CN114915070A - 基于双v形永磁体的转子及高速轴向磁通永磁电机 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了基于双V形永磁体的转子及高速轴向磁通永磁电机，所述转子为永磁电机的左永磁转子或右永磁转子，包括：端盘及与端盘固定的永磁转子护套，所述端盘的表面上紧贴有铁氧体永磁体及钕铁硼永磁体，铁氧永磁体、钕铁硼永磁体规格相同且沿径向对称分布；所述铁氧永磁体、钕铁硼永磁体为双V形永磁体，以实现磁链和反电动势的正弦化。转子实现磁链和反电动势的正弦化，这可以极大降低气隙磁场谐波。
Description
技术领域
本发明属于电机技术领域，尤其涉及基于双V形永磁体的转子及高速轴向磁通永磁电机。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
高速电机相比普通电机具有体积小，转速高，功率密度大等优点，广泛适用于机械车床、高速飞轮、航空航天等产业。
高速永磁电机的定子一般采用多槽、少槽或无槽。多槽和少槽通过槽型设计提高定子散热能力，但存在着转子涡流损耗较大散热比较困难的问题。无槽定子不产生高频齿谐波磁场，减少转子涡流损耗，但气隙较大导致永磁体产生的气隙磁通密度较低，永磁体利用率低。由于高速电机工作频率较高，高工作频率对高速电机的材料提出了更高的要求，电机定子铁耗主要集中在了磁滞损耗，而普通电机的定子材料已无法满足高速高效的要求，因此高速电机定子材料向着低损超薄复合和合金材料发展。
高速永磁电机转子结构一般采用内置式和表贴式，内置式永磁电机综合利用了电机的磁阻转矩和永磁转矩，但是存在着高速运行时转子隔磁桥应力过高这一明显问题，表贴式永磁电机因永磁体表贴气隙磁通密度更接近正弦波，但存在着永磁体抗拉强度差的问题。另外，高速电机的转子材料也直接影响着电机性能的好坏，抗拉强度、退磁性能等问题是当前研究的热点，以钕铁硼和钐钴永磁材料为例，钕铁硼剩磁密度大，抗拉强度略高但高温易退磁，钐钴剩磁密度较低，抗拉强度较低但高温性能稳定。
综上，目前高速永磁电机存在着造价昂贵，定、转子损耗大，绕组结构不合理，永磁体成本高等一系列综合问题亟待解决。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供了基于双V形永磁体的转子及高速轴向磁通永磁电机，转子永磁体实现磁链和反电动势的正弦化。
为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
第一方面，公开了基于双V形永磁体的转子，所述转子为永磁电机的左永磁转子或右永磁转子，包括：
端盘及与端盘固定的永磁转子护套，所述端盘的表面上紧贴有铁氧体永磁体及钕铁硼永磁体，铁氧永磁体、钕铁硼永磁体规格相同且沿径向对称分布；
所述铁氧永磁体、钕铁硼永磁体为双V形永磁体，以实现磁链和反电动势的正弦化。
作为进一步的技术方案，所述双V形永磁体为呈三角形的永磁体沿一条边去除一个呈等腰三角形的永磁体而成，整体呈现为两个顶角不同的V 形叠加在一起，顶角大的V形开口朝向端盘的圆心。
作为进一步的技术方案，所述永磁转子护套上开设有与永磁体形状一致的孔，用于在永磁转子护套与永磁转子卡合时容纳永磁体。
第二方面，公开了高速轴向磁通永磁电机，包括：
