CN113036962B - 一种低成本轻量化的交替极永磁电机 - Google Patents

一种低成本轻量化的交替极永磁电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低成本轻量化的交替极永磁电机，包括同轴套设的定子和交替极转子；定子和交替极转子之间具有气隙，定子上绕设有电枢绕组；交替极转子包括沿周向均匀交替布设的永磁极和铁心极；所有永磁极朝向气隙的极性相同；每个永磁极均包括三个沿周向拼接的永磁体；三个永磁体分别为中间永磁体和对称拼接在中间永磁体两侧的侧边永磁体；中间永磁体采用径向或平行充磁，两个侧边永磁体均采用切向充磁。本发明的转子轭部仅有少量的永磁磁通，转子轭部较薄，不仅降低了铁心材料成本，还提高了功率密度（即功率/重量）。

Description

一种低成本轻量化的交替极永磁电机
技术领域
本发明涉及电机设计和制造领域，特别是一种低成本轻量化的交替极永磁电机。
背景技术
永磁电机具有高转矩/功率密度、高效率和高功率因素等优点，已在家用电器和航空航天等诸多领域得到广泛应用。目前，高性能的永磁电机都采用稀土永磁材料。然而，各产业的迅速发展对稀土的需求量迅速上涨。而且，稀土是不可再生的重要自然资源，其长期且稳定的供应面临着巨大的挑战。因此，高效地利用稀土材料对降低永磁电机成本及节约自然资源都具有重要的现实意义。
传统表贴式永磁电机的每对磁极由两个极性正负相反的永磁极构成，永磁材料利用率较低。而且，应用于中高速的表贴式永磁电机需要在转子外侧（永磁体外侧）添设保护套以避免永磁体受转子离心力的影响而脱落。为避免引起过多的极间漏磁，保护套通常采用不导磁材料。然而，不导磁保护套会增加等效气隙长度（即增加等效气隙磁阻），从而降低转矩输出能力，并进一步降低了永磁材料利用率。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种低成本轻量化的交替极永磁电机，该低成本轻量化的交替极永磁电机的转子轭部仅有少量的永磁磁通，转子轭部较薄，不仅降低了铁心材料成本，还提高了功率密度（即功率/重量）。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种低成本轻量化的交替极永磁电机，包括同轴套设的定子和交替极转子。
定子和交替极转子之间具有气隙，定子上绕设有电枢绕组。
交替极转子包括沿周向均匀交替布设的永磁极和铁心极。
所有永磁极朝向气隙的极性相同。
每个永磁极均包括三个沿周向拼接的永磁体。三个永磁体分别为中间永磁体和对称拼接在中间永磁体两侧的侧边永磁体。
中间永磁体采用径向或平行充磁，两个侧边永磁体均采用切向充磁。
永磁极和铁心极两侧边缘的接触方式符合“自锁”原则：θ 1＞0。且中间永磁体的两侧边缘和两侧永磁体的接触方式也符合“自锁”原则：θ 2＞0。其中，θ 1为永磁极的两侧边缘与永磁极中心线的夹角。θ 2为中间永磁体的两侧边缘与永磁极中心线的夹角。
还包括转轴和连接支架；连接支架包括若干根辐条；若干根辐条呈辐射状均匀布设在转轴的外圆周面上；每根辐条的另一端均与交替极转子的转子铁心相连接；
转轴、连接支架和交替极转子共同形成一个同步旋转的旋转体。
每根辐条的一端均与转轴相插接，每根辐条的另一端均与交替极转子中铁心极的转子铁心相插接或一体连接。
连接支架还包括支架圆环；支架圆环同轴套设在转轴的外周；若干根辐条呈辐射状均匀布设在支架圆环的外圆周面上；每根辐条的另一端均与交替极转子的转子铁心相插接或一体连接。
每个永磁极中三个永磁体的充磁方向，根据气隙磁密正弦度的需求进行调整，但调整过程中，需保证两侧永磁体的磁通通过铁心极的侧边直接进入或流出两侧永磁体，而不经过转子铁心的轭部。
中间永磁体的圆心角θ m1大于每个侧边永磁体的圆心角θ m2。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明的转子轭部仅有少量的永磁磁通，转子轭部较薄，不仅降低了铁心材料成本，还提高了功率密度（即功率/重量）。
2、本发明电机的转子具有自锁保护功能。
