电机进行电磁场的有限元分析，得到各组试验所对应的气隙磁密及其傅里叶分析的结果，并根据式(1)计算每组有限元仿真实验得到气隙磁密的THD。

(7)将得到的各组试验的基波磁密幅值Bm1及THD的结果进行平均值分析，如计算总谐波畸变率的平均值如式(2)所示：

(8)在平均值分析的基础上对正交试验得到的结果进行方差分析，得到各个优化变量对气隙磁密基波幅值和总谐波畸变率影响的相对重要性程度，首先计算各因子的四个因子水平对基波磁密和总谐波畸变率THD影响的平均值，如计算因子A在水平1下对THD影响的平均值如式(3)所示：

THD_A1＝1/4×(THD₁+THD₂+THD₃+THD₄) (3)

接着，计算各因子对基波磁密和总谐波畸变率THD影响的方差值。如计算因子A对THD的影响的方差值如式(4)所示：

然后计算四个因子对Bm1和THD影响方差的总和以及每个因子分别对Bm1和THD影响的百分比，从而确定哪个因子对分别对Bm1和THD影响的比重大。

(9)最后根据平均值分析结果和方差分析结果，综合确定Bm1基本满足要求并且THD最小的因子水平最优组合。

优化结果为：磁极中间磁钢211采用最大磁能积为35MGOe的N35EH钕铁硼，厚度为4.6mm，空间角度为48度，矫顽力为803.3kA/m(50摄氏度)，平行充磁；磁极两边磁钢212优化结果为最大磁能积为28MGOe的N28EH钕铁硼，其矫顽力为731.53kA/m(50摄氏度)，空间角度D均为21度，相对于中间磁钢211中心线的充磁角β为78度，实际相对于自身对称线的充磁角度为43.5度。经过磁极优化后的外转子高速永磁电机的空载磁力线分布如附图4所示，径向气隙磁密傅里叶分解的结果为：基波磁密幅值B1＝0.6177T，总谐波畸变率THD＝20.40％，其中总齿谐波磁密的平方和开根号后与基波磁密的比值为15.92％，3次及3的倍数次谐波磁密的平方和开根号后与基波磁密的比值16.40％，扣除3次及3的倍数次谐波磁密和齿磁密的其他磁密谐波幅值的平方和开根号后与基波磁密比值为0.91％。比传统等空间角度的三段式Halbach阵列的永磁电机空载气隙磁密谐波含量明显降低。具体对比如表1所示。

表1本发明磁极结构与传统Halbach阵列永磁电机的磁密对比

本发明的非晶合金高速外转子永磁电机，其中的高速外转子的永磁磁极在轴向方向上分为4段，每段长度为20mm，并且斜磁极安装，即每段磁钢在安装时与上一段磁钢在圆周方向上错开3.75度，以便削弱定子绕组电动势中的齿谐波并抑制力矩波动。

本发明的非晶合金高速外转子永磁电机，其中的外转子磁钢护套3材料为不导磁的不锈钢，其特征在于转子磁钢护套3为薄壁套筒结构，经过冷压过盈配合安装在外转子磁钢2的内壁上，以保证同一磁极下的多块磁钢在高强度厌氧胶因时间过久失效的情况下不至于互相排斥而脱开转子磁轭内壁。

本发明的非晶合金高速外转子永磁电机，其中的非晶合金内定子如附图6所示，包括非晶合金内定子铁心4、定子轴5、内定子绕组6、异形槽楔7和槽绝缘9构成。

本发明的非晶合金高速外转子永磁电机，其中的非晶合金内定子铁心4是铁基非晶合金带材经过叠压、线切割得到，如附图7所示，其定子槽数为24，采用双层短距分布绕组布置，三相绕组如附图8所示，其中每极每相槽数q＝2，节距y1＝5。嵌线后的非晶合金内定子的截面图如附图9所示。其中的内定子轴5起到支撑非晶合金定子以及整个电机的作用。

本发明的非晶合金高速外转子永磁电机，其中的非晶合金内定子的异形槽楔7，槽楔的截面为异形结构，槽楔截面的底部为长方形，在长方形的上部为梯形，在梯形的顶部多出长方形的凸块。槽楔截面底部长方形的宽度W＝3.3mm，比定子冲片槽肩宽小1mm；槽楔截面的梯形两侧斜坡与梯形底边之间的夹角θ＝44度，与定子冲片槽肩角相同；槽楔截面梯形顶部的长方形凸起的宽度W1＝1.6mm，比槽口宽b01小0.2mm，长方形凸起的高度H1比槽口高h01高出0.15mm；异形槽楔截面的总高度H3为2mm，以保证槽楔有一定的机械强度；异形槽楔的截面图附图12所示。

本发明的非晶合金高速外转子永磁电机，其中的非晶合金内定子上的异形槽楔7，在电机轴向长度方向上的长度L＝77.7mm，比非晶合金定子铁心轴向长度Lfe长8mm，以便压紧定子绕组端部的直线部分。

本发明的非晶合金高速外转子永磁电机，其中的非晶合金内定子用的异形槽楔7，在电机轴向长度方向上的一端加工出一个与长度为L＝78mm、宽度为W＝3.3mm的底面有一定角度的斜坡，该斜坡用以方便异形槽楔装配进入定子槽内，该斜坡段向底面的投影长度为L1＝2.2mm。