轴向布置的两个转子及位于两个转子之间的定子，两个转子分别为左永磁转子及右永磁转子，左永磁转子与所述定子之间的气隙长度等于所述的右永磁转子与所述定子之间的气隙长度；左、右永磁转子采用铁氧体和钕铁硼对称分布轴向充磁；
左永磁转子及右永磁转子采用上述基于双V形永磁体的转子。
作为进一步的技术方案，所述定子为无铁心PCB绕组，定子呈圆盘状且不包含定子齿或其相应的槽，即无槽无铁轭定子结构。
作为进一步的技术方案，所述定子绕组采用PCB铜箔绕线；
PCB铜箔绕线沿定子径向绕线，三相绕组在空间上呈120度对称排列，构成电机的电磁相位关系。
作为进一步的技术方案，所述左永磁转子的铁氧永磁体与右永磁转子的钕铁硼永磁体镜像对称，左永磁转子的钕铁硼永磁体与右永磁转子的铁氧永磁体镜像对称，合金护套紧固支撑永磁体，转子外径护套紧贴固定整个转子。
作为进一步的技术方案，所述左永磁转子及所述右永磁转子关于定子中心面镜像对称。
作为进一步的技术方案，所述电机还包括转轴，所述左永磁转子及所述右永磁转子及位于两个转子之间的定子通过转轴连接。
作为进一步的技术方案，所述左永磁转子及所述右永磁转子中两块相邻且磁极相同的永磁体关于转轴中心对称，两块不相邻的永磁体磁性相反。
作为更进一步的技术方案，所述左永磁转子的铁氧永磁体N极与右永磁转子的钕铁硼永磁体S极镜像对称，左永磁转子的钕铁硼永磁体S极与右永磁转子的铁氧永磁体N极镜像对称。
以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
(1)本发明高速轴向磁通永磁电机永磁体类三角V型结构，便于永磁体精加工及充磁。截面呈正弦化形式，通过对横截面各项结构参数优化，可实现磁链和反电动势的正弦化，这可以极大降低气隙磁场谐波，不仅有利于削弱转矩脉动，减小振动噪声，而且有效降低电流纹波引起的高频损耗，提高效率。考虑到永磁体的成本进行优化设计，可以提升转矩/永磁体用量比例，节约稀土资源。永磁体形状优化设计后在转子表面产生的剩余空间用于护套安装，结构紧凑且转动惯量具有可调性。
本公开实施例子中的类三角V型结构在现有技术中的月牙型正弦永磁的结构上进行简化，为便于加工而设计，通过对其分布的正弦度优化，可得到正弦度较高的反电动势。
(2)高速轴向磁通永磁电机的转子永磁体护套不影响有效气隙长度，即不影响电机的电磁性能，因此永磁体及护套厚度可根据需要调节。在电机轴向面积已经确定的情况下，通过改变转子铁心厚度和轴向长度调节其转动惯量，从而降低由于转子质量不平衡引起的电机振动及能量损失，进而改善电机的振动噪声和动态响应性能，拓宽电机的应用场合。
(3)高速轴向磁通永磁电机的定子采用PCB结构，设计简单，加工便捷且损耗低。定子绕组盘采用无铁心结构，功率密度高，无齿无槽，消除了齿槽转矩和噪声，无铁心损耗热路简单，并能够消除定、转子间的电磁吸力；
(4)电枢绕组采用PCB绕组，与线绕型绕组相比，可以降低定子电枢的厚度，减小电机的等效气隙长度；PCB绕组加工的工艺性非常好，线圈的形状、尺寸和定位非常精确，并具有良好机械强度和散热条件。
(5)左永磁转子的铁氧永磁体N极与右永磁转子的钕铁硼永磁体S极镜像对称，左永磁转子的钕铁硼永磁体S极与右永磁转子的铁氧永磁体N 极镜像对称，混合永磁搭配降低永磁体制造成本且对称排列降低轴向不平衡力。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1(a)-图1(b)是本公开电机的定子结构及绕组相分布示意图；