3、不需要额外的保护套，不仅降低了护套成本，还提高了永磁材料利用率。
4、定子和转子铁心均采用导磁材料，不仅能适用于内转子，还适用于外转子。
附图说明
图1显示了本发明实施例1中一种低成本轻量化的交替极永磁电机的结构示意图。
图2显示了本发明实施例1中旋转体的机构示意图。
图3显示了本发明实施例1中交替极转子所产生的磁力线分布图。
图4显示了图3中的局部放大示意图。
图5显示了本发明实施例1中的侧边永磁体的自锁分析图。
图6显示了本发明实施例1中的中间永磁体的自锁分析图。
图7显示了本发明实施例2中交替极转子与连接支架的结构示意图。
图8显示了本发明实施例3中交替极转子与连接支架的结构示意图。
其中有：
10.定子；11.电枢绕组；
20.交替极转子；21.转子铁心；211.铁心极；212.辐条安装孔一；
22.永磁极；
221.中间永磁体；222.侧边永磁体；223.永磁极中心线；224. 辅助永磁极中心线；
30.转轴；31.辐条安装孔二；
40.辐条；50.支架圆环。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
本申请以12槽10极三相内转子交替极永磁电机为例，也即定子槽数Ns =12，转子极对数p=5，三相电枢绕组(A相、B相、C相)，进行详细说明如下。
实例1
如图1和图2所示，一种低成本轻量化的交替极永磁电机，包括定子10、交替极转子20、转轴30和连接支架。
定子和交替极转子同轴套设，且两者之间具有气隙，定子和转子铁心采用导磁材料。
定子上绕设有电枢绕组11，本实施例中优选为三相电枢绕组（A相、B相、C相）。
交替极转子包括沿周向均匀交替布设的永磁极22和铁心极211。本实施例中，交替极转子包括5个永磁极和5个铁心极，两者交替均匀布设。
所有永磁极朝向气隙的极性相同。
如图2所示，每个永磁极均包括三个沿周向拼接的永磁体，本发明中，优选采用表贴式永磁极，三个永磁体分别为中间永磁体221和对称拼接在中间永磁体两侧的侧边永磁体222。
中间永磁体采用径向或平行充磁，两个侧边永磁体均采用切向充磁。两侧永磁体产生的磁通不经过转子铁心的轭部，转子轭部仅有少量的磁通，如图3和4所示，因而仅需要较薄的转子轭部为永磁磁通提供路径，转子轭部的径向尺寸范围优选为中间永磁体弧长的1/5至2/5。
转子轭部的这种设置方式，有利于转子减重（即轻量化），不仅降低了铁心材料成本，还提高了功率密度（即功率/重量）。
每个永磁极中三个永磁体的充磁方向，具体根据气隙磁密正弦度的需求进行调整，但调整过程中，需保证两侧永磁体的磁通通过铁心极的侧边直接进入或流出两侧永磁体，而不经过转子铁心的轭部。
中间永磁体的圆心角θ m1优选大于每个侧边永磁体的圆心角θ m2，从而，保证两个侧边永磁体的高利用率。
如图5所示，永磁极和铁心极两侧边缘的接触方式符合“自锁”原则：θ 1＞0。其中，θ 1为永磁极的两侧边缘与永磁极中心线223（或辅助永磁极中心线224）的夹角。
如图6所示，中间永磁体的两侧边缘和两侧永磁体的接触方式也符合“自锁”原则：θ 2＞0。其中，θ 2为中间永磁体的两侧边缘与永磁极中心线223（或辅助永磁极中心线224）的夹角。
上述“自锁”的接触方式，使得永磁体在受离心力的作用时 可靠地自锁在铁心极两侧的槽中。这避免了在转子外侧添设保护套，不仅降低了护套成本，还提高了永磁材料利用率。
连接支架包括若干根辐条40，辐条的数量优选等于铁心极或永磁极的数量，本实施例中优选为5个。
若干根辐条呈辐射状均匀布设在转轴的外圆周面上；每根辐条的另一端均与交替极转子的转子铁心相连接。
在本实施例1中，转轴的外圆周沿周向均匀布设有5个辐条安装孔二31，交替极转子的内圆周沿周向均匀布设有5个辐条安装孔一212。5根辐条均匀布设在转轴和交替极转子之间的环形空腔内，每根辐条的一端插接并卡合在辐条安装孔一212内，每根辐条的另一端插接并卡合在辐条安装孔二31内。作为替换，每根辐条的另一端也可与转子铁心一体设置。
因而，上述转轴、连接支架和交替极转子共同形成一个同步旋转的旋转体。
实施例2
