CN1862927A - 一种电磁永磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种其上设有定子铁芯，在定子铁芯上有三相对称绕组，在转子铁芯上固定有永磁体的电动机。本发明的电机转子上位于其宽度的二分之一处设有一环槽。在转子上位于环型槽的两侧设有沿轴向的槽，且这些轴向槽沿环槽的两边相错间隔布置，各轴向槽间为由转子铁芯软铁构成的调磁极。在各轴向槽内分别固定有永磁体，其中位于环形槽一侧的轴向槽内固定的各永磁体的N极指向转子圆心，而位于环形槽另一侧的各永磁体的S极指向转子圆心，如此形成的磁化方向为轴向磁化。

Description

一种电磁永磁电机

技术领域

本发明涉及一种其上设有定子铁芯，在定子铁芯上有三相对称绕组，在转子铁芯上固定有永磁体的电动机。

背景技术

传统的三相交流电机是在定子铁芯上设有三相对称绕组，转子为鼠笼框，利用定子产生三相旋转磁场在转子上产生的感应电动势，产生跟随转动。这种电机的功率因数较低，驱动特性不佳。

由于永磁体，特别是稀土永磁体的磁能积比电磁铁高得多，其磁能量密度已接近超导装置的水平。因此将这种永磁体放入感应电机的转子内，会使电机具有很高的效率和功率因数。而且这种电机既可作为同步电机使用，也可以作为速度、转矩和效率可控的直流无刷电机使用。现在许多型号的电机，都有自己的功能和用途。在工业先进的国家，使用永磁体占20％左右。

新型双凸极永磁电机，是磁阻电机和永磁电机的有机结合体，是在结构与性能上改良了的DSPM电机，也是开关磁阻电机(SRM)又一创造性发展。随着电力电子器件和电磁场计算技术的发展，SRM在其设计、控制、性能分析等领域获得丰富的研究成果，其应用已从早期电动车驱动，扩展到工业、家用电器、航空业等领域。然而，由于SRM双凸极结构和开关形式供电电源存在几个固有的缺点：为了解决SRM存在的问题，充分利用双凸极结构的特点，LiaoY等把永磁体引入到SRM中(将永磁材料嵌入转子或定子体内)，把它称为双凸极永磁(DSPM)电机。它具有比SRM更高的效率。

近年来，DSPM电机的结构有一定的改进，提出了单相、三相的定子永磁的双凸极电机。为了改变DSPM电机磁通脉振式变化，R.P.Deodhar等提出了一种磁通反向的新型DSPM电机，将永磁体放在定子表面，随着转子的旋转，定子绕组的磁链发生双极性变化，这时的DSPM电机比绕组磁链脉振的DSPM电机，在没有成倍增加材料的前提下，产生两倍的磁链变化率，产生更大的转矩。

河南农业大学机电工程学院赵朝会副教授，南京航空航天大学、航空电源重点实验室严仰光等在《河南农业大学学报》(2004年12月第38期)和《微电机》(2005年第38卷第4期)等刊物上指出：混合励磁同步电机(HybridExcitation Syn-chronous Machine-HESM)是上个世纪80年代由俄罗斯学者最早提出的一种新型电机结构形式与传统的电励磁同步电机以及永磁同步电机结构不同。HESM中既有永磁体又有励磁绕组，两个磁势源同时存在。它集成了电励磁同步电机调磁方便且调磁容量小和永磁同步电机效率高、转矩/质量比大等优点，同时又克服了永磁同步电机磁场调节难的缺陷，有较大的推广应用价值。

中国实用新型专利200420060967.0也给出一种现有的永磁电机的结构。

现有的永磁电机是在转子上固定永磁体，常见是固定四块永磁体，多见的是径向磁化。这类电机的定子与转子间的气隙磁密度无法调节。而且现有的永磁电机励磁调节困难。采用电磁励磁的电机其效率较低。

发明内容

本发明提供一种新型的电磁永磁电机，这种电机可以调节定子与转子间的气隙磁密度，能克服现有永磁电机励磁调节困难，解决现有电励磁电机效率低，以及气隙磁密度较小的不足。

本发明的定子铁芯上设有三相对称绕组，这与现有技术是相似的，在本发明的电机转子上位于其宽度的二分之一处设有一环槽，也就是转子轴向对称位置处设置环型槽。在转子上位于环形槽的两侧设有沿轴向的槽，且这些轴向槽沿环形槽的两边相错间隔布置，各轴向槽间为由转子铁芯软铁构成的调磁极。在各轴向槽内分别固定有永磁体，其中位于环形槽一侧的轴向槽内固定的各永磁体的N极指向转子圆心，而位于环形槽另一侧的各永磁体的S极指向转子圆心，如此形成的磁化方向为轴向磁化。

