表面式概念永磁電機的內置式轉子的製作方法

2023-10-17 05:20:49

專利名稱：表面式概念永磁電機的內置式轉子的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種永磁電機的轉子，特別是一種表面式概念永磁電機的內置式轉子。
背景技術：
探索、選擇合理的轉子結構是永磁電機設計的核心問題之一，它對高性能的永磁電機製造工藝的簡化、生產成本的降低、設計的優化具有重要的意義。永磁電機的轉子結構多種多樣，就其整體而言，最常用的為表面式(Surface Mounted PermanentMagnet，簡稱SPM)轉子結構和內置式(Interior Permanent Magne，簡稱IPM)轉子結構兩大類。
表面式轉子結構的特點是凸極率ρ＝Lq/Ld＝1，無磁阻轉矩，等效氣隙大，電樞反應小，動態性能好，常用於伺服電機和牽引電機中。表面式轉子永磁體通常呈瓦片形，安置於轉子鐵芯的表面，一般需要在永磁體外表面套以起保護作用的非磁性箍筒，或包以無緯玻璃絲帶作保護層。這種結構永磁體形狀複雜、加工費用大，並導致轉子成本增加和表面損耗增加。
內置式轉子將永磁體嵌入轉子鐵芯內，加工工藝簡單，形狀規則，凸極率不等於1，適合於寬調速場合。

發明內容
本發明的目的在於提供一種表面式概念永磁電機的內置式轉子，使內置式轉子具有表面式永磁電機的性能特徵。
為了達到上述目的，本發明的構思是提出一種表面式概念永磁電機，採用內置式的轉子結構，但具有表面式永磁電機的性能特徵。即將常規永磁電機每對極二塊異極性永磁體用每對極一塊同極性的永磁體替代，永磁體嵌入到轉子鐵芯內，既可簡化加工工藝，避免永磁體表面加保護層，又可減少永磁體用量，降低成本。
根據上述發明構思，本發明採用下述技術方案一種表面式概念永磁電機的內置式轉子，包括轉子鐵芯和永磁體，其特徵在於(1)所有的永磁體極性相同，永磁體的塊數與電機的極對數相同；(2)永磁體嵌入轉子鐵芯內；
(3)永磁體兩側的轉子表面設置凹坑。
上述的永磁體的形狀為長方形。
上述的永磁體兩側轉子表面凹坑的形狀與位置，應根據公知的電機設計原理和電磁理論進行計算，使電機的直軸電抗與交軸電抗數值相等，並起到隔磁橋的作用。
上述的轉子鐵芯外形和氣隙分布，應根據公知的電機設計原理和電磁理論，據電機對氣隙磁場的要求確定，以產生正弦波氣隙磁場或梯形波氣隙磁場。
其原理如下由於每對極只有一塊永磁體，假設永磁體為N極，電機主磁通路徑為永磁極→轉子鐵芯上部軛→氣隙→定子鐵芯→氣隙→轉子鐵芯極→轉子鐵芯下部軛→回到永磁體。磁場路徑與常規電機相似，每對極磁路保持對稱。不同之處在於每對極二塊異極性永磁體改為每對極一塊同極性永磁體後，這塊永磁體提供一對極所需要的磁勢。為了控制交軸磁場的大小，在永磁體兩側的轉子鐵芯表面處設置凹坑，由電磁場分析精確計算凹坑的形狀與大小，以保證交軸電抗與直軸電抗相等，凸極率接近1，使內置式永磁體的轉子結構具有表面式永磁電機的性能特徵；同時，凹坑的存在，可以避免永磁磁通直接通過轉子鐵芯閉合形成漏磁，起到常規內置式永磁電機隔磁橋的作用。
本發明與現有技術相比，具有如下顯而易見的突出實質性特點和顯著優點(1)從電磁設計角度來講，常規永磁電機中永磁體的厚度雖然只需提供一個極磁勢值和抗去磁能力，但大多數情況下永磁體的厚度取決於機械強度的要求。採用每對極一塊永磁體後，永磁體厚度取決於一對極所需的磁勢和抗去磁能力，一般情況下機械強度均能滿足要求。所以，採用該結構後，永磁體材料減少，形狀為簡單的長方形，數量減少一半，加工方便、費用降低，成本降低。
(2)永磁體嵌入轉子鐵芯內，毋需像表面式永磁電機那樣在永磁體外加非磁性箍筒或無緯玻璃絲帶作保護層，簡化加工工藝，避免表面損耗及高速運行時無緯玻璃絲帶的可能的損壞，提高了電機的可靠性。
(3)對要求非均勻氣隙產生正弦波磁場的情況，表面式轉子結構永磁體加工難度高，精度難以保證，永磁體材料用量大；本發明提出的內置式永磁體形狀規則，加工成本低，非均勻氣隙由轉子衝片形狀確定，精度容易控制，適合應用在高性能伺服系統中。