图2是本公开电机的结构爆炸示意图；
图3(a)-图3(b)是本公开电机的两个永磁转子示意图；
图4(a)-图4(b)为90度和125度双三角角度仿真示意图；
图5(a)-图5(b)为90度和135度双三角角度仿真示意图；
图6(a)-图6(b)为75度和135度双三角角度仿真示意图；
图7(a)-图7(b)为90度和145度双三角角度仿真示意图；
图8(a)-图8(b)为90度和155度双三角角度仿真示意图。
图中：1.左永磁转子；1-1.S极铁氧体永磁体；1-2.N极钕铁硼永磁体； 1-3.左永磁转子护套；1-4.左永磁转子端盘；2.右永磁转子；2-1.S极钕铁硼永磁体；2-2.N极铁氧体永磁体；2-3.右永磁转子护套；2-4.右永磁转子端盘； 3.PCB定子；4.转轴。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
本实施例公开了基于双V形永磁体的转子，所述转子为永磁电机的左永磁转子或右永磁转子，包括：
端盘及与端盘固定的永磁转子护套，所述端盘的表面上紧贴有铁氧体永磁体及钕铁硼永磁体，铁氧永磁体、钕铁硼永磁体规格相同且沿径向对称分布；
所述铁氧永磁体、钕铁硼永磁体为双V形永磁体，以实现磁链和反电动势的正弦化。
双V形永磁体为呈三角形的永磁体沿一条边去除一个呈等腰三角形的永磁体而成，整体呈现为两个顶角不同的V形叠加在一起，顶角大的V形开口朝向端盘的圆心。
永磁转子护套上开设有与永磁体形状一致的孔，用于在永磁转子护套与永磁转子卡合时容纳永磁体。
上述永磁体类三角V型优化设计，实现磁链和反电动势的正弦化，这可以极大降低气隙磁场谐波，不仅有利于削弱转矩脉动，减小振动噪声，而且有效降低电流纹波引起的高频损耗，提高效率。考虑到永磁体的成本进行优化设计，可以提升转矩/永磁体用量比例，节约稀土资源。永磁体形状优化设计后在转子表面产生的剩余空间用于护套安装，结构紧凑且转动惯量具有可调性。
实施例二
本实施例公开了高速轴向磁通永磁电机，主要由左永磁转子1，右永磁转子2和PCB定子3构成，PCB定子3在左永磁转子1和右永磁转子4中间。
参见图1(a)-图1(b)，图1(a)为PCB定子的三相绕组结构，铜箔绕线表面上层和下层对称，PCB表面安置过孔导通绕组电流。图1(b)为PCB绕组供电方式。本实施例子中的PCB定子3包括铜线和PCB板，PCB 板为双层板，铜线绕组布置与PCB板面，上下两层绕组通过PCB过孔连接。定子绕组为三相绕组，使用扁平绕线沿PCB圆周的垂直方向均匀布线PCB 在定子板上。图中“+”代表每相绕组的进线方向，“-”代表每相绕组的出线方向，A、B、C分别代表定子绕组的三相，每相间隔60°机械角度。定子绕组的每相内的分布形式可改变，此处的每相绕组的分布只做说明使用。PCB 定子为印刷电路板，无硅钢片材料。
参见图2，本实施例中电机为双转子单定子轴向双气隙结构，磁路闭合，电机漏磁通少，双转子结构，位于定子的两侧。转子为轴向双层结构，包括转轴4，固定于转轴上的左永磁转子端盘1-4、右永磁转子端盘2-4。S极铁氧体永磁体1-1、N极铁氧体永磁体2-2和N极钕铁硼永磁体1-2、S极钕铁硼永磁体2-1采用基于V形的多样化设计，紧贴在左永磁转子端盘1-4、右永磁转子端盘2-4的表面上，同一端盘上的两块相邻且磁极相反的永磁体关于转轴4中心对称，通过对V形永磁体进行优化设计使磁链和反电势趋向正弦化，极大降低气隙磁密的谐波含量，不仅有效降低转矩脉动，削弱振动噪声，而且提高了电机运行效率。左永磁转子护套1-3、右永磁转子护套2-3紧贴在左永磁转子端盘1-4、右永磁转子端盘2-4的表面上并与永磁体紧密接触，其外径与转子端盘相同。
