CN113852226A - 一种高效、高功率密度永磁电机 - Google Patents

一种高效、高功率密度永磁电机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电机技术领域，具体涉及一种高效、高功率密度永磁电机，包括定子和转子，定子和转子之间具有气隙；定子包括定子齿、定子轭和电枢绕组，电枢绕组绕制在定子齿上；转子包括永磁体和机壳，永磁体设于机壳的内侧；转子采用Halbach永磁阵列结构，可以是内转子结构，也可以是外转子结构，其中第I类永磁体设计有燕尾槽，用以配合机壳或转轴，第I类永磁体与第II类永磁体分别进行斜角处理；其优点在于利用机壳或转轴燕尾齿固定第I类永磁体，两种类型永磁体的斜角处理可使第I类永磁体卡住第II类永磁体，起到“自锁”效果。该永磁电机可省去护套使其气隙厚度减小，极大增加电机功率密度的同时，还减小了转子涡流损耗，有效提高了电机的效率。

Description

一种高效、高功率密度永磁电机
技术领域
本发明涉及电机技术领域，具体涉及一种高效、高功率密度永磁电机。
背景技术
永磁电机具有结构简单、体积小、效率高的特点，因此在很多场合如航空航天、全电飞机和电动汽车等领域具有较好的应用情景。通常，永磁电机功率密度的提升需要依赖很高的电、磁负荷，以及较大的转子极对数。电负荷的增加导致电机铜耗、定子铁耗与转子损耗增加，效率降低的同时也给电机的散热带来很大困难。在气隙厚度和护套确定的前提下，磁负荷的提高需要增加永磁体用量，设计成本大幅增加，与此同时电机的重量亦大幅增加，致使功率密度难以进一步提升。此外，由于永磁体块数较多，为保证其结构稳定性，永磁体表面通常需要护套裹住，增加了气隙的厚度，进而限制了其功率密度。工程上，为保证足够机械强度，护套多采用不锈钢等高强度合金材料，然而不利的是，不锈钢护套会在高速旋转的磁场中感应出很大的涡流损耗，效率低而温升高，不利于电机在高效、高功率密度领域的应用。因此，在不牺牲转子机械强度的前提下，去除转子护套、减小气隙厚度，是高效、高功率密度永磁电机设计的关键。
发明内容
针对以上问题，本发明提供了一种高效、高功率密度永磁电机，可省去护套使其气隙厚度减小，极大增加电机功率密度的同时，还减小了转子涡流损耗，有效提高了电机的效率。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种高效、高功率密度永磁电机，包括定子和转子，所述定子和转子之间具有气隙：
所述定子包括定子齿、定子轭和电枢绕组，所述电枢绕组绕制在定子齿上；
所述转子包括永磁体和机壳，所述永磁体设于机壳的内侧；
所述永磁体包括若干个第I类永磁体和第II类永磁体，若干个第I类永磁体和第II类永磁体均匀间隔呈周向设置，且相邻两个第I类永磁体和第II类永磁体之间通过倾斜边固定连接；
每个所述第I类永磁体上靠近机壳内侧中间位置设有内凹的燕尾槽，所述机壳内侧上设有若干个外凸的燕尾齿，若干个所述燕尾齿均匀间隔呈周向分布，且每个燕尾齿均与燕尾槽匹配设置；
所述定子由硅钢片叠压而成。
通过采用上述技术方案，转子采用Halbach永磁阵列结构，可以是内转子结构，也可以是外转子结构，其中切向磁化的永磁体(第I类永磁体)设计有燕尾槽，用以配合机壳或转轴，第I类永磁体与径向磁化的永磁体(第II类永磁体)分别进行斜角处理。其优点在于利用机壳或转轴燕尾齿固定第I类永磁体，两种类型永磁体的斜角处理可使第I类永磁体卡住第II类永磁体，起到“自锁”效果。这种永磁电机可省去护套使其气隙厚度减小，极大增加电机功率密度的同时，还减小了转子涡流损耗，有效提高了电机的效率。
优选地，所述定子的内半径为r1，所述定子的外半径为r2，所述定子齿宽为ws、所述定子轭厚为he；所述定子的内半径r1与外半径r2的关系r1/r2为0.5～0.8mm；所述定子轭厚he和定子齿宽ws的关系为he/ws＝0.67。
优选地，所述电枢绕组采用跨距为1的集中绕组结构。
优选地，所述永磁体采用钕铁硼材料加工而成，所述永磁体的外半径为Rpm，所述永磁体的厚度为hpm，所述第I类永磁体的极弧角度为apm∥，所述第II类永磁体的极弧角度为apm⊥，所述第I类永磁体的极弧角度和第II类永磁体的极弧角度之间满足关系式apm⊥+apm∥＝180°/p，其中，p为永磁体极对数；且所述第I类永磁体与第II类永磁体的极弧角度比例为1:1。
优选地，所述第I类永磁体和第II类永磁体的斜角均为a0/2。
