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CN114785014A - 交替Spoke并联磁路少稀土永磁电机 - Google Patents

交替Spoke并联磁路少稀土永磁电机 Download PDF

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CN114785014A
CN114785014A CN202210418432.9A CN202210418432A CN114785014A CN 114785014 A CN114785014 A CN 114785014A CN 202210418432 A CN202210418432 A CN 202210418432A CN 114785014 A CN114785014 A CN 114785014A
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李健
王凯
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Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
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Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
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Abstract

本发明公开了一种交替Spoke并联磁路少稀土永磁电机，包括从内至外或从外至内依次同轴套设的转轴、交替Spoke永磁并联磁路转子和定子。交替Spoke永磁并联磁路转子包括转子铁心、第一Spoke磁钢组和第二Spoke磁钢组。第一Spoke磁钢组包括p个充磁方向相同且沿径向布设的高能量密度永磁体。第二Spoke磁钢组包括p个充磁方向相同且沿径向布设的低能量密度永磁体。高、低能量密度永磁体的充磁方向相反，且沿转子铁心的周向交替循环排列，形成p对磁极。本发明不仅降低了所需的稀土材料用量，且提高了永磁材料利用率，因而可有效降低电机成本，同时本发明还可消除反电动势中的偶次谐波和齿槽转矩中的奇次谐波，从而有效抑制转矩脉动。

