CN107124053A - 一种采用混合永磁体的交替极永磁电机转子 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用混合永磁体的交替极永磁电机转子，包括转子铁心段、导磁环、高能量密度永磁体和低能量密度永磁体，相邻两个转子铁心段之间同轴设置一个导磁环；交替极永磁电机转子能作为内转子，也能作为外转子。每个转子铁心段的外表面或内表面沿周向均匀布设有p个弧形的外凸极，其中，p为电机极对数；相邻两个外凸极之间形成一个外弧形槽，每个外弧形槽内布设一个高能量密度永磁体；每个转子铁心段的内侧或外侧圆环面上沿周向均匀布设有n个内弧形槽，且n≥p；每个内弧形槽内布设一个低能量密度永磁体。本发明能在节省电机成本和削弱交替极表面式永磁电机转轴漏磁的同时，进一步提高交替极表面式永磁电机的转矩输出能力。

Description

一种采用混合永磁体的交替极永磁电机转子
技术领域
本发明涉及电机设计领域，特别是一种采用混合永磁体的交替极永磁电机转子。
背景技术
永磁电机具有高转矩密度和高效率，已经广泛应用于医疗器械、家用电器、电动汽车、风力发电和航空航天等领域。不同的永磁电机转子结构，使得磁路不同，这就使得电机性能、控制***、制造工艺和适用场合也不同。根据永磁同步电机的坐标变换理论，表面式永磁电机的直轴磁路和交轴磁路。直轴磁路：永磁体→气隙→定子铁心→气隙→相邻的永磁体→转子铁心→回到永磁体。(图中定子铁心和气隙没有画出，但是行业内都知道)。交轴磁路：两个永磁体的边界处→气隙→定子铁心→气隙→相邻的两个永磁体的边界处→转子铁心→回到开始两个永磁体的边界处。
可见，其直轴磁路的磁阻与交轴磁路的磁阻相等，所以其直轴电感等于交轴电感。
永磁同步电机的电磁转矩Te表达式，如式(a)所示。
式(a)中，p为电机的极对数，ψpm为永磁磁链，Ld和Lq分别为直轴电感和交轴电感，id和iq分别为电枢绕组的直轴电流和交轴电流。Ia是正弦相电流的峰值，β是电流相位角。Tpm和Tr分别是永磁转矩分量和磁阻转矩分量。
由于表面式永磁电机的直轴电感等于交轴电感，所以其磁阻转矩分量为0。只含有永磁转矩分量，即表面式永磁电机的电磁转矩Te表达式，可由式(b)所示。
表面式永磁电机转子的制造工艺简单，其输出转矩中不含有磁阻转矩分量，故控制方法简单，广泛应用于机床、机器人和医疗器械等伺服传动场合。传统的表面式永磁电机使用大量价格较高的稀土永磁材料，是其生产成本较高的主要原因。为了降低其成本，申请号为200710010915.0的发明专利，提供了一种表面式永磁伺服电机转子，永磁体与“假极”交替布置，永磁体的数量仅为传统表面式永磁电机的一半，节省了永磁材料，从而降低了电机的总成本。
然而，正如IEEE磁学会刊发表的文章：Comparative Analysis of End Effect inPartitioned Stator Flux Reversal Machines Having Surface-Mounted andConsequent Pole Permanent Magnets，所指出的，交替极结构的永磁电机，其端部漏磁比较严重。
