一種開槽式永磁體及軸向、徑向磁通永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種開槽式永磁體及軸向、徑向磁通永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子，永磁體上表面設(shè)置有橫向槽和縱向槽，橫向槽和縱向槽的寬度均相等，橫向槽和縱向槽的深度均等于電機(jī)中產(chǎn)生渦流損耗的高次諧波在永磁體中的透入深度，橫向槽等距離均勻設(shè)置，縱向槽與橫向槽相交且等距離均勻設(shè)置；軸向磁通永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子，縱向槽過圓心且沿周向等距離均勻設(shè)置，橫向槽與縱向槽相交且沿徑向等距離均勻設(shè)置；徑向磁通永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子，縱向槽平行于軸線且沿周向等距離均勻設(shè)置，橫向槽與縱向槽垂直相交且沿徑向等距離均勻設(shè)置。本發(fā)明在不增加電機(jī)制造工藝難度和制造成本的基礎(chǔ)上，能夠限制高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子永磁體中的渦流路徑，減少渦流損耗。
【專利說明】
一種開槽式永磁體及軸向、徑向磁通永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種永磁體及電機(jī)轉(zhuǎn)子，更具體的說，是涉及一種開槽式永磁體及軸 向、徑向磁通永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子。
【背景技術(shù)】
[0002] 高速永磁電機(jī)具有轉(zhuǎn)速高、效率和功率密度大、幾何尺寸遠(yuǎn)小于輸出功率相同的 中低速電機(jī)、轉(zhuǎn)動慣量小、動態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于航空航天、能源及精密制造等 領(lǐng)域。
[0003] 高速永磁電機(jī)的特點可以概括為：（1)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速高達(dá)每分鐘數(shù)萬轉(zhuǎn)甚至 十幾萬轉(zhuǎn)，圓周速度可達(dá)200m/s以上；（2)定子繞組電流和鐵心中磁通的高頻率，一般在 1000Hz以上。由此，在高速永磁電機(jī)設(shè)計過程中需著重關(guān)注轉(zhuǎn)子的渦流損耗、轉(zhuǎn)子的機(jī)械強(qiáng) 度、定子銅耗等問題。
[0004] 針對于轉(zhuǎn)子渦流損耗問題，由于高速永磁同步電機(jī)諧波頻率較高，且定子開槽、定 子磁勢的空間和時間諧波的存在，產(chǎn)生相對于轉(zhuǎn)子異步旋轉(zhuǎn)的諧波磁場，產(chǎn)生渦流及渦流 損耗。盡管與定子鐵心損耗以及繞組銅耗相比，轉(zhuǎn)子渦流損耗較小，但是轉(zhuǎn)子散熱條件差， 轉(zhuǎn)子渦流損耗可能會引起轉(zhuǎn)子較高的溫升。永磁材料性能與溫度有關(guān)，尤其是對于居里點 較低、電導(dǎo)率較高、溫度系數(shù)較大的釹鐵硼材料，過高的溫度會使釹鐵硼高速永磁電機(jī)性能 下降，甚至引起磁鋼的不可逆退磁而損壞電機(jī)。
[0005] 申請?zhí)枮?01510046487.1的中國專利永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子，將永磁體分段，能夠有效減 少磁極塊內(nèi)容納產(chǎn)生的渦流回路的長度，減弱渦流感應(yīng)電動勢，進(jìn)而減少渦流損耗。但是存 在以下問題:永磁體分塊會增加電機(jī)轉(zhuǎn)子的裝配工藝難度，增加電機(jī)的制造成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種開槽式永磁體及軸向、徑 向磁通永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子，在不增加電機(jī)制造工藝難度和制造成本的基礎(chǔ)上，能夠限制高速永 磁電機(jī)轉(zhuǎn)子永磁體中的渦流路徑，減少渦流損耗。
[0007] 以下是本發(fā)明的第一種技術(shù)方案。
[0008] 本發(fā)明的一種開槽式永磁體，所述永磁體上表面設(shè)置有橫向槽和縱向槽，所述橫 向槽和縱向槽的寬度均相等，所述橫向槽和縱向槽的深度均等于電機(jī)中產(chǎn)生渦流損耗的高 次諧波在永磁體中的透入深度，所述縱向槽等距離均勻設(shè)置，所述橫向槽與縱向槽相交且 等距離均勻設(shè)置。
[0009] 所述橫向槽和縱向槽的寬度均設(shè)置為0.1mm。
[0010] 所述諧波在永磁體中的透入深度按照下述公式一計算：
[0011]
[0012]其中，δ為諧波透入深度;fx為相電流諧波頻率;μ〇為永磁體真空磁導(dǎo)率;μ ΡΜ為永磁 體相對磁導(dǎo)率;σ為永磁體電導(dǎo)率。