Description

交替Spoke并联磁路少稀土永磁电机
技术领域
本发明涉及电机设计和制造领域，特别是一种交替Spoke并联磁路少稀土永磁电机。
背景技术
永磁电机具有高转矩/功率密度、高效率和高功率因素等优点，已在家电、电动汽车和航空航天等多个领域得到应用。目前，高性能的永磁电机普遍采用高能量密度的稀土永磁材料，如钕铁硼和钐钴等。然而，稀土是不可再生的重要自然资源，其长期且稳定的供应面临着巨大的挑战。此外，随着各产业的快速发展，稀土永磁材料的价格一度快速上涨。因此，高效利用稀土永磁材料对降低电机开发成本以及缓解稀土资源危机均有着重要的现实意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种交替Spoke并联磁路少稀土永磁电机，该交替Spoke并联磁路少稀土永磁电机能降低所需的稀土材料用量，且提高永磁材料利用率，因而能有效降低电机成本。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种交替Spoke并联磁路少稀土永磁电机，包括从内至外或从外至内依次同轴套设的转轴、交替Spoke永磁并联磁路转子和定子。
交替Spoke永磁并联磁路转子包括转子铁心、第一Spoke磁钢组和第二Spoke磁钢组。
第一Spoke磁钢组包括p个充磁方向相同且沿径向布设的高能量密度永磁体。
第二Spoke磁钢组包括p个充磁方向相同且沿径向布设的低能量密度永磁体。
每个高能量密度永磁体的能量密度均大于低能量密度永磁体的能量密度。
p个高能量密度永磁体和p个低能量密度永磁体的充磁方向相反，且沿转子铁心的周向交替循环排列，形成p对磁极。
交替Spoke永磁并联磁路转子包括沿轴向依次同轴等距排列的2n个转子节段，其中，n≥1。
每个转子节段的轴向长度相等，每个转子节段均具有转子铁心、第一Spoke磁钢组和第二Spoke磁钢组。
相邻两个转子节段的磁路互补。
其中n个转子节段的第一Spoke磁钢组中心线与其余n个转子节段的第二Spoke磁钢组中心线位于同一周向位置，且该n个转子节段的第一Spoke磁钢组与其余n个转子节段的第二Spoke磁钢组的充磁方向相同。
每个高能量密度永磁体和每个低能量密度永磁体均为切向充磁。
每个高能量密度永磁体均含有稀土永磁材料。
稀土永磁材料为钕铁硼或钐钴。
低能量密度永磁体为铁氧体。
交替Spoke永磁并联磁路转子和定子之间具有气隙；每个低能量密度永磁体朝向气隙的一侧均设置有辅助高能量密度永磁体，辅助高能量密度永磁体与高能量密度永磁体的材质相同。
每个高能量密度永磁体和相邻低能量密度永磁体在背离气隙一侧的交接处和每个高能量密度永磁体朝向气隙的一侧均设置有机械连接桥。
当每个低能量密度永磁体朝向气隙的一侧均设置有辅助高能量密度永磁体时，则辅助高能量密度永磁体朝向气隙的一侧均设置有机械连接桥；当每个低能量密度永磁体朝向气隙的一侧未设置辅助高能量密度永磁体时，则每个低能量密度永磁体朝向气隙的一侧均设置有机械连接桥。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明的交替Spoke并联磁路少稀土永磁电机，不仅降低了所需的稀土材料用量，且提高了永磁材料利用率，因而可有效降低电机成本。
2、本发明的交替Spoke永磁并联磁路转子布设方式满足“磁路互补条件”，可消除反电动势中的偶次谐波和齿槽转矩中的奇次谐波，从而有效抑制转矩脉动。
附图说明
图1是本发明实施例1中一种交替Spoke并联磁路少稀土永磁电机的结构示意图。
图2显示了本发明实施例1中机械连接桥的布设位置示意图。
图3a显示了本发明实施例2中相邻转子节段平面结构示意图。
图3b显示了本发明实施例2中转子节段轴向装配示意图。
图3c显示了本发明实施例2中Spoke磁钢组中磁钢抽出时的示意图。
图4显示了本发明实施例3中设置有辅助高能量密度永磁体时的结构示意图。
图5显示了本发明实施例3中设置有辅助高能量密度永磁体和机械连接桥时的示意图。
图6显示了第一Spoke磁钢组产生的磁力线示意图。
图7显示了第二Spoke磁钢组产生的磁力线示意图。
其中有：
1.转轴；
2.交替Spoke永磁并联磁路转子；
21.转子铁心；
22.第一Spoke磁钢组；221.高能量密度永磁体；
23.第二Spoke磁钢组；231.低能量密度永磁体；
24.机械连接桥；
25.辅助高能量密度永磁体；
3.定子；31.定子铁心；32.电枢绕组。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
本发明以三相电枢绕组m=3，定子槽数Ns=12，转子极对数p=5的内转子为例，对本发明进行详细说明。
实施例1
如图1所示，一种交替Spoke并联磁路少稀土永磁电机，包括从内至外依次同轴套设的转轴1、交替Spoke永磁并联磁路转子2和定子3。
作为替换，当本发明作为外转子使用时，转轴、交替Spoke永磁并联磁路转子和定子则从外至内依次同轴套设。