另外，交替极表面式永磁电机的转轴端部会有单极性漏磁，使得电机的转轴端部发生磁化，这将对整个电机***的可靠性和安全性产生影响。发明专利201611011019.1提出采用转子分段的方法，在转子和转轴内部提供漏磁路径，削弱了转轴端部的磁化。然而，两段转子交界处的漏磁会降低转矩输出能力，永磁体的利用率较低。
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，而提供一种采用混合永磁体的交替极永磁电机转子，该采用混合永磁体的交替极永磁电机转子能在节省电机成本和削弱交替极表面式永磁电机转轴漏磁的同时，进一步提高交替极表面式永磁电机的转矩输出能力。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种采用混合永磁体的交替极永磁电机转子，包括转子铁心段、导磁环、高能量密度永磁体和低能量密度永磁体。
转子铁心段至少有两个，且均同轴设置；相邻两个转子铁心段之间同轴设置一个导磁环。
交替极永磁电机转子能作为内转子，也能作为外转子。
当交替极永磁电机转子作为内转子时，布设方式包括。
1)转子铁心段和导磁环均同轴套装在转轴上。
2)每个转子铁心段的外表面沿周向均匀布设有p个弧形的外凸极，其中，p为电机极对数；相邻两个外凸极之间形成一个外弧形槽，每个外弧形槽内布设一个外瓦片式永磁体，每个外瓦片式永磁体均为高能量密度永磁体。
3)每个转子铁心段的内侧圆环面上沿周向均匀布设有n个内弧形槽，且n≥p；每个内弧形槽的内径均大于转子铁心段的内径，相邻两个内弧形槽之间的转子铁心段构成内加强筋；每个内弧形槽内布设一个内瓦片式永磁体，每个内瓦片式永磁体均为低能量密度永磁体。
当交替极永磁电机转子作为外转子时，布设方式包括。
(1)每个转子铁心段的外侧圆环面上沿周向均匀布设有n个外弧形槽，且n≥p；每个外弧形槽的外径均小于转子铁心段的外径，相邻两个外弧形槽之间的转子铁心段构成外加强筋；每个外弧形槽内布设一个外瓦片式永磁体，每个外瓦片式永磁体均为低能量密度永磁体；
(2)每个转子铁心段的内表面沿周向均匀布设有p个弧形的的内凸极，相邻两个内凸极之间形成一个内弧形槽，每个内弧形槽内布设一个内瓦片式永磁体，每个内瓦片式永磁体均为高能量密度永磁体。
交替极永磁电机转子无论作为内转子，还是作为外转子，均还具有如下布设方式。
相邻两个转子铁心段上的高能量密度永磁体沿周向偏移的电周期角度为360°/2p。
位于同一个转子铁心段上的所有外瓦片式永磁体的充磁方向一致，位于同一个转子铁心段上的所有内瓦片式永磁体的充磁方向一致，位于同一个转子铁心段上的外瓦片式永磁体和内瓦片式永磁体的充磁方向相反。
相邻两个转子铁心段上的外瓦片式永磁体的充磁方向相反；相邻两个转子铁心段上的内瓦片式永磁体的充磁方向相反。
每个外瓦片式永磁体和每个内瓦片式永磁体的两侧均设置有隔磁槽。
高能量密度永磁体两侧的隔磁槽的系数其中θb1为高能量密度永磁体两侧的隔磁槽的圆心角，θm1为高能量密度永磁体的圆心角；kc1取值范围为0-0.2。
低能量密度永磁体两侧的隔磁槽的系数其中θb2为低能量密度永磁体两侧的隔磁槽的圆心角，kc2取值范围在0-0.2之间。
导磁环的外周或内周同轴套设有轴向充磁永磁体；假设轴向充磁永磁体的外径为r1，高能量密度永磁体的外径为r3，高能量密度永磁体的内径为r4，则r3≤r1≤r4。
位于同一个转子铁心段两侧的两个轴向充磁永磁体的充磁方向相反。
导磁环的轴向长度系数其中La为导磁环的轴向长度，Lef为电机整机的有效轴向长度；ka取值范围为0-0.1。
