CN1044178C

CN1044178C - 钕铁硼永磁和软磁混合磁极电机

Info

Publication number: CN1044178C
Application number: CN 91101072
Authority: CN
Inventors: 韦文德; 谢果良
Original assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Priority date: 1991-02-27
Filing date: 1991-02-27
Publication date: 1999-07-14
Anticipated expiration: 2006-02-27
Also published as: CN1056383A

Abstract

本发明是一种钕铁硼永磁和软磁的混合磁极电机，采用极对数P≥2多对极闭合径向磁路，每对极磁路中，只用一个瓦形钕铁硼永磁磁极，另一个磁极用软磁材料，永磁磁极凹凸两曲面的曲率半径相等，所对应的电机气隙是非均匀的，永磁磁极的极弧系数和软磁磁极的极弧系数可以不相等。本发明既可以用于交流同步电机，又可以用于直流电机。这种电机节省了钕铁硼永磁用量和加工费用，具有效率高、体积小、重量轻等特点。

Description

钕铁硼永磁和软磁混合磁极电机

本发明属于电机。

效率高、体积小，重量轻是电机设计追求的几个重要指标。采用永磁磁极激磁的直流电动机效率明显提高，高磁能级钕铁硼永磁材料的问世，更使电机设计的这一追求进入了新时期。但是，目前电机用钕铁硼磁钢的成本和加工手段费用远比铁氧体磁钢贵。即使钕铁硼磁钢按每兆奥斯特高斯磁能和重量来评估，其费用也不能与铁氧体磁钢相竞争。所以在保证电机优良性能的前提下，设计新的电机磁路，降低钕铁硼碰钢的用量和加工成本是很有意义的。已有技术中的混合磁极概念在铁氧体永磁电机中出现过。它指的是电机中的每一个永磁极都是由两种不同磁性的磁体，或拼合而成、或烧结而成，形式多样，目的各异，总之，采用混合磁极是增大电机功率和改善电机性能的有效方法之一。

本发明提供一种钕铁硼永磁和软磁体混合磁极电机，减少钕铁硼磁钢的用量和加工费用，提高电机效率，缩小体积，减轻重量。

本发明钕铁硼永磁和软磁混合磁极电机的磁路结构是这样的，每对极闭合径向磁路中只用一个瓦形钕铁硼永磁磁极(以下有时简称永磁磁极，含义相同)，另一个磁极用软磁材料，永磁磁极凹凸两曲面的曲率半径相等，即气隙曲面的曲率半径等于背气隙曲面的曲率半径，(图1中气隙曲面为凸的，而图2、3中气隙曲面为凹的；凸曲面曲率半径为D₁/2，凹曲面曲率半径为D₀/2)而软磁磁极的凹凸两曲面多半是同心园弧。永磁磁极之下，电机气隙是极中心处小，向极两边缘气隙逐渐增大，是非均匀的。根据需要，软磁磁极的极弧系数可与永磁磁极的极弧系数不相等：电机磁路为多对极结构，极对数P≥2。软磁磁极材料可以用纯铁、硅钢片，坡莫合金等。

本发明钕铁硼永磁和软磁混合磁极电机结构设计的理论依据简述如下：

在永磁电机每对径向磁路中，永磁体产生的磁势，应该同耗散在气隙、齿部、定子和转子磁轭上的总磁势压降之和相平衡。如果磁路中无饱和现象，则工程上可以近似地认为，永磁体产生的磁势全部消耗在气隙磁势压降上，这时的永磁体磁势F₀和气隙磁势压降2F_δ可以用下列公式表达：

F_θ=0.8NLmHc=2F_δ=1.6K_δ.δB_δ式中：

Lm串联在一对极径向磁路中每块永磁体长度(厘米)；

Hc永磁体的矫顽力(奥斯特)；

N径向磁路中串联的永磁体数；

K_δ气隙系数；

δ气隙平均长度(厘米)，一般取0.05厘米左右；

B_δ气隙磁密(高斯)。

由于钕铁硼永磁体的矫顽力Hc高达10000奥斯特，所以每对极径向磁路中，串联的钕铁硼永磁体的总长度NLm实际需要不足1毫米。也就是说，在气隙长度为百微米级的小型电机中，产生符合最大磁能级时的气隙磁密，该电机只需要用与气隙长度同一数量极(百微米级)厚度的钕铁硼永磁体。因此，虽然理论上每对极径向磁路中，钕铁硼永碰体串联数N取为1就完全可以了，而实际上需要再考虑永磁体几何形状的合理性，以及目前制造工艺水平等因素，一块瓦形钕铁硼永磁磁极的最小厚度需要毫米级，这与理论值(百微米级)相差了一个数量级。