本发明的电机的定子上且与转子所设环槽对应位置設置有励磁线圈，励磁线圈沿转子圆周方向缠绕。

本发明的电磁永磁电机，其特征在于转子上所设的环槽的宽度D满足下式：

$D=\sqrt{\frac{4}{\mathrm{\π}}\·(\frac{U}{K_e\·n}-{\mathrm{\φ}}_Y)/B_L}$

式中U、n分别为额定值电机的额定电压和额定转速；K_e为反电势系数，其取会下值应满足Ke≤0.8；φY为永磁体的磁通；B_L为调节磁场的磁感应强度。

本发明转子上各轴向槽内固定有至少一个永磁体，每个永磁体区域为44°弧长，各永磁体间的调磁极区域为44°弧长，在每个永磁体与调磁极问设有1°弧长的槽隙。本发明转子上设置的永磁体最好为对称六边形，其两个对角α为相等的锐角，另外的四个角β相等的钝角，其取值范围分别为：38°≤α≤52°和128°≤β≤142°。永磁体的固定方式为两个锐角α构成的直线与转子轴向相垂直。相关的试验表明，本发明的每个轴向槽内固定设置四个永磁体为最佳。

本发明的电磁永磁电机的转子上所使用的永磁体最好为钕铁硼稀土永磁材料。

本发明的电磁永磁电机的定子和转子分别用高分子材料密封。

由上述结构还可见本发明的定子上也可不设置励磁线圈，这种情况对应的是励磁电流为零的情况。当然在这种情况下电机的气隙磁密度是无法进行调整的。

由上述结构可见，本发明是一种新的磁路设计。正是这一新的磁路设计，以及采用的高磁密度的永磁材料使本发明具有现的技术所不具备的一系列优点：

1、本发明的电机转子设置环槽，使其两个部分之间用空气隙隔开，这一结构相当于隔磁环，使得相隔的两部分磁路彼此独立，每一部分的磁路均为径向，2个部分磁势并联；这一结构保证了磁场分布的均匀性、对称性，防止了不必要的磁损；同时可以防止励磁线圈上产生新的感生电动势。

2、本发明的转子上的永磁体与调磁极间的槽隙的存在可使气隙导磁发生周期性的变化，在槽内磁密较低，槽外磁密较高，便于产生比较理想的波形；同时可以克服磁场迭加造成的不良效应，减小了附加损耗；同时可以防止轴向电流的产生，消除了附加损失。

3、本发明转子上设置的永磁体采用六边形的几何形状，可以得到一个与正弦波相接近的电压(电流)波形。这一结构还可以保证漏磁最小，能最大限度地消除了谐波影响，减小了电枢反应，防止了不可逆退磁现象的发生，提高了永磁材料的利用率，节省了原材料，降低了电机成本。

4、本发明与现有电励磁电机相比，提高了功率因数和效率，同时克服了稀土永磁电机励磁调节困难的问题，同时可以很容易地实现电机调速。

5、由于本发明电机转子上的永磁体选用钕铁硼稀土永磁材料使其磁性能更为优良，并具有性价比高，不含战略物资Co的优点。

6、本发明的磁路设计新颖，它可以有效地增强工作气隙间的磁通密度，保证大磁间隙内的强磁作用和转矩密度，磁场气隙在6mm左右，而一般情况下稀土永磁电机的磁场气隙通常仅为0.7mm左右，屏蔽电机磁场的气隙最大也只有2.5mm。本发明不仅有较大的磁场气隙，而且其工作效率可以保持原有水平，符合相关的标准，如符合国家标准，同时也为定子和转子的塑封带来便利。

7、本发明的电磁永磁电机的定子和转子结构使其有较大的磁隙，因此可以分别用高分子材料(树脂)进行密封。采用高分子材料对园子和定子进行密封，拓宽了电机的应用领域，特别是在强腐蚀性介质过流条件下表现出强的耐腐蚀性。同时由于对电机的定子与转子采用高分子材料密封，可增强电机的整体性能，并在明显减小电机的振动和噪音，提高了绝缘介质强度，增强了抗击穿能力。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。图2为本发明的原理示意图。图3为本发明的转子展开示意图。图4为本发明的转子结构立体示意图。图5为转子上固定的永磁体形状示意图。图6为永磁贴片在转子与定子的气隙中的磁密分布图。图7和图8分别为励磁电流不同时励磁磁场与旋转磁场关系的示意图，图9为本发明的效率和功率因数曲线图。