高能量密度永磁体的极弧系数αp1＝θm1p/(2π)，其中θm1为高能量密度永磁体的圆心角，αp1取值范围为0.35-0.75。
低能量密度永磁体的极弧系数αp2＝θm2n/(2π)，其中n为低能量密度永磁体槽的个数，θm2为低能量密度永磁体的圆心角，αp2取值范围为0.7-0.99。
高能量密度永磁体为钕铁硼，低能量密度永磁体为铁氧体。
本发明采用上述结构后，能在节省电机成本和削弱交替极表面式永磁电机转轴漏磁的同时，进一步提高交替极表面式永磁电机的转矩输出能力。
附图说明
图1显示了本发明作为内转子时转子铁心段的二维结构示意图。
图2显示了本发明作为内转子时相邻两个转子铁心段中永磁体充磁方向二维示意图。
图3显示了本发明作为内转子且不含轴向充磁永磁体时的三维结构示意图。
图4显示了本发明作为内转子时转轴端部漏磁磁通路径图。
图5显示了本发明作为内转子时低能量密度永磁体的主磁通路径图。
图6显示了本发明作为内转子且含有轴向充磁永磁体时的三维结构示意图。
图7显示了本发明作为外转子时相邻两个转子铁心段中永磁体充磁方向二维示意图。
图8显示了本发明作为外转子时的三维结构示意图。
图9显示了本发明与现有技术电机的电磁转矩对比(半个电周期)。
其中有：
10.转子铁心段；11.外凸极；12.外弧形槽；13.内加强筋；14.内弧形槽；15.隔磁槽；16.内凸极；17.外加强筋；
21.高能量密度永磁体；22.低能量密度永磁体；
30.导磁环；31.轴向充磁永磁体；
40.转轴；50.转轴端部漏磁磁通路径；60.主磁通路径。
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。
本发明以10极电机(5对极，即p＝5)为例，分别以作为内转子和外转子单独进行说明。
一、交替极永磁电机转子作为内转子使用
如图1至图6所示，一种采用混合永磁体的交替极永磁电机转子，包括转子铁心段10、导磁环30、高能量密度永磁体21和低能量密度永磁体22。
高能量密度永磁体优选为钕铁硼，低能量密度永磁体优选为铁氧体。
转子铁心段至少有两个，相邻两个转子铁心段之间同轴设置一个导磁环。
本发明中将以两个转子铁心段为例进行详细说明，导磁环将为1个。两个转子铁心段和一个导磁环均同轴套装在转轴上。
每个转子铁心段的外表面沿周向均匀布设有p个弧形的外凸极，其中，p为电机极对数，本发明中p＝5。
相邻两个外凸极之间形成一个外弧形槽，每个外弧形槽内布设一个外瓦片式永磁体，每个外瓦片式永磁体均为高能量密度永磁体。
每个转子铁心段的内侧圆环面上沿周向均匀布设有n个内弧形槽，且n≥p，本发明中，优选n＝5。
每个内弧形槽的内径均大于转子铁心段的内径。
相邻两个内弧形槽之间的转子铁心段构成内加强筋13；每个内弧形槽内布设一个内瓦片式永磁体，每个内瓦片式永磁体均为低能量密度永磁体。
相邻两个转子铁心段上的外瓦片式永磁体(也即高能量密度永磁体)沿周向偏移的电周期角度为360°/2p，本发明优选为36°。
如图2所示，位于同一个转子铁心段上的所有外瓦片式永磁体的充磁方向一致，位于同一个转子铁心段上的所有内瓦片式永磁体的充磁方向一致，位于同一个转子铁心段上的外瓦片式永磁体和内瓦片式永磁体的充磁方向相反。
相邻两个转子铁心段上的外瓦片式永磁体的充磁方向相反；相邻两个转子铁心段上的内瓦片式永磁体的充磁方向相反。