本发明的非晶合金高速外转子永磁电机，其中的非晶合金内定子的异形槽楔7，在电机轴向长度方向上紧挨着端部的斜坡，有一段槽楔的截面梯形顶部长方形凸起的高度H1＝0.95mm，比定子槽口高h01高出0.15mm，该段槽楔长度为L2＝12mm；然后有一段槽楔的截面上长方形凸起的高度H2＝0.8mm，等于定子槽口高h01，该段轴向长度为L3＝5mm。紧接着在轴向长度方向上，轴向长度为L4＝8mm的槽楔截面上长方形凸起高度H1＝0.95mm，比定子槽口高h01高出0.15mm；紧接着在轴向长度方向上有一段槽楔的截面上长方形凸起的高度H2＝0.8mm，等于定子槽口高h01，该段轴向长度为L3＝5mm。如此槽楔轴向长度L4和L3交替出现4次，直到定子槽楔的另一端是槽楔截面中凸起长方形高度H1＝0.95mm的一段，其长度L5＝9mm。本发明的非晶合金高速外转子永磁电机，其中的非晶合金内定子异形槽楔7的材料选取H级绝缘的9334双马玻璃布板。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种非晶合金高速外转子永磁电机，其特征在于：包括永磁外转子和非晶合金内定子，所述永磁外转子与所述非晶合金内定子之间形成气隙，且所述永磁外转子与所述非晶合金内定子同轴设置；

所述永磁外转子由外转子磁轭、永磁磁极和不导磁的磁钢护套组成，套筒型的所述永磁磁极安装在套筒型的所述外转子磁轭与套筒型的所述磁钢护套之间；

所述非晶合金内定子包括定子轴、非晶合金定子铁心、内定子绕组和异形槽楔，截面圆环型的所述非晶合金定子铁心与圆柱形的所述定子轴同轴设置，且所述非晶合金定子铁心设置在所述定子轴的外侧，所述非晶合金定子铁心的外壁上均匀分布有若干防脱的定子槽，所述定子槽延伸至所述非晶合金定子铁心两端的端面处，所述定子槽口设置有与所述定子槽配合的异形槽楔，所述异形槽楔远离所述定子轴侧设置，所述异形槽楔与所述定子槽之间形成安装孔，所述安装孔中设置有内定子绕组；

所述永磁磁极采用Halbach阵列和组合磁极经过优化而成。

2.根据权利要求1所述的一种非晶合金高速外转子永磁电机，其特征在于：所述永磁磁极包括四个所述组合磁极，每个所述组合磁极包括两个对称的两边磁钢和一个中间磁钢，两个所述两边磁钢分别安装在所述中间磁钢的两边，两个所述组合磁极之间的两个所述两边磁钢接触，所述两边磁钢的最大磁能积相同，所述中间磁钢的最大磁能积比所述两边磁钢的大，所述永磁磁极的磁钢厚度、空间角度、充磁角和矫顽力均经过优化得到，优化目标为在气隙基波磁密幅值满足要求的前提下，使得气隙磁密的谐波畸变率最小。

3.根据权利要求2所述的一种非晶合金高速外转子永磁电机，其特征在于：所述两边磁钢和中间磁钢的材料均为钕铁硼磁钢。

4.根据权利要求1所述的一种非晶合金高速外转子永磁电机，其特征在于：所述非晶合金定子铁心由铁基非晶合金带材经过叠压、线切割而成，所述定子槽的数量为24。

5.根据权利要求1所述的一种非晶合金高速外转子永磁电机，其特征在于：所述异形槽楔的截面为异形结构，所述异形结构截面的中部为等腰的梯形，所述梯形的上部有与所述梯形下底配合的第一长方形，所述梯形的下部有与所述梯形上底配合且凸起的第二长方形，所述异形槽楔在电机轴向长度方向上的长度L比非晶合金定子铁心轴向长度长6～10mm。

6.根据权利要求5所述的一种非晶合金高速外转子永磁电机，其特征在于：所述异形槽楔的一端设置有用于方便所述异形槽楔插入到非晶合金定子铁心中的斜面，所述斜面由所述第一长方形向所述第二长方形侧倾斜，所述斜面的倾斜角度为44～46°。

7.根据权利要求5所述的一种非晶合金高速外转子永磁电机，其特征在于：在所述异形槽楔的长度方向上，所述异形槽楔上设置斜面端设置有L2段，所述L2段的所述第二长方形凸起的高度H1比定子槽口高度h01高出0.15mm，所述第二长方形上靠近所述L2段侧设置有L3段，所述L3段凸起的高度H2等于定子槽口高h01，所述第二长方形上靠近所述L3段侧设置有L4段，所述L4段凸起的高度等于H1，所述第二长方形上靠近所述L4段侧设置有L3段，所述L4与所述L3交替出现，交替出现到所述异形槽楔的另一端。

8.根据权利要求7所述的一种非晶合金高速外转子永磁电机，其特征在于：所述异形槽楔的另一端设置有L5段，所述L5段凸起的高度等于H1。

9.根据权利要求8所述的一种非晶合金高速外转子永磁电机，其特征在于：所述L2段和所述L5段的长度均为异形槽楔长度L的1/10～1/6。

Images