本发明中采用了多对极磁路结构，因为瓦形钕铁硼磁极的几何极弧角与极对数成反比，增加电机的极对数，能有效地减小瓦形磁极的极弧角，提高钕铁硼永磁磁极的磁能及材料的利用率。

本发明构思在直流或交流，同步或异步各种电机中都能应用。几个实施例如附图所示。

图1、钕铁硼永磁-软磁混合磁极同步电机。

图2、钕铁硼永磁-软磁混合磁极直流电机。

图3、方形外壳的钕铁硼永磁-软磁混合磁极直流电机。

以下结合附图进一步说明本发明内容细节及其实施例。

图1是按本发明构思设计的一种钕铁硼永磁及软磁混合磁极的交流同步电机，极对数为2；瓦形钕铁硼磁极1极性相同，装在转子磁轭2上：软磁磁极3和转子磁轭2连成一体，可以用硅钢冲片叠装而成或其他软磁材料制成。瓦形钕铁硼磁极和软磁磁极相互同隔且均匀分布。按本发明构思设计的同步电动机，为了启动需要，在软磁磁极极面上配置鼠笼导体条4，电机定子绕组5为三相绕组。该电机中，沿两个软磁磁极下气隙δ是均匀的而钕铁硼永磁极下是非均匀的，磁极中心处为最小气隙，由中心向两边气隙逐渐增大。钕铁硼永磁磁极的极弧系数和软磁磁极的可以不同。

如图1所示，该电机中，软磁磁极的气隙表面(凸曲面)曲率半径为D₀/2，钕铁硼永磁磁极的气隙表面(凸曲面)曲率半径和相对的另一曲面(凹曲面)的曲率半径相等，即都是D₁/2。定子内腔半径为D/2。

还要指出的是，如图1所示电机中，若取消启动用鼠笼导体条，就是一个永磁激磁的同步发电机，可以和风轮机或内燃发动机配套使用，组成辅助能源***。若再加上电子换向器，就成为电子换向无刷直流电动机了。

图2是本发明用作直流电机的实施例。瓦形钕铁硼永磁磁极6和瓦形软磁磁极7装在磁轭机壳8内组成电机定子，瓦形钕铁硼磁极和软磁磁极均匀分布相互间隔，9是电机电枢转子。图2所示为两对磁极，极对数P=2，软磁磁极材料可以采用软铁。

该电机2P≥4个瓦形磁极中，一半(P个)是钕铁硼永磁磁极6，另一半为软磁磁极7。两种磁极形状是不同的，瓦形钕铁硼磁极的气隙曲面(凹曲面)的曲率半径和背气隙的另一曲面(即凸曲面)的曲率半径相等，都等于D₀/2。瓦形软磁磁极的凹曲面和凸曲面为同心园柱面。沿气隙的凹曲面半径为D₁/2=D/2+δ。背气隙的凸曲面半径为D₀/2。在这里，D是转子外径，δ。为非均匀气隙中的永磁极下中心气隙。永磁磁极的极弧系数小于或等于软磁磁极的极弧系数。一般小电机用钕铁硼永磁磁极磁化取向方向的厚度不小于2-3毫米。图2所示实施例的结构方案既可以用于直流电动机，也可以用于直流发电机。

图3是本发明的又一个实施例，是一种方形机壳的直流电机。方形机壳磁轭采用混合磁极而构成电机定子。两对磁极2P=4。两块同极性的瓦形钕铁硼永磁磁极11分别嵌装在方形机壳12的相对两边的中央。方形机壳磁轭在该处的内凹曲面园柱面与永磁磁极的凸曲面园柱面半径相等，配合紧密。永磁极中心处机壳壁厚最小，机壳的其余两相对边中央为软磁磁极13。它和方形机壳磁轭12制成一体，可以用硅钢片冲制而成，或用软磁铁等其它软磁材料制成。方形机壳四角上设有4个安装定位孔10,14为电机的电枢转子。