每个外瓦片式永磁体和每个内瓦片式永磁体的两侧均设置有隔磁槽15。
外瓦片式永磁体两侧的隔磁槽的系数其中θb1为外瓦片式永磁体两侧的隔磁槽的圆心角，θm1为外瓦片式永磁体的圆心角；kc1取值范围为0-0.2。
内瓦片式永磁体两侧的隔磁槽的系数其中θb2为内瓦片式永磁体两侧的隔磁槽的圆心角，kc2取值范围在0-0.2之间。
导磁环的外周同轴套设有轴向充磁永磁体31，轴向充磁永磁体31既可以是高能量密度永磁体，也可以是低能量密度永磁体，本发明中优选为高能量密度永磁体。
如图9所示，轴向充磁永磁体31的设置，能大幅提高交替极永磁电机的转矩输出能力。
假设轴向充磁永磁体的外径为r1，高能量密度永磁体的外径为r3，高能量密度永磁体的内径为r4，则r3≤r1≤r4。
位于同一个转子铁心段两侧的两个轴向充磁永磁体的充磁方向相反。
导磁环的轴向长度系数其中La为导磁环的轴向长度，Lef为电机整机的有效轴向长度，也就是所有转子铁心轴长加上导磁环的轴长；ka取值范围为0-0.1。
外瓦片式永磁体的极弧系数αp1＝θm1p/(2π)，其中θm1为外瓦片式永磁体的圆心角，αp1取值范围为0.35-0.75。
内瓦片式永磁体的极弧系数αp2＝θm2n/(2π)，其中n为内瓦片式永磁体槽的个数，θm2为内瓦片式永磁体的圆心角，αp2取值范围为0.7-0.99。
在交替极永磁电机的内侧设置有内弧形槽，用于放置低能量密度永磁体。由于内弧形槽的存在，所以外瓦片式永磁体通过转轴端部的漏磁的磁通路径中的磁阻变大，因此由外瓦片式永磁体产生的转轴端部的漏磁降低了，如图4所示的转轴端部漏磁磁通路径50。由于内瓦片式永磁体也采用单极性充磁，所以相邻两段的低能量密度永磁体的充磁方向相反，这样磁路可以通过定子铁心、两段转子铁心和导磁环构成闭合的回路：一段内瓦片式永磁体→外凸极→气隙→定子铁心→气隙→另一段外凸极→另一段内瓦片式永磁体→导磁环→回到开始的内瓦片式永磁体，如图5所示的内瓦片式永磁体的主磁通路径60。正是因为内瓦片式永磁体的主磁通路径经过导磁环闭合，其产生的转轴端部漏磁很小。另外，内瓦片式永磁体可以进一步增加电机的主磁通，从而提高交替极永磁电机的转矩输出能力。如图9所示，本发明的电磁转矩远高于背景技术201611011019.1中的电磁转矩。
二、交替极永磁电机转子作为外转子使用
如图7和图8所示，一种采用混合永磁体的交替极永磁电机转子，也包括转子铁心段10、导磁环30、高能量密度永磁体21和低能量密度永磁体22。
转子铁心段至少有两个，相邻两个转子铁心段之间同轴设置一个导磁环。
本发明中将以两个转子铁心段为例进行详细说明，导磁环将为1个。
定子同轴固定套装在固定轴的外周，两者形成为一体结构；固定轴两端分别从定子两端伸出，并且固定轴的两个伸出端各套装一个轴承。
两个转子铁心段和一个导磁环均同轴套设在定子外周，并且通过支撑体同轴安装在轴承上。
每个转子铁心段的内表面沿周向均匀布设有p个弧形的的内凸极，本发明中优选p＝5。
相邻两个内凸极之间形成一个内弧形槽，每个内弧形槽内布设一个内瓦片式永磁体，每个内瓦片式永磁体均为高能量密度永磁体。
每个转子铁心段的外侧圆环面上沿周向均匀布设有n个外弧形槽，且n≥p，本发明中优选n＝5。
每个外弧形槽的外径均小于转子铁心段的外径，相邻两个外弧形槽之间的转子铁心段构成外加强筋17。