需要说明的是，单个转子盘上的两个永磁体为不同极性不同材料的永磁体，单个永磁体的上下折线为两个不同V形。传统类三角V型永磁体结构产生的反电动势波形较常规环形永磁体结构的正弦化程度要高，但是在该电机还达不到要求，因此要对该形状进行优化，本实施例子以电机反电动势正弦度为目标，通过对V型结构的三角形夹角采用优化，得到最优优化结果。
通过不同的仿真，改变双三角形的角度，参见附图4(a)、图4(b)- 附图8(a)-附图8(b)所示，获得最优的角度。
如果气隙磁场的正弦度好，那么反电动势波形的正弦度也好。因此，优化气隙磁场的谐波，可以通过反电动势波形体现。本公开采用对永磁体形状进行优化设计，使气隙磁场的正弦化程度提高。
本公开实施例子的电机具有一根转轴，定子在两个相同规格的转子之间，左永磁转子与所述定子之间的气隙长度等于所述的右永磁转子与所述定子之间的气隙长度，本公开的转轴以水平方向放置。
作为一种实施方案，定子绕组为无铁心PCB绕组，圆盘状不包含定子齿或其相应的槽，即无铁磁材料定子结构，设计简单，加工便捷且损耗低。定子绕组PCB板采用无铁心结构，功率密度高，无齿无槽，消除了齿槽转矩和噪声，无铁心损耗热路简单，并能够消除定、转子间的电磁吸力；定子绕组采用PCB铜箔绕线，绕线为厚度远低于一般圆铜绕线。电枢绕组采用PCB绕组，与线绕型绕组相比，可以降低定子电枢的厚度，减小电机的等效气隙长度；PCB绕组加工的工艺性非常好，线圈的形状、尺寸和定位非常精确，并具有良好机械强度和散热条件。
PCB铜箔绕线沿定子径向绕线，三相绕组在空间上呈120度对称排列，构成电机的电磁相位关系。
作为一种实施方案，转子由端盘、铁氧永磁体、钕铁硼永磁体、合金护套，转子外径护套组成，铁氧永磁体、钕铁硼永磁体规格相同且沿径向对称分布，左永磁转子的铁氧永磁体与右永磁转子的钕铁硼永磁体镜像对称，左永磁转子的钕铁硼永磁体与右永磁转子的铁氧永磁体镜像对称，合金护套紧固支撑永磁体，转子外径护套紧贴固定整个转子。
高速轴向磁通永磁电机永磁体类三角V型优化设计，实现磁链和反电动势的正弦化，这可以极大降低气隙磁场谐波，不仅有利于削弱转矩脉动，减小振动噪声，而且有效降低电流纹波引起的高频损耗，提高效率。考虑到永磁体的成本进行优化设计，可以提升转矩/永磁体用量比例，节约稀土资源。永磁体形状优化设计后在转子表面产生的剩余空间用于护套安装，结构紧凑且转动惯量具有可调性。左永磁转子的铁氧永磁体N极与右永磁转子的钕铁硼永磁体S极镜像对称，左永磁转子的钕铁硼永磁体S极与右永磁转子的铁氧永磁体N极镜像对称，混合永磁搭配降低永磁体制造成本且对称排列降低轴向不平衡力。
参见图3(a)-图3(b)所示，本实施例子转子永磁体类三角V型优化设计，实现磁链和反电动势的正弦化。铁氧体和钕铁硼两种永磁体搭配使用，左永磁转子的铁氧永磁体N极与右永磁转子的钕铁硼永磁体S极镜像对称，左永磁转子的钕铁硼永磁体S极与右永磁转子的铁氧永磁体N极镜像对称，混合永磁搭配降低永磁体制造成本且对称排列降低轴向不平衡力。定子采用PCB结构，设计简单，加工便捷且损耗低。定子绕组盘采用无铁心结构，功率密度高，无齿无槽，消除了齿槽转矩和噪声，无铁心损耗热路简单，并能够消除定、转子间的电磁吸力；电枢绕组采用PCB绕组，与线绕型绕组相比，可以降低定子电枢的厚度，减小电机的等效气隙长度，减少永磁体的用量；PCB绕组加工的工艺性非常好，线圈的形状、尺寸和定位非常精确，并具有良好机械强度和散热条件。
