[发明专利]钕铁硼永磁和软磁混合磁极电机

说明书

本发明属于电机。

效率高、体积小，重量轻是电机设计追求的几个重要指标。采用永磁磁极激磁的直流电动机效率明显提高，高磁能级钕铁硼永磁材料的问世，更使电机设计的这一追求进入了新时期。但是，目前电机用钕铁硼磁钢的成本和加工手段费用远比铁氧体磁钢贵。即使钕铁硼磁钢按每兆奥斯特高斯磁能和重量来评估，其费用也不能与铁氧体磁钢相竞争。所以在保证电机优良性能的前提下，设计新的电机磁路，降低钕铁硼碰钢的用量和加工成本是很有意义的。已有技术中的混合磁极概念在铁氧体永磁电机中出现过。它指的是电机中的每一个永磁极都是由两种不同磁性的磁体，或拼合而成、或烧结而成，形式多样，目的各异，总之，采用混合磁极是增大电机功率和改善电机性能的有效方法之一。

本发明提供一种钕铁硼永磁和软磁体混合磁极电机，减少钕铁硼磁钢的用量和加工费用，提高电机效率，缩小体积，减轻重量。

本发明钕铁硼永磁和软磁混合磁极电机的磁路结构是这样的，每对极闭合径向磁路中只用一个瓦形钕铁硼永磁磁极(以下有时简称永磁磁极，含义相同)，另一个磁极用软磁材料，永磁磁极凹凸两曲面的曲率半径相等，即气隙曲面的曲率半径等于背气隙曲面的曲率半径，(图1中气隙曲面为凸的，而图2、3中气隙曲面为凹的；凸曲面曲率半径为D₁/2，凹曲面曲率半径为D₀/2)而软磁磁极的凹凸两曲面多半是同心园弧。永磁磁极之下，电机气隙是极中心处小，向极两边缘气隙逐渐增大，是非均匀的。根据需要，软磁磁极的极弧系数可与永磁磁极的极弧系数不相等：电机磁路为多对极结构，极对数P≥2。软磁磁极材料可以用纯铁、硅钢片，坡莫合金等。

本发明钕铁硼永磁和软磁混合磁极电机结构设计的理论依据简述如下：

在永磁电机每对径向磁路中，永磁体产生的磁势，应该同耗散在气隙、齿部、定子和转子磁轭上的总磁势压降之和相平衡。如果磁路中无饱和现象，则工程上可以近似地认为，永磁体产生的磁势全部消耗在气隙磁势压降上，这时的永磁体磁势F₀和气隙磁势压降2F_δ可以用下列公式表达：

F_θ=0.8NLmHc=2F_δ=1.6K_δ.δB_δ式中：

Lm串联在一对极径向磁路中每块永磁体长度(厘米)；

Hc永磁体的矫顽力(奥斯特)；

N径向磁路中串联的永磁体数；

K_δ气隙系数；

δ气隙平均长度(厘米)，一般取0.05厘米左右；

B_δ气隙磁密(高斯)。

由于钕铁硼永磁体的矫顽力Hc高达10000奥斯特，所以每对极径向磁路中，串联的钕铁硼永磁体的总长度NLm实际需要不足1毫米。也就是说，在气隙长度为百微米级的小型电机中，产生符合最大磁能级时的气隙磁密，该电机只需要用与气隙长度同一数量极(百微米级)厚度的钕铁硼永磁体。因此，虽然理论上每对极径向磁路中，钕铁硼永碰体串联数N取为1就完全可以了，而实际上需要再考虑永磁体几何形状的合理性，以及目前制造工艺水平等因素，一块瓦形钕铁硼永磁磁极的最小厚度需要毫米级，这与理论值(百微米级)相差了一个数量级。

本发明中采用了多对极磁路结构，因为瓦形钕铁硼磁极的几何极弧角与极对数成反比，增加电机的极对数，能有效地减小瓦形磁极的极弧角，提高钕铁硼永磁磁极的磁能及材料的利用率。

本发明构思在直流或交流，同步或异步各种电机中都能应用。几个实施例如附图所示。

图1、钕铁硼永磁-软磁混合磁极同步电机。

图2、钕铁硼永磁-软磁混合磁极直流电机。

图3、方形外壳的钕铁硼永磁-软磁混合磁极直流电机。

以下结合附图进一步说明本发明内容细节及其实施例。

图1是按本发明构思设计的一种钕铁硼永磁及软磁混合磁极的交流同步电机，极对数为2；瓦形钕铁硼磁极1极性相同，装在转子磁轭2上：软磁磁极3和转子磁轭2连成一体，可以用硅钢冲片叠装而成或其他软磁材料制成。瓦形钕铁硼磁极和软磁磁极相互同隔且均匀分布。按本发明构思设计的同步电动机，为了启动需要，在软磁磁极极面上配置鼠笼导体条4，电机定子绕组5为三相绕组。该电机中，沿两个软磁磁极下气隙δ是均匀的而钕铁硼永磁极下是非均匀的，磁极中心处为最小气隙，由中心向两边气隙逐渐增大。钕铁硼永磁磁极的极弧系数和软磁磁极的可以不同。