优选地，所述燕尾槽的槽口宽为bm0，所述燕尾槽的槽深为hm0，所述燕尾槽的斜角为a1/2。
优选地，所述机壳采用不锈钢合金材料加工而成，所述燕尾齿的高为hm0，所述燕尾齿的底宽为bm1，所述燕尾齿的斜角为a1/2。
本发明有益效果：
1、本发明的永磁电机转子结构可通过机壳、第I类永磁体和第II类永磁体间形成良好的“自锁”作用，可使永磁电机在无护套结构时仍保持较高的机械强度和完整性。
2、本发明的永磁电机由于减小了气隙厚度，能够极大提高电机磁负荷，因此在不增加永磁体用量的前提下，能够有效提升电机的功率密度。
3、本发明的永磁电机由于无转子护套存在，极大地减小了转子涡流损耗，提高了电机的效率。
4、本发明的永磁电机包含两类型永磁体，通过优化设计第I类永磁体和第II类永磁体间比例，从而有助于进一步提高电机的功率密度。
5、本发明的永磁电机不仅适用于外转子永磁电机结构，同样用适用于内转子永磁电机结构，应用范围广。
附图说明
图1是本发明永磁电机的截面图；
图2是本发明中第I类永磁体的结构示意图；
图3是本发明中机壳的局部示意图；
图4是原永磁电机转子的示意图；
图5是原永磁电机转子永磁体的尺寸标注图；
图6是本发明中永磁电机转子的结构示意图；
图7是本发明中永磁电机转子结构的永磁体尺寸标注图；
图8是本发明中第I类永磁体的尺寸标注图；
图9是本发明中机壳尺寸标注图；
图10是原永磁电机空载磁力线的分布图；
图11是本发明中永磁电机空载磁力线的分布图；
图12是原永磁电机与本发明永磁电机空载反电势的对比图；
图13是原永磁电机与本发明永磁电机转矩及脉动的对比图；
图14是原永磁电机与本发明永磁电机电磁损耗的对比图。
具体实施方式
下面结合附图将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以使本领域的技术人员能够更好的理解本发明的优点和特征，从而对本发明的保护范围做出更为清楚的界定。本发明所描述的实施例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，本领域普通技术人员在没有做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。
参照图1，一种高效、高功率密度永磁电机，包括定子2和转子1，所述定子2和转子1之间具有气隙，该气隙的厚度根据电机大小及要求选取。
所述定子2包括定子齿21、定子轭22和电枢绕组23，所述电枢绕组23绕制在定子齿21上；
所述转子1包括永磁体12和机壳13，所述永磁体12设于机壳13的内侧；
所述永磁体12包括若干个第I类永磁体12-I和第II类永磁体12-II，若干个第I类永磁体12-I和第II类永磁体12-II均匀间隔呈周向设置，且相邻两个第I类永磁体12-I和第II类永磁体12-II之间通过倾斜边固定连接；
参照图2-图3、图6，每个所述第I类永磁体12-I上靠近机壳13内侧中间位置设有内凹的燕尾槽11，所述机壳13内侧上设有若干个外凸的燕尾齿14，若干个所述燕尾齿14均匀间隔呈周向分布，且每个燕尾齿14均与燕尾槽11匹配设置；
所述定子2由硅钢片叠压而成。
本实施例中，转子采用Halbach永磁阵列结构，可以是内转子结构，也可以是外转子结构，其中切向磁化的永磁体(第I类永磁体)设计有燕尾槽，用以配合机壳或转轴，第I类永磁体与径向磁化的永磁体(第II类永磁体)分别进行斜角处理。其优点在于利用机壳或转轴燕尾齿固定第I类永磁体，两种类型永磁体的斜角处理可使第I类永磁体卡住第II类永磁体，起到“自锁”效果。这种永磁电机可省去护套使其气隙厚度减小，极大增加电机功率密度的同时，还减小了转子涡流损耗，有效提高了电机的效率。
具体的，所述定子2的内半径为r1，所述定子2的外半径为r2，所述定子齿21宽为ws、所述定子轭22厚为he；所述定子2的内半径r1与外半径r2的关系r1/r2为0.5～0.8mm；所述定子轭22厚he和定子齿21宽ws的关系为he/ws＝0.67；其中，槽高hs、槽楔高hs1、槽口高hs0、槽口宽bs0则需要进行优化选取。
具体的，所述电枢绕组23采用跨距为1的集中绕组结构。
参照图7，具体的，所述永磁体12采用钕铁硼材料加工而成，所述永磁体12的外半径为Rpm，所述永磁体12的厚度为hpm，所述第I类永磁体12-I的极弧角度为apm∥，所述第II类永磁体12-II的极弧角度为apm⊥，所述第I类永磁体12-I的极弧角度和第II类永磁体12-II的极弧角度之间满足关系式apm⊥+apm∥＝180°/p，其中，p为永磁体极对数；且所述第I类永磁体12-I与第II类永磁体12-II的极弧角度比例为1:1；这里通过优化设计第I类永磁体和第II类永磁体间比例，从而有助于进一步提高电机的功率密度。