本实施例子为基于混合转子的高速轴向磁通永磁电机，基本原理：定子绕组通以三相对称交流电生成旋转磁动势，带动电机磁极旋转。
设计原理：利用PCB绕组产生电机运行的磁动势，同时降低电机高速时的涡流损耗，电机双转子采用铁氧体和钕铁硼永磁体搭配形成对称气隙保持电机稳定运行，降低电机永磁体涡流损耗和成本。混合转子充分利用电机铁氧体永磁转矩和钕铁硼永磁转矩实现电机稳定运行。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.基于双V形永磁体的转子，所述转子为永磁电机的左永磁转子或右永磁转子，其特征是，包括：
端盘及与端盘固定的永磁转子护套，所述端盘的表面上紧贴有铁氧体永磁体及钕铁硼永磁体，铁氧永磁体、钕铁硼永磁体规格相同且沿径向对称分布；
所述铁氧永磁体、钕铁硼永磁体为双V形永磁体，以实现磁链和反电动势的正弦化。
2.如权利要求1所述的基于双V形永磁体的转子，其特征是，所述双V形永磁体为呈三角形的永磁体沿一条边去除一个呈等腰三角形的永磁体而成，整体呈现为两个顶角不同的V形叠加在一起，顶角大的V形开口朝向端盘的圆心。
3.如权利要求1所述的基于双V形永磁体的转子，其特征是，所述永磁转子护套上开设有与永磁体形状一致的孔，用于在永磁转子护套与永磁转子卡合时容纳永磁体。
4.高速轴向磁通永磁电机，其特征是，包括：
轴向布置的两个转子及位于两个转子之间的定子，两个转子分别为左永磁转子及右永磁转子，左永磁转子与所述定子之间的气隙长度等于所述的右永磁转子与所述定子之间的气隙长度；左、右永磁转子采用铁氧体和钕铁硼对称分布轴向充磁；
左永磁转子及右永磁转子采用上述权利要求1-3任一所述的基于双V形永磁体的转子。
5.如权利要求4所述的高速轴向磁通永磁电机，其特征是，所述定子为无铁心PCB绕组，定子呈圆盘状且不包含定子齿或其相应的槽，即无槽无铁轭定子结构。
6.如权利要求5所述的高速轴向磁通永磁电机，其特征是，所述定子绕组采用PCB铜箔绕线；
PCB铜箔绕线沿定子径向绕线，三相绕组在空间上呈120度对称排列，构成电机的电磁相位关系。
7.如权利要求4所述的高速轴向磁通永磁电机，其特征是，所述左永磁转子的铁氧永磁体与右永磁转子的钕铁硼永磁体镜像对称，左永磁转子的钕铁硼永磁体与右永磁转子的铁氧永磁体镜像对称，合金护套紧固支撑永磁体，转子外径护套紧贴固定整个转子。
8.如权利要求4所述的高速轴向磁通永磁电机，其特征是，所述左永磁转子及所述右永磁转子关于定子中心面镜像对称。
9.如权利要求4所述的高速轴向磁通永磁电机，其特征是，所述左永磁转子的铁氧永磁体N极与右永磁转子的钕铁硼永磁体S极镜像对称，左永磁转子的钕铁硼永磁体S极与右永磁转子的铁氧永磁体N极镜像对称。
10.如权利要求4-9任一所述的高速轴向磁通永磁电机，其特征是，所述电机还包括转轴，所述左永磁转子及所述右永磁转子及位于两个转子之间的定子通过转轴连接。
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