圖1現有技術的表面式永磁電機轉子的結構示意圖。
圖2表面式概念永磁電機內置式轉子的結構示意圖。
圖3表面式概念永磁電機內置式轉子直軸磁路圖。
圖4表面式概念永磁電機內置式轉子交軸磁路圖。
圖5表面式概念永磁電機內置式轉子極間漏磁路圖。
圖6表面式概念永磁電機非均勻氣隙轉子的結構示意圖。
具體實施方法下面結合附圖和一個優選實施實例對本發明的表面式概念永磁電機的內置式轉子作進一步詳細說明已有技術的表面式轉子如圖1所示(以四極電機為例)，瓦片形的N極(3)與S極(1)交替放置在轉子鐵芯(2)表面。
本實施例的表面式概念永磁電機的內置式轉子如圖2所示，與表面式轉子結構相比，永磁體塊數減少一半、極性相同、形狀為規則的長方形永磁體(4)(N極或S極)均勻分布地嵌入到轉子鐵芯(7)內，每個永磁體的兩側設置凹坑(5)、(6)。直軸磁路路徑為永磁體N極(4)出發，經過轉子鐵芯上部軛(9)、氣隙、定子鐵芯(8)、氣隙、轉子鐵芯極(10)、轉子鐵芯下部軛(11)回到永磁體(4)，具體如圖3所示。交軸磁路路徑為轉子鐵芯(7)、凹坑(5)、氣隙、定子(8)、氣隙、凹坑(6)形成迴路，具體如圖4所示。
凹坑(5)、(6)的形狀與位置需要根據電機尺寸，依據公知的電機設計原理和磁場理論，來進行電磁場分析計算凹坑(5)、(6)與永磁體端部之間的間隙按內置式轉子結構中隔磁橋的要求確定(圖5所示)；凹坑(5)、(6)的寬度由極弧係數的要求確定；凹坑(5)、(6)的深度由凸極率決定，一般要求電機直軸與交軸磁阻近似相等。
轉子鐵芯外形尺寸由氣隙磁場波形要求確定矩形或梯形波氣隙磁場採用均勻氣隙；正弦波氣隙磁場採用非均勻氣隙，具體形狀與尺寸需經磁場計算確定，具體如圖6所示。
權利要求
1.一種表面式概念永磁電機的內置式轉子，包括轉子鐵芯(7)和永磁體(4)，其特徵在於(1)所有的永磁體(4)極性相同，永磁體(4)的塊數與電機的極對數相同；(2)永磁體(4)嵌入轉子鐵芯(7)內；(3)永磁體(4)兩側的轉子表面設置凹坑(5、6)。
2.根據權利要求1所述的表面式概念永磁電機的內置式轉子，其特徵在於永磁體(4)的形狀為長方形。
3.根據權利要求1或2所述的表面式概念永磁電機的內置式轉子，其特徵在於永磁體兩側轉子表面凹坑(5、6)的形狀與位置，應使電機的直軸電抗與交軸電抗數值相等，並起到隔磁橋的作用。
4.根據權利要求3所述的表面式概念永磁電機的內置式轉子，其特徵在於轉子鐵芯(7)外形和氣隙分布應能產生正弦波氣隙磁場或梯形波氣隙磁場。
全文摘要
本發明涉及一種表面式概念永磁電機的內置式轉子。它將常規永磁電機每對極二塊異極性永磁體用每對極一塊同極性、形狀規則的永磁體替代，嵌入到轉子鐵芯內，每塊永磁體兩側的轉子鐵芯表面設置凹坑，使電機的直軸與交軸電抗相等，並起到隔磁橋的作用。該轉子是一個具有表面式永磁電機性能特徵的內置式轉子，避免在永磁體表面使用保護層，能使永磁體加工簡單、數量減半，成本降低，是一種低成本、高性能和高可靠性的永磁電機轉子結構。
文檔編號H02K1/27GK1832301SQ20061002523
公開日2006年9月13日 申請日期2006年3月30日 優先權日2006年3月30日
發明者黃蘇融, 張琪, 謝國棟 申請人:上海大學