[发明专利]高功率密度永磁电机设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及电机技术，特别是涉及一种永磁电机(包括永磁直流、永磁无刷、永磁同步电机)的高功率密度永磁电机设计方法。

背景技术

近年来，永磁交直流伺服电机已广泛应用于自动控制系统中。作为快速响应的驱动元件，世界各国不断地采用新技术进行更新换代。为了适应形势发展，必须更新观念。最佳的电机设计原则不能满足达到最佳的性能，而应该达到最佳的性能/价格比、最佳的性能/体积比。永磁电机设计关键之一是选定磁钢工作点，工作点是校核永磁材料选用和磁钢尺寸是否合理的重要依据。空载工作点依据外磁路磁导，负载工作点依据去磁磁势。长期以来，永磁电机传统设计习惯于把磁体工作点(即磁通Φ与磁势F之交点)选在磁钢去磁曲线的直线部分，即使过载，在动态磁路情况下，也要求工作点落在去磁曲线拐点以上的直线部分(恒磁区)，从而避免由于电枢反应，特别是暂态下的电枢反应使磁体不可逆去磁，引起工作点磁密下降，影响出力。但磁钢用量要增加，使电机成本提高，使永磁无刷电机、永磁同步电机和永磁伺服电机转子惯量增加，降低电机过载能力和快速响应。这是传统电机设计的弊病。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种能使直流电机外径减小，使交流电机转子惯量减小，过载能力和快速响应提高，能使电机具有高性价比、高功率密度、高出力、低波动、小型轻量化和平稳运行等特点的高功率密度永磁电机设计方法。

为了解决上述技术问题，本发明所提供的一种高功率密度永磁电机设计方法，其特征在于：所述永磁电机磁钢的负载工作点(即磁钢磁通密度Bm与磁钢磁场强度Hm或磁通Φ与磁势F之交点)设计(选择)在磁钢去磁曲线BM＝f(HM)的拐点以下的曲线段，即在磁钢去磁曲线Bm＝{[(-μo N Ic/8)/Kμ(1-σ)Kc δ]-[(μo hm)/Kμ(1-σ)Kcδ]}Hm的拐点以下的曲线段()，式中：μo-真空磁导率，N-电枢总导体数，Ic-电枢电流，Kμ-磁路饱和系数，σ-漏磁系数，Kc-卡氏系数，δ-定转子间气隙长度，hm-磁钢厚度；设拐点的坐标为Hmg、Bmg，负载工作点的坐标为Hmw、Bmw，则有Hmg＜Hmw，Bmg＞Bmw。提高电机性价比和伺服性能。

进一步的，所述永磁电机包括有刷和无刷电机。

进一步的，所述永磁电机的磁钢包括电机定子磁钢(有刷电机)和转子部分的磁钢(无刷电机)。

进一步的，所述负载工作点选择在拐点以下，同时通过径向、轴向聚磁或适当增加磁钢轴向长度来补偿磁钢去磁。

本发明提供的高功率密度永磁电机设计方法的有益效果：

1)电枢磁场引起磁钢中有2～3％不可逆磁通损失是允许的，本发明设计的永磁电机磁钢厚度从9mm减为7mm，节省磁体29％，而磁通损失仅为2.8％，使电机的功率密度大幅度提高。因此，从经济观点看，小范围不可逆磁通损失是可以接受的，；

磁通损失可用径向、轴向聚磁或适当增加磁钢长度来补偿；磁钢厚度减薄，使直流电机外径减小，使交流电机转子惯量减小，过载能力和快速响应提高；

2)适当增加磁钢长度来补偿电枢反应的去磁，节约了一段中孔圆柱磁钢，仅增加一片环形磁钢，同时充分发挥了永磁电机优点，使电机具有高性价比、高出力、低波动、低惯量、快响应、小型轻量化和平稳运行等特点。

附图说明

图1为本发明实施例永磁无刷电机(a)和永磁有刷电机(b)剖面结构示意图；

图2为不同温度影响下磁钢去磁曲线的变化示意图；

图3为本发明实施例永磁无刷电机磁钢去磁面示意图；

图4为本发明实施例Nd-Fe-B磁钢去磁曲线(90℃时)和不可逆磁通损失。

在图1a中：11、定子轭；12、定子齿；13、定子槽；14、转子磁钢(磁极)；15、转子轭；16、转子轴。在图1b中：11’、定子轭；12’、定子磁钢(磁极)；13’、转子槽；14’、转子齿；15’、转子轭；16’、转子轴；

在图3中：21、定子轭；22、定子齿；23、定子槽；24、转子磁钢(磁极)；25、转子轭；26、转子轴；A’为磁钢去磁面。

具体实施方式

以下结合附图说明对本发明的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似方法及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。