每个外弧形槽内布设一个外瓦片式永磁体，每个外瓦片式永磁体均为低能量密度永磁体。
相邻两个转子铁心段上的内瓦片式永磁体(也即高能量密度永磁体)沿周向偏移的电周期角度为360°/2p，本发明优选为36°。
如图7所示，位于同一个转子铁心段上的所有外瓦片式永磁体的充磁方向一致，位于同一个转子铁心段上的所有内瓦片式永磁体的充磁方向一致，位于同一个转子铁心段上的外瓦片式永磁体和内瓦片式永磁体的充磁方向相反。
相邻两个转子铁心段上的外瓦片式永磁体的充磁方向相反；相邻两个转子铁心段上的内瓦片式永磁体的充磁方向相反。
每个外瓦片式永磁体和每个内瓦片式永磁体的两侧均设置有隔磁槽15。
高能量密度永磁体两侧的隔磁槽的系数其中θb1为高能量密度永磁体两侧的隔磁槽的圆心角，θm1为高能量密度永磁体的圆心角；kc1取值范围为0-0.2。
低能量密度永磁体两侧的隔磁槽的系数其中θb2为低能量密度永磁体两侧的隔磁槽的圆心角，kc2取值范围在0-0.2之间。
导磁环的内周同轴套设有轴向充磁永磁体，轴向充磁永磁体既可以是高能量密度永磁体，也可以是低能量密度永磁体，本发明中优选为高能量密度永磁体。
如图9所示，轴向充磁永磁体31的设置，能大幅提高交替极永磁电机的转矩输出能力。
假设轴向充磁永磁体的外径为r1，高能量密度永磁体的外径为r3，高能量密度永磁体的内径为r4，则r3≤r1≤r4。
位于同一个转子铁心段两侧的两个轴向充磁永磁体的充磁方向相反。
导磁环的轴向长度系数其中La为导磁环的轴向长度，Lef为电机整机的有效轴向长度；ka取值范围为0-0.1。
高能量密度永磁体的极弧系数αp1＝θm1p/(2π)，其中θm1为高能量密度永磁体的圆心角，αp1取值范围为0.35-0.75。
低能量密度永磁体的极弧系数αp2＝θm2n/(2π)，其中n为低能量密度永磁体槽的个数，θm2为低能量密度永磁体的圆心角，αp2取值范围为0.7-0.99。
作为外转子时，在交替极永磁电机的外侧设置有外弧形槽，用于放置低能量密度永磁体。由于外弧形槽的存在，所以内瓦片式永磁体通过固定轴端部的漏磁的磁通路径中的磁阻变大，因此由内瓦片式永磁体产生的固定轴端部的漏磁降低了。由于外瓦片式永磁体也采用单极性充磁，所以相邻两段的低能量密度永磁体的充磁方向相反，外瓦片式永磁体的主磁通路径经过导磁环闭合，其产生的固定轴端部漏磁很小。另外，外瓦片式永磁体可以进一步增加电机的主磁通，从而提高交替极永磁电机的转矩输出能力。
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 (10)

1.一种采用混合永磁体的交替极永磁电机转子，其特征在于：包括转子铁心段、导磁环、高能量密度永磁体和低能量密度永磁体；
转子铁心段至少有两个，且均同轴设置；相邻两个转子铁心段之间同轴设置一个导磁环；
交替极永磁电机转子能作为内转子，也能作为外转子；
当交替极永磁电机转子作为内转子时，布设方式包括：
1)转子铁心段和导磁环均同轴套装在转轴上；
2)每个转子铁心段的外表面沿周向均匀布设有p个弧形的外凸极，其中，p为电机极对数；相邻两个外凸极之间形成一个外弧形槽，每个外弧形槽内布设一个外瓦片式永磁体，每个外瓦片式永磁体均为高能量密度永磁体；