方形机壳直流电机中，瓦形钕铁硼永磁磁极的凸凹两曲面半径相等。由于与软磁磁极构成一体的方形磁轭(机壳)是冲制而成的，因而软磁磁极与转子之间的气隙可以按设计需要而定。可以用非均匀气隙，也可以用均匀气隙。还应指出的是，方形磁轭内腔内一相对两边中央内凹，瓦形永磁磁极嵌在该处而节省的空间可以安装大尺寸转子，致使电机输出功率加大。从磁路设计来看，磁轭内凹处通过的磁密正巧是偏低的。

本发明混合磁极电机的技术经济效果可以归纳为如下几点：

(1)本发明混合磁极电机和同功率铁氧体永磁电机相比，效率高、体积小、重量轻。

(2)本发明混合磁极电机每对磁极只用一块瓦形钕铁硼磁极，节省了一半钕铁硼材料，并且由于瓦形钕铁硼磁极凹凸两曲面为等曲率半径，当采用电火花线电极切割，从大块钕铁硼材料中加工这种永磁极时，两个磁极可共用一个线切割曲面，从而提高了材料的利用率并节省了加工费用。

(3)本发明电机永磁磁极下为非均匀气隙，最小气隙在磁极中心，这种结构可以降低电机装配精度的要求。

(4)本发明电机采用2P≥4的磁路结构，既减少了极弧机械角，又减小了永磁材料磁场取向和气隙磁场方向之间的夹角，有利于材料和磁能的充分利用。

应当进一步说明：本发明可以应用于两大类高效永磁电机之中，即既可以用作交流同步电机，又可以用作直流电机。更明确地说，交流同步电机中又可以分二种运行状态；(1)交流同步电动机，利用软铁磁极中的鼠笼来异步起动，然后利用钕铁硼永磁激磁作同步运行；(2)交流同步发电机，如永磁风力(或畜力)发电机，电站副励磁机。当用作直流电机时也可以分二种工作状态；(1)永磁直流发电机，多适合作交通运输工具(飞机、轮船、火车、汽车、拖拉机等)中的发电机：(2)永磁直流电动机，如有刷电动机，电子控向无刷电动机，盘式电动机等花样品种特别多，用途也特别广，除在交通运输工具中作电动机外，还可以在电动工具、音响装置、家用电器领域中作驱动电动机之用。

以下，提供一种按图2结构设计的本发明钕铁硼永磁与软磁混合磁极直流电机实例，并将其与同功率铁氧体永磁电机相比较，更具体说明本发明电机的效果。

(1)性能参数额定电压 12伏额定电流 ≤4.2A额定转矩 1000克厘米输出功率 30瓦工作转速＞3000每分转电机效率＞60％电机寿命＞1200小时(2)结构参数极对数P 2(2P=4)对瓦形钕铁硼磁极 2个瓦形软铁磁极 2个瓦形钕铁硼磁极凸曲面直径D₀=6.4厘米瓦形软磁磁极凹曲面直径D₁=5.8厘米极弧系数α_τ=0.7电枢外径D=5.75厘米(3)相同功率(30瓦)两种永磁直流电动机比较数据如下：电机类型钕铁硼混合磁极铁氧体磁钢重量 35克 80克电机效率 ≥60％ ≥50％体积(φ×L) φ6.9×7.2厘米 φ6.95×9.2厘米电机重量 1000克 1100克

Claims

1、一种钕铁硼永磁和软磁混合磁极的交流同步电动机，为多对极闭合径向磁路，每对极中一块是瓦形钕铁硼永磁磁极，另一块是瓦形软磁磁极，永磁磁极极性相同和软磁磁极相互间隔，其特征在于极对数P≥2，瓦形钕铁硼永磁磁极的内外两曲面，即凸曲面和凹曲面的曲率半径相等，瓦形钕铁硼永磁磁极的极弧系数和瓦形软磁磁极的极弧系数不等，软磁磁极和转子磁轭连成一体，在软磁磁极上配置鼠笼导体条，电机定子为三相绕组。

2、如权利要求1所述的钕铁硼永磁和软磁混合磁极的交流同步电动机，其特征是软磁磁极用硅钢片冲片叠装而成，或用纯铁或坡莫合金制成。