实施例2与实施例1基本相同，不同点在于连接支架的结构，在本实施例中，连接支架包括支架圆环50和若干根辐条40；支架圆环同轴套设在转轴的外周；若干根辐条呈辐射状均匀布设在支架圆环的外圆周面上；每根辐条的另一端均与交替极转子的转子铁心相插接或一体连接。
在图7中，连接支架包括支架圆环50和5根辐条40；支架圆环同轴套设在转轴的外周；5根辐条呈辐射状均匀且一体布设在支架圆环的外圆周面；每根辐条的另一端均与交替极转子的转子铁心相插接并卡合形成一个整体。
实施例3
实施例3与实施例2基本相同，不同点在于：5根辐条呈辐射状均匀且一体布设在支架圆环的外圆周面；每根辐条的另一端均与交替极转子的转子铁心一体设置，也即支架圆环50和5根辐条均构成转子铁心的一部分，相邻辐条之间形成减重孔。也就是说，转子铁心和连接支架的组合为带有5个减重孔的转子铁心，减重孔与永磁极位置相对应。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种低成本轻量化的交替极永磁电机，其特征在于：包括转轴、连接支架、同轴套设的定子和交替极转子；
定子和交替极转子之间具有气隙，定子上绕设有电枢绕组；
交替极转子包括沿周向均匀交替布设的永磁极和铁心极；
所有永磁极朝向气隙的极性相同；
每个永磁极均包括三个沿周向拼接的永磁体；三个永磁体分别为中间永磁体和对称拼接在中间永磁体两侧的侧边永磁体；
中间永磁体采用径向或平行充磁，两个侧边永磁体均采用切向充磁；
两侧永磁体产生的磁通不经过转子铁心的轭部，转子轭部仅有少量的磁通，因而仅需要较薄的转子轭部为永磁磁通提供路径，转子轭部的径向尺寸范围为中间永磁体弧长的1/5至2/5，因而有利于转子减重，不仅能降低铁心材料成本，还能提高功率密度；
每个永磁极中三个永磁体的充磁方向，具体根据气隙磁密正弦度的需求进行调整，但调整过程中，需保证两侧永磁体的磁通通过铁心极的侧边直接进入或流出两侧永磁体，而不经过转子铁心的轭部；
连接支架包括若干根辐条；若干根辐条呈辐射状均匀布设在转轴的外圆周面上；每根辐条的另一端均与交替极转子的转子铁心相连接；
转轴、连接支架和交替极转子共同形成一个同步旋转的旋转体。
2.根据权利要求1所述的低成本轻量化的交替极永磁电机，其特征在于：永磁极和铁心极两侧边缘的接触方式符合“自锁”原则：θ 1＞0；且中间永磁体的两侧边缘和两侧永磁体的接触方式也符合“自锁”原则：θ 2＞0；其中，θ 1为永磁极的两侧边缘与永磁极中心线的夹角；θ 2为中间永磁体的两侧边缘与永磁极中心线的夹角。
3.根据权利要求1所述的低成本轻量化的交替极永磁电机，其特征在于：每根辐条的一端均与转轴相插接，每根辐条的另一端均与交替极转子中铁心极的转子铁心相插接或一体连接。
4.根据权利要求3所述的低成本轻量化的交替极永磁电机，其特征在于：连接支架还包括支架圆环；支架圆环同轴套设在转轴的外周；若干根辐条呈辐射状均匀布设在支架圆环的外圆周面上；每根辐条的另一端均与交替极转子的转子铁心相插接或一体连接。
5.根据权利要求1所述的低成本轻量化的交替极永磁电机，其特征在于：中间永磁体的圆心角θ m1大于每个侧边永磁体的圆心角θ m2。
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Application publication date: 20210625

Assignee: JIANGSU LEILI MOTOR Co.,Ltd.

Assignor: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics

Contract record no.: X2023980036428

Denomination of invention: A low-cost and lightweight alternating pole permanent magnet motor

Granted publication date: 20220930

License type: Exclusive License

Record date: 20230609