[发明专利]磁通切换型横向磁通高速永磁电机

说明书

磁通切换型横向磁通高速永磁电机由定、转子铁心，定、转子基体，相绕组组成。定子铁心10由铁基非晶合金制成的铁心本体与硅钢片制成的直套型极靴和L型极靴装配而成；转子铁心20由硅钢片制成，包含部件21与22，永磁体安装于21与22之间的窗孔中；定、转子基体沿轴向分为m相段，每段极对数为p；在定子基体每段槽道直接绕制环形相绕组，跨越相绕组，每段窗孔中安装2p个铁心10，绕电机轴线呈圆周阵列分布，相邻铁心10绕圆周阵列半径转180°；转子基体每段窗孔中安装2p个铁心20，绕电机轴线呈圆周阵列分布，相邻铁心20中永磁体形状相同，充磁方向相反；各相转子铁心20径向对齐，各相定子铁心10径向相互错开1/m极距角。

技术领域

本发明属于电机制造领域，具体涉及一种磁通切换型横向磁通高速永磁电机。

背景技术

高速电机通常是指最高转速超过10000r/min的电机。高速电机在离心式压缩机、混合动力或纯电动汽车的驱动电机、高速加工技术、航空电机、高速发电机等领域具有广泛、重要用途。它们具有以下优点：由于转速高，所以电机功率密度高，而体积远小于普通电机；可与原动机直接相连，取消了传统的减速机构，传动效率高，噪音小；高速电机转动惯量小，动态响应快。

现有径向磁通高速电机还存在诸多技术问题。

首先，在现有径向磁通电机结构中，磁通经过的齿部和电枢绕组所在的槽占同一圆环截面，磁力线所在平面平行于电机的旋转方向，槽的截面积与齿部截面积互相制约。如果需要流过较大的电流，就需要较大的线圈截面积，齿的截面积就受到影响(饱和作用会使磁通减小)；反之亦然。如果齿截面积和槽截面积同时增大，则必然会增大电机的半径，使电机的功率和转矩密度降低。创新出路在于选择横向磁通的电磁结构。在横向磁通电机中，因为磁路与电路分离，且在空间相互垂直，铁心与绕组的尺寸可以独立调整，设计自由度大，能有效提高电机功率和转矩密度，容易实现多相、多极对数结构。

现有的横向磁通永磁电机，相邻两组转子铁心只对应一组定子铁心，磁通的空间利用率低。在中国专利CN201010100924的设计方案中，用磁通切换的方式实现了转子铁心与定子铁心一对一，提高了磁通的空间利用率。但是，“转子铁心(4)两边分别嵌入一块永磁体(2)(3)”，就是说，用一个包含2块永磁体的一个转子铁心对应一个定子铁心，而且这2块永磁体是轮流工作，永磁体的利用率还是偏低。

第二，电机的功率密度和电机铁心内的磁通密度值B_m与电磁频率f的乘积成正比，但是受软磁材料饱和磁感应强度B_s的限制，要大幅度提高电机的功率密度必须提高电机的频率f。然而，电机铁心的总损耗又与频率的1.3～1.5次方成正比。当电机的工作频率从50Hz提高到500Hz，假设磁通密度值B_m不变，电机的铁损不是增加10倍，而是增加200多倍。因此，硅钢电机铁心的损耗将变得非常严重，导致效率显著下降，甚至造成电机过热损坏。对于工作频率介于几百至几千Hz的电机，使用铁基非晶合金代替硅钢，用作电机铁心，对于降低电机铁损和铁心温升意义重大。铁基非晶合金还具有硅钢几倍的磁导率，可以在很大程度上降低电机的励磁电流，进而降低电机的铜损。

目前，将铁基非晶合金用作电机铁心，在世界范围内是一个挑战性难题。难点在于，铁基非晶合金带材厚度：25～30微米，维氏硬度：900kg/mm²，居里温度：415℃，热处理后的非晶合金叠片铁心可能会发脆。对非晶合金叠片铁心，很难用常规的机械切削工艺加工，也无法进行大电流高温焊接。目前，铁基非晶合金带材最大宽度为213mm。这样的带材宽度，对于需要采用整体性、大面积冲裁带材制作铁心的现有径向磁通电机，除了小、微型电机外，中型以上电机根本无法使用。但对于采用离散的、小尺寸铁心的横向磁通电机来说，中、大、巨型电机都非常适用。

第三，当电机的工作频率达到几百Hz以上，电机绕组导线的集肤效应将变得非常严重，如果采用普通的电磁线，电机的铜损将大幅上升。采用高频利磁线(由直径0.1mm的漆包线4～25000股绞合而成)，高频运转时，可大幅减小导线集肤效应，大幅降低电机铜损。