3)每个转子铁心段的内侧圆环面上沿周向均匀布设有n个内弧形槽，且n≥p；每个内弧形槽的内径均大于转子铁心段的内径，相邻两个内弧形槽之间的转子铁心段构成内加强筋；每个内弧形槽内布设一个内瓦片式永磁体，每个内瓦片式永磁体均为低能量密度永磁体；
当交替极永磁电机转子作为外转子时，布设方式包括：
(1)每个转子铁心段的外侧圆环面上沿周向均匀布设有n个外弧形槽，且n≥p；每个外弧形槽的外径均小于转子铁心段的外径，相邻两个外弧形槽之间的转子铁心段构成外加强筋；每个外弧形槽内布设一个外瓦片式永磁体，每个外瓦片式永磁体均为低能量密度永磁体；
(2)每个转子铁心段的内表面沿周向均匀布设有p个弧形的的内凸极，相邻两个内凸极之间形成一个内弧形槽，每个内弧形槽内布设一个内瓦片式永磁体，每个内瓦片式永磁体均为高能量密度永磁体；
交替极永磁电机转子无论作为内转子，还是作为外转子，均还具有如下布设方式：
相邻两个转子铁心段上的高能量密度永磁体沿周向偏移的电周期角度为360°/2p；
位于同一个转子铁心段上的所有外瓦片式永磁体的充磁方向一致，位于同一个转子铁心段上的所有内瓦片式永磁体的充磁方向一致，位于同一个转子铁心段上的外瓦片式永磁体和内瓦片式永磁体的充磁方向相反；
相邻两个转子铁心段上的外瓦片式永磁体的充磁方向相反；相邻两个转子铁心段上的内瓦片式永磁体的充磁方向相反。
2.根据权利要求1所述的采用混合永磁体的交替极永磁电机转子，其特征在于：每个外瓦片式永磁体和每个内瓦片式永磁体的两侧均设置有隔磁槽。
3.根据权利要求2所述的采用混合永磁体的交替极永磁电机转子，其特征在于：高能量密度永磁体两侧的隔磁槽的系数其中θb1为高能量密度永磁体两侧的隔磁槽的圆心角，θm1为高能量密度永磁体的圆心角；kc1取值范围为0-0.2。
4.根据权利要求2所述的采用混合永磁体的交替极永磁电机转子，其特征在于：低能量密度永磁体两侧的隔磁槽的系数其中θb2为低能量密度永磁体两侧的隔磁槽的圆心角，kc2取值范围在0-0.2之间。
5.根据权利要求1所述的采用混合永磁体的交替极永磁电机转子，其特征在于：导磁环的外周或内周同轴套设有轴向充磁永磁体；假设轴向充磁永磁体的外径为r1，高能量密度永磁体的外径为r3，高能量密度永磁体的内径为r4，则r3≤r1≤r4。
6.根据权利要求5所述的采用混合永磁体的交替极永磁电机转子，其特征在于：位于同一个转子铁心段两侧的两个轴向充磁永磁体的充磁方向相反。
7.根据权利要求1所述的采用混合永磁体的交替极永磁电机转子，其特征在于：导磁环的轴向长度系数其中La为导磁环的轴向长度，Lef为电机整机的有效轴向长度；ka取值范围为0-0.1。
8.根据权利要求1所述的采用混合永磁体的交替极永磁电机转子，其特征在于：高能量密度永磁体的极弧系数αp1＝θm1p/(2π)，其中θm1为高能量密度永磁体的圆心角，αp1取值范围为0.35-0.75。
9.根据权利要求1所述的采用混合永磁体的交替极永磁电机转子，其特征在于：低能量密度永磁体的极弧系数αp2＝θm2n/(2π)，其中n为低能量密度永磁体槽的个数，θm2为低能量密度永磁体的圆心角，αp2取值范围为0.7-0.99。
10.根据权利要求1所述的采用混合永磁体的交替极永磁电机转子，其特征在于：高能量密度永磁体为钕铁硼，低能量密度永磁体为铁氧体。
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