[0013] 以下是本發(fā)明的第二種技術(shù)方案。
[0014] -種含有開槽式永磁體的軸向磁通永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子，包括環(huán)形背鐵，所述背鐵沿圓 周等距離設(shè)置有扇環(huán)形永磁體，所述永磁體上表面設(shè)置有橫向槽和縱向槽，所述橫向槽和 縱向槽的寬度均相等，所述橫向槽和縱向槽的深度均相等且等于電機(jī)中產(chǎn)生渦流損耗的諧 波在永磁體中的透入深度，所述縱向槽過圓心且沿周向等距離均勻設(shè)置，所述橫向槽與縱 向槽相交且沿徑向等距離均勻設(shè)置。
[0015] 以下是本發(fā)明的第三種技術(shù)方案。
[0016] -種含有開槽式永磁體的徑向磁通永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子，包括圓柱形轉(zhuǎn)子鐵芯，所述轉(zhuǎn) 子鐵芯沿圓周等距離設(shè)置有永磁體，所述永磁體上表面設(shè)置有橫向槽和縱向槽，所述橫向 槽和縱向槽的寬度均相等，所述橫向槽和縱向槽的深度均相等且等于電機(jī)中產(chǎn)生渦流損耗 的諧波在永磁體中的透入深度，所述縱向槽平行于軸線且沿周向等距離均勻設(shè)置，所述橫 向槽與縱向槽垂直相交且沿徑向等距離均勻設(shè)置。
[0017] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案所帶來的有益效果是：
[0018] (1)本發(fā)明中，永磁體上表面設(shè)置有橫向槽和縱向槽，永磁體開槽不需要改變永磁 體形狀，相比于分段式永磁體結(jié)構(gòu)，制造工藝簡單易行；
[0019] (2)本發(fā)明中，軸向磁通永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子的扇環(huán)形永磁體設(shè)置有橫向槽和縱向槽，縱 向槽過圓心且沿周向等距離均勻設(shè)置，橫向槽與縱向槽相交且沿徑向等距離均勻設(shè)置，將 渦流限制在開槽后的狹小回路中，減小渦流路徑，避免由渦流損耗引起的永磁體發(fā)熱退磁 現(xiàn)象，提高軸向磁通永磁電機(jī)的性能指標(biāo)；
[0020] (3)本發(fā)明中，徑向磁通永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子的永磁體設(shè)置有橫向槽和縱向槽，縱向槽平 行于軸線且沿周向等距離均勻設(shè)置，橫向槽與縱向槽垂直相交且沿徑向等距離均勻設(shè)置， 將渦流限制在開槽后的狹小回路中，減小渦流路徑，能夠顯著降低永磁體本身的渦流損耗， 避免由禍流損耗引起的永磁體發(fā)熱退磁現(xiàn)象，提尚電機(jī)的性能指標(biāo)。
【附圖說明】
[0021 ]圖1為本發(fā)明開槽式永磁體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022] 圖2為本發(fā)明含有開槽式永磁體的軸向磁通永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不意圖；
[0023]圖3為本發(fā)明含有開槽式永磁體的徑向磁通永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不意圖；
[0024] 圖4為未開槽的徑向磁通高速永磁電機(jī)永磁體渦流示意圖；
[0025] 圖5為在圖4的永磁體開槽后的等效阻抗圖；
[0026] 附圖標(biāo)記:1永磁體;2橫向槽;3縱向槽;4背鐵;5轉(zhuǎn)子鐵芯。
【具體實施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。
[0028]如圖1所示，本發(fā)明的一種開槽式永磁體，所述永磁體1上表面設(shè)置有橫向槽2和縱 向槽3,考慮碎肩吸附在永磁體1表面等問題，可通過線切割的方式在未充磁的永磁體1材料 表面按照設(shè)計進(jìn)行加工制作，所述縱向槽3等距離均勻設(shè)置，所述橫向槽2與縱向槽3相交且 等距離均勻設(shè)置。所述橫向槽2和縱向槽3的寬度均相等，槽寬尺寸不宜過大，過大將降低永 磁體1本身性能，減小氣隙磁密，影響永磁電機(jī)的性能，寬度可設(shè)置為0.1mm。所述橫向槽2和 縱向槽3的深度均相等，深度尺寸依永磁電機(jī)中的渦流損耗情況而定，一般情況下等于電機(jī) 中產(chǎn)生渦流損耗的高次諧波在永磁體1中的透入深度，一般取電機(jī)中產(chǎn)生主要渦流損耗的 高次諧波在永磁體1中的透入深度。
[0029] 所述永磁體1內(nèi)磁通密度的第X次諧波在永磁體1內(nèi)的穿透深度由第X次諧波的頻 率、永磁體1的磁導(dǎo)率和永磁體1的電導(dǎo)率共同決定，本發(fā)明所涉及的開槽深度由第X次諧波 透入深度決定，所述諧波在永磁體1中的透入深度按照下述公式計算：
[0030]
⑴.