其中，所述第I类永磁体12-I和第II类永磁体12-II的斜角均为a0/2，其中，切向磁化永磁体(第I类永磁体12-I)靠近气隙一侧向外斜角为a0/2，而径向磁化永磁体(第II类永磁体12-II)靠近气隙一侧向内倾斜角为a0/2＝10°。
参照图8，具体的，切向磁化永磁体(第I类永磁体12-I)靠近机壳13侧设计燕尾槽11，燕尾槽11位于切向磁化永磁体(第I类永磁体12-I)中部位置；所述燕尾槽11的槽口宽为bm0，所述燕尾槽11的槽深为hm0，所述燕尾槽11的斜角为a1/2＝30°。
参照图9，具体的，所述机壳13采用不锈钢合金材料加工而成，机壳13内半径为Rpm，机壳13厚度为hs，机壳13内侧设计加工成燕尾齿14结构来配合切向磁化永磁体(第I类永磁体12-I)；其中，所述燕尾齿的高为hm0，所述燕尾齿的底宽为bm1，所述燕尾齿的斜角为a1/2＝30°。
本实施例中，通过机壳、第I类永磁体和第II类永磁体间形成良好的“自锁”作用，可使永磁电机在无护套结构时仍保持较高的机械强度和完整性。
参照图4，为原永磁电机转子结构示意图，永磁体12贴于机壳13内侧，永磁体12另一侧通过护套15固定。
参照图5，为原永磁电机的尺寸标注示意图。
参照图10和图11，分别为原永磁电机与本发明永磁电机空载磁力线分布图。相较而言，本发明永磁电机不会影响电机磁路结构。
参照图12，为原永磁电机和本发明永磁电机空载反电势对比图，图中A为原永磁电机，B为本发明永磁电机。如图所示，本发明永磁电机空载反电势显著提升且波形有所改善。
参照图13，为原永磁电机和本发明永磁电机转矩及转矩脉动对比图。相比原永磁电机，本发明永磁电机转矩提升约12％，转矩脉动降低约25％。
参照图14，为原永磁电机和本发明永磁电机损耗对比图，图中A为原永磁电机，B为新设计永磁电机。可以看出，本发明永磁电机转子涡流损耗显著减小。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (7)

1.一种高效、高功率密度永磁电机，包括定子和转子，其特征在于：所述定子和转子之间具有气隙：
所述定子包括定子齿、定子轭和电枢绕组，所述电枢绕组绕制在定子齿上；
所述转子包括永磁体和机壳，所述永磁体设于机壳的内侧；
所述永磁体包括若干个第I类永磁体和第II类永磁体，若干个第I类永磁体和第II类永磁体均匀间隔呈周向设置，且相邻两个第I类永磁体和第II类永磁体之间通过倾斜边固定连接；
每个所述第I类永磁体上靠近机壳内侧中间位置设有内凹的燕尾槽，所述机壳内侧上设有若干个外凸的燕尾齿，若干个所述燕尾齿均匀间隔呈周向分布，且每个燕尾齿均与燕尾槽匹配设置；
所述定子由硅钢片叠压而成。
2.根据权利要求1所述的一种高效、高功率密度永磁电机，其特征在于：所述定子的内半径为r1，所述定子的外半径为r2，所述定子齿宽为ws、所述定子轭厚为he；所述定子的内半径r1与外半径r2的关系r1/r2为0.5～0.8mm；所述定子轭厚he和定子齿宽ws的关系为he/ws＝0.67。
3.根据权利要求1所述的一种高效、高功率密度永磁电机，其特征在于：所述电枢绕组采用跨距为1的集中绕组结构。
4.根据权利要求1所述的一种高效、高功率密度永磁电机，其特征在于：所述永磁体采用钕铁硼材料加工而成，所述永磁体的外半径为Rpm，所述永磁体的厚度为hpm，所述第I类永磁体的极弧角度为apm∥，所述第II类永磁体的极弧角度为apm⊥，所述第I类永磁体的极弧角度和第II类永磁体的极弧角度之间满足关系式apm⊥+apm∥＝180°/p，其中，p为永磁体极对数；且
所述第I类永磁体与第II类永磁体的极弧角度比例为1:1。
5.根据权利要求4所述的一种高效、高功率密度永磁电机，其特征在于：所述第I类永磁体和第II类永磁体的斜角均为a0/2。
6.根据权利要求1所述的一种高效、高功率密度永磁电机，其特征在于：所述燕尾槽的槽口宽为bm0，所述燕尾槽的槽深为hm0，所述燕尾槽的斜角为a1/2。
7.根据权利要求1所述的一种高效、高功率密度永磁电机，其特征在于：所述机壳采用不锈钢合金材料加工而成，所述燕尾齿的高为hm0，所述燕尾齿的底宽为bm1，所述燕尾齿的斜角为a1/2。
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