图中：1为电机轴；2和8分别是电机的端盖；3为电机的金属壳体；4为密封定子的高分子材料层；5为设于定子上的励磁线圈；6为定子铁芯；7为设于定子上的线圈，也就是三相绕组；9为轴承；10为带有永磁体和调磁极的转子；11为密封转子的高分子材料层；12为永磁体，永磁体12是设置于转子铁芯上所开的轴向槽内；13为转子上的环形槽；14为调磁极；15为调磁极与永磁体间的槽隙；16为转子铁芯。a、b、c分别代表永磁体的各边的长度。

具体实施方式

以下提供本发明的详细解说和实施例：

本发明的基本结构见图1，其中在定子与转子分别用高分子材料，如高分子树脂材料，进行密封处理。

本发明的转子上永磁体和调磁极的设置如图3和图4所示。由图3和图4可见，在转子铁芯16上设置有环形槽13，这一环形槽设置于转子宽度的二分之一处。定子上与环形槽13对应之处设置励磁线圈7。在转子上环形槽的两侧设有沿轴向的轴向槽，且这些轴向槽沿环形槽的两边相错间隔布置。各轴向槽之间为由转子铁芯软铁构成的调磁极14。环形槽13两侧的各轴向槽内分别固定永磁体，其中位于环形槽一侧的各永磁体的N极指向转子圆心，而位于环形槽另一侧的各永磁体的S极指向转子圆心，参见图3和图4。这里所述的固定可以是机械固定，也可以用粘贴方式固定。

定子电枢绕组7为现有技术中常见的三相对称绕组，在定子的铁芯上用环形槽和设于其中的直流励磁绕组5分将其成两段。这两段由其外的背轭，即用于轴向导磁的机壳，在机械上和磁路上连接。直流励磁绕组可采用环型与定子电枢绕组并联连接的方式。

同样，转子也被其上的环形槽13分成两部分，即设置永磁体N极向上的N极端和设置永磁体S极向上的S极端，每极端由同极性永磁体极和由铁心极构成的调磁极交错排列，且两端的N、S永磁体极及调磁极也交错排列，参见附图3和附图4。在转子的铁心与转轴间可设有一由导磁套简构成的转子背轭，用于转子的轴向导磁。

由上所述的结构可知，本发明的电机是混合励磁型。混合励磁是指结构内含有两个磁势源，在本发明中一个磁势源是永磁体，它在工作气隙中产生一个不变的磁通，另一个是直流电励磁绕组，它们的磁通路径相互耦合，工作时，通过调节励磁绕组上电流大小和方向，使得气隙中磁通发生变化，进而实现调速等目的。

由于调磁极上存在两种磁通：一种是当励磁线圈上有励磁电流时形成的励磁磁通，另一种是永磁磁势在调磁极上感应出的永磁磁通，当改变励磁电流方向时，励磁磁通的方向也在改变，由于永磁材料对于外加磁势磁阻很大，因此励磁磁势对永磁体上的磁通影响很小，无论有无励磁电流，永磁极上的磁通均近似为恒定。当直流励磁电流为零时，气隙磁场只由永磁体产生，工作磁通从N极的永磁体发生，经气隙和定子铁芯回到S极永磁体。

本发明的电机定子与转子间形成的径向磁场和轴向磁场相互迭加，在气隙中始终存在着合成磁场，当直流励磁电流形成的磁场与永磁体磁场一致时气隙合成磁场增强，相反则减弱。直流励磁电流在一定值时，气隙合成磁场为零，从而，通过调节励磁电流的大小和方向即可使得气隙磁通发生变化，达到调磁的目的以改变磁通密度和转矩密度。即每对合成磁极(一对永磁极和一对调磁极)的总磁通为φ，如果设永磁通为φ_r，励磁通为φ_f，则有：φ＝2φ_r+φ_f而φf＝K_fI_f

φ＝2φ_r+K_fI_f

上式中，K_f为电流系数，I_f为励磁电流。

其中，φr和K_f为电机结构参数决定的常数，其取值的范围是1.1～1.8，φ_f＝K_fI_f＝0时也就是I_f＝0，电机转速有最大值，即电机的额定转速对应的转矩为电机额定转矩。关于这一点请参见图7和图8。