[0031 ]其中，δ為諧波透入深度;fx為相電流諧波頻率;μ〇為永磁體真空磁導(dǎo)率，一般為431 X 10-7Η/ηι;μρΜ為永磁體相對磁導(dǎo)率，一般為1.03~1.05; σ為永磁體的電導(dǎo)率，一般為0.5~ 1 · 5 X 106S/m，優(yōu)選值為0 · 7 X 106S/m。
[0032]如圖2所不，本發(fā)明的一種含有上述開槽式永磁體的軸向磁通永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子，包括 環(huán)形背鐵4,所述背鐵4沿圓周等距離設(shè)置有扇環(huán)形永磁體1，所述永磁體1通過粘接的方式 貼于背鐵4內(nèi)表面。所述永磁體1上表面設(shè)置有橫向槽2和縱向槽3。其中，所述縱向槽3過圓 心且沿周向等距離均勻設(shè)置，所述橫向槽2與縱向槽3相交且沿徑向等距離均勻設(shè)置。
[0033]如圖3所不，本發(fā)明的一種含有上述開槽式永磁體的徑向磁通永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子，包括 圓柱形轉(zhuǎn)子鐵芯5,所述轉(zhuǎn)子鐵芯5沿圓周等距離設(shè)置有永磁體1，所述永磁體1通過粘接的 方式貼于轉(zhuǎn)子鐵心外表面。所述永磁體上表面設(shè)置有橫向槽2和縱向槽3,其中，所述縱向槽 3平行于軸線且沿周向等距離均勻設(shè)置，所述橫向槽2與縱向槽3垂直相交且沿徑向等距離 均勻設(shè)置。
[0034] 如圖4所示的未開槽的徑向磁通高速永磁電機(jī)永磁體渦流示意圖。其中，永磁體1 厚度為為hM，軸向長度為L n，寬度為Lm，體積V = LnLmhM。在垂直進(jìn)入交變諧波磁場的作用下， 根據(jù)電磁感應(yīng)定律，永磁體1中將有圍繞磁通呈渦旋狀的感應(yīng)電動勢和電流產(chǎn)生。渦流在其 流通路徑上的等效電阻中產(chǎn)生渦流損耗。
[0035] 根據(jù)電磁感應(yīng)定律，參照圖1，渦流回路的感應(yīng)電動勢為：
[0036] Ew=KfLm2xBm (2)
[0037] 式中，K為電動勢比例常數(shù)，f為磁場交變頻率，X為渦流回路與永磁體對稱軸線間 的距離，Bm為最大磁感應(yīng)強(qiáng)度。渦流回路的等效電阻為：
[0038]
(3)
[0039] 式中，p為永磁體的電阻率。從而給定渦流回路中的功率損耗為：
[0040]
⑷.
[0041 ]由此可得永磁體1中的渦流損耗為：
[0042]
Cj)
[0043] 式(5)表明，永磁體中的渦流損耗與諧波磁場相對于磁場交變頻率f的平方、最大 磁感應(yīng)強(qiáng)度的平方以及永磁體的體積V成正比，與電阻率P成反比。
[0044] 對于本發(fā)明所提出的開槽式永磁體，永磁體1表面被分成若干小塊，開槽個數(shù)不 同，其永磁體形狀體積也相應(yīng)變化，渦流損耗也隨之變化。永磁體1表面開槽可以理解為永 磁體1等效電阻的增加，高次諧波透入深度即為開槽深度，永磁體1開設(shè)橫向槽2和縱向槽3 后，當(dāng)永磁體1橫向和縱向各被分為N塊時，相應(yīng)地，永磁體1共被分為N 2塊，如圖5所示永磁 體1開設(shè)一個橫向槽和一個縱向槽，即N= 2，開槽后的永磁體禍流損耗和未開槽的永磁體禍 流損耗比為，
[0045]
(6)
[0046] 式(6)中，PS(3g為永磁體開槽后的永磁體渦流損耗，PnciS(3g為未開槽的永磁體渦流損 耗，Φ為通過永磁體的磁通，R aSa邊對應(yīng)的等效阻抗，Rb為b邊對應(yīng)的等效阻抗，可以明顯看 出永磁體開槽能夠減小渦流損耗，且與開槽個數(shù)有關(guān)，開槽個數(shù)越多，渦流損耗減少越明 顯，但考慮電機(jī)氣隙磁場、機(jī)械應(yīng)力等因素，開槽個數(shù)應(yīng)考慮電機(jī)的性能及機(jī)械強(qiáng)度的前提 下選擇最優(yōu)值。
[0047] 盡管上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的功能及工作過程進(jìn)行了描述，但本發(fā)明并不局限于 上述的具體功能和工作過程，上述的【具體實施方式】僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng) 域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況 下，還可以做出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種開槽式永磁體，其特征在于，所述永磁體上表面設(shè)置有橫向槽和縱向槽，所述橫 向槽和縱向槽的寬度均相等，所述橫向槽和縱向槽的深度均等于電機(jī)中產(chǎn)生渦流損耗的高 次諧波在永磁體中的透入深度，所述縱向槽等距離均勻設(shè)置，所述橫向槽與縱向槽相交且 等距離均勻設(shè)置。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種開槽式永磁體，其特征在于，所述橫向槽和縱向槽的寬度 均設(shè)置為〇. 1mm。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種開槽式永磁體，其特征在于，所述諧波在永磁體中的透入 深度按照下述公式一計#其中，δ為諧波透入深度;fx為相電流諧波頻率;μ〇為永磁體真空磁導(dǎo)率;μρΜ為永磁體相 對磁導(dǎo)率;σ為永磁體電導(dǎo)率。4. 一種含有權(quán)利要求1~3中任意一項所述的開槽式永磁體的軸向磁通永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子， 包括環(huán)形背鐵，所述背鐵沿圓周等距離設(shè)置有扇環(huán)形永磁體，其特征在于，所述永磁體上表 面設(shè)置有橫向槽和縱向槽，所述橫向槽和縱向槽的寬度均相等，所述橫向槽和縱向槽的深 度均相等且等于電機(jī)中產(chǎn)生渦流損耗的諧波在永磁體中的透入深度，所述縱向槽過圓心且 沿周向等距離均勻設(shè)置，所述橫向槽與縱向槽相交且沿徑向等距離均勻設(shè)置。5. 一種含有權(quán)利要求1~3中任意一項所述的開槽式永磁體的徑向磁通永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子， 包括圓柱形轉(zhuǎn)子鐵芯，所述轉(zhuǎn)子鐵芯沿圓周等距離設(shè)置有永磁體，其特征在于，所述永磁體 上表面設(shè)置有橫向槽和縱向槽，所述橫向槽和縱向槽的寬度均相等，所述橫向槽和縱向槽 的深度均相等且等于電機(jī)中產(chǎn)生渦流損耗的諧波在永磁體中的透入深度，所述縱向槽平行 于軸線且沿周向等距離均勻設(shè)置，所述橫向槽與縱向槽垂直相交且沿徑向等距離均勻設(shè) 置。
【文檔編號】H02K1/27GK105896773SQ201610369117
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年5月27日
【發(fā)明人】王曉遠(yuǎn), 齊丹丹, 高鵬
【申請人】天津大學(xué)