本发明转子设有沿轴向的槽，其内固定设置的永磁体。永磁体的固定方式可采用镶嵌或粘结的方式，也可采用机械固定的方式。本发明的实施例中所设的永磁体为对称六边形，其两个对角α为相等的锐角，另外的四个角β为相等的钝角，在本发明的实施例所采用的永磁体中α＝41°，β＝142°。这种结构的六边形永磁体的边长b与c是相等的。

永磁体在轴向槽中的固定设置时，其永磁体上两α角形成的直线与转子的轴向相垂直，而永磁体的磁极与轴向相垂直，即磁极指向转子轴的轴芯方向。采用这一结构的永磁体在其转子与定子的气隙中的磁密分布图为图6。显然，永磁体呈六边形，可得到一个与正弦波相接近的电压(电流)波形，可以减小端漏磁，保证漏磁最小，同时可以最大限度地消除了谐波影响，减小电枢反应，防止不可逆退磁现象的发生，并提高永磁材料的利用率。而且这种六边形的永磁体还可以节省了原材料，降低了电机成本。本发明的实施例中每个轴向槽内各设置有四个永磁体。每个永磁体的两个α角间的长度为44°弧长，而各轴向槽间的调磁极区域也为44°弧，在每个永磁体与调磁极间设有1°弧长的槽隙。

以上所述的磁路设计有效地增强了工作气隙间的磁通密度，保证大磁间隙内的强磁作用和转矩密度，磁场气隙在6mm左右。这也为定子和转子进行高分子材料密封提供了必要的条件。

本发明的实施例是1kW样机。永磁体为NdFeB材料，其剩磁Br≈1.2T，磁感应矫顽力H_Cb为845kA/m，内禀矫顽力H_cj为1607kA/m，最大磁能积(BH)max为260kJ/m³；永磁体几何形状如图6所示，在转子上共固定有32块永磁体。

实施例的实测数据出下表：

P2	0.2	0.4	0.6	0.8	1.0	1.2
							η(％)	76.5	80.2	83.6	83.9	83.9	82
COS	0.865	0.887	0.915	0.905	0.895	0.890

其效率和功率因数曲线参见图9。通过改变励磁电流的方向和大小可以改变电机转速。

Claims (7)

1、一种电磁永磁电机，包括：定子铁芯，设于定子铁芯上的三相对称绕组，转子铁芯，固定于转子铁芯上的永磁体，其特征是在转子上位于其宽度的二分之一处设有环型槽，转子上位于环型槽两侧设有沿轴向的槽，且这些轴向槽沿环形槽的两边相错间隔布置，各轴向槽间为由转子铁芯软铁构成的调磁极，环型槽两侧的各轴向槽内分别固定设置有永磁体，其中位于环型槽一侧的各组永磁体的N极指向转子圆心，而位于环槽另一侧的各组永磁体的S极指向转子圆心。

2、根椐权利要求1所述的电磁永磁电机，其特征在于电机的定子上且与转子所设环形槽对应位置設置有励磁线圈，励磁线圈沿转子圆周方向缠绕。

3、根据权利要求1或2所述的电磁永磁电机，其特征在于转子上所设的环型槽的宽度D满足下式：

$D=\sqrt{\frac{4}{\mathrm{\π}}\·(\frac{U}{K_e\·n}-{\mathrm{\φ}}_Y)/B_L}$

式中U为电机额定电压，n为电机额定转速；K_e为反电势系数；

φ_Y为永磁体的磁通；B_L为调节磁场磁感应强度。

4、根据权利要求3所述的电磁永磁电机，其特征在于转子上的各轴向槽内固定有至少一个永磁体，每个永磁体区域为44°弧长，各永磁体间的调磁极区域为44°弧长，在每个永磁体与调磁极间设有1°弧长的槽隙，转子上设置的永磁体为对称六边形，其两个对角α为相等的锐角，另外的四个角β为相等的钝角，其取值范围为38°≤α≤52°和128°≤β≤142°，永磁体在轴向槽内的固定方式为两个锐角α构成的直线与转子轴向相垂直。

5、根据权利要求4所述的电磁永磁电机，其特征在于转子上每个轴向槽内各设置4个永磁体。

6、根据权利要求5所述的电磁永磁电机，其特征在于所使用的永磁体为钕铁硼稀土永磁材料。

7、根据权利要求6所述的电磁永磁电机，其特征在于其定子和转子分别用高分子材料密封。

Images