上述定子包括定子铁心31和电枢绕组32。定子铁心采用导磁材料，电枢绕组包括A、B、
C三相绕组，其中A相可由A1、A2、A3、A4线圈串联而成，也可由A1-A2、A3-A4分别串联后再并联；B相和C相以此类推。
交替Spoke永磁并联磁路转子包括转子铁心21、第一Spoke磁钢组22和第二Spoke磁钢组23。
上述转子铁心优选采用导磁材料，如图2所示，转子铁心包括沿径向交替布设的p个径向细槽和p个径向宽槽。进一步，每个径向细槽背离气隙的一侧均优选设置有苹果形槽，每个径向宽槽背离气隙的一侧均优选设置有楔形槽， 苹果形槽和楔形槽均相当于隔磁槽，能抑制永磁体在转子内侧（轭部）形成的漏磁通。
第一Spoke磁钢组包括p个充磁方向相同且沿径向布设的高能量密度永磁体。p个高能量密度永磁体位于p个径向细槽中，且优选均为切向充磁。
第二Spoke磁钢组包括p个充磁方向相同且沿径向布设的低能量密度永磁体。p个低能量密度永磁体位于p个径向宽槽中，且优选均为切向充磁。
每个高能量密度永磁体的能量密度均大于低能量密度永磁体的能量密度。
每个高能量密度永磁体均含有稀土永磁材料，其中，稀土永磁材料优选为钕铁硼或钐钴等。每个低能量密度永磁体优选为铁氧体等。
p个高能量密度永磁体和p个低能量密度永磁体的充磁方向相反，且沿转子铁心的周向交替循环排列，形成p对磁极。
每极气隙磁通由相邻的两个Spoke磁钢共同产生，且第一Spoke磁钢组和第二Spoke磁钢组的主磁通为并联磁路关系（即第一Spoke磁钢组产生的主磁通不经过第二Spoke磁钢组，且第二Spoke磁钢组产生的主磁通不经过第一Spoke磁钢组，分别如图6和7所示）（注：磁钢的磁阻远大于铁心和气隙的磁阻），主磁通路径的磁阻小，永磁材料利用率高。
进一步，转子铁心中设置有机械连接桥，机械连接桥具体可根据实际运行情况或工艺水平进行设计，满足机械安全要求即可。本实施例中，如图2所示，在每个高能量密度永磁体和相邻低能量密度永磁体在背离气隙一侧的交接处和每个高能量密度永磁体朝向气隙的一侧均优选设置有机械连接桥24。
实施例2
交替Spoke永磁并联磁路转子包括沿轴向依次同轴等距排列的2n个转子节段20，其中，n≥1，本实施例2中，优选n=1。
每个转子节段的轴向长度相等，每个转子节段的结构均与实施例1中的单个交替Spoke永磁并联磁路转子的结构相同，也即均具有转子铁心、第一Spoke磁钢组和第二Spoke磁钢组。
如图3a、3b和3c所示，其中n个转子节段的第一Spoke磁钢组中心线与其余n个转子节段的第二Spoke磁钢组中心线位于同一周向位置（即轴向对齐），该n个转子节段的第一Spoke磁钢组与其余n个转子节段的第二Spoke磁钢组的充磁方向相同。那么，该n段转子与其余n段转子产生的齿槽转矩奇次谐波幅值相等且方向相反（即相互抵消）；该n段转子与其余n段转子产生的反电动势偶次谐波幅值相等且方向相反（即相互抵消）。
因此，上述2n个转子节段满足“磁路互补条件”，可消除反电动势中的偶次谐波和齿槽转矩中的奇次谐波，从而有效抑制转矩脉动。
实施例3
如图4所示，与上述实施例1或实施例2基本相同，不同点在于：由于低能量密度永磁材料需要设计较厚的厚度才能产生足够的气隙磁场，但较厚的Spoke磁钢会增加每极气隙磁阻。因此，本发明的第二Spoke磁钢组靠近气隙侧的部分可采用辅助高能量密度永磁体（该部分只用少量的高能量密度永磁材料，目的是增加每极气隙的截面积），从而降低每极气隙磁阻，以进一步提高永磁材料利用率（注：每极气隙磁阻反比于每极气隙截面积，即截面积越大、磁阻越小）。
进一步，当每个低能量密度永磁体朝向气隙的一侧均设置有辅助高能量密度永磁体时，则辅助高能量密度永磁体朝向气隙的一侧均优选设置有机械连接桥；当每个低能量密度永磁体朝向气隙的一侧未设置辅助高能量密度永磁体时，则每个低能量密度永磁体朝向气隙的一侧均优选设置有机械连接桥。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种交替Spoke并联磁路少稀土永磁电机，其特征在于：包括从内至外或从外至内依次同轴套设的转轴、交替Spoke永磁并联磁路转子和定子；
交替Spoke永磁并联磁路转子包括转子铁心、第一Spoke磁钢组和第二Spoke磁钢组；
第一Spoke磁钢组包括p个充磁方向相同且沿径向布设的高能量密度永磁体；
第二Spoke磁钢组包括p个充磁方向相同且沿径向布设的低能量密度永磁体；
每个高能量密度永磁体的能量密度均大于低能量密度永磁体的能量密度；
p个高能量密度永磁体和p个低能量密度永磁体的充磁方向相反，且沿转子铁心的周向交替循环排列，形成p对磁极。
2.根据权利要求1所述的交替Spoke并联磁路少稀土永磁电机，其特征在于：交替Spoke永磁并联磁路转子包括沿轴向依次同轴等距排列的2n个转子节段，其中，n≥1；
每个转子节段的轴向长度相等，每个转子节段均具有转子铁心、第一Spoke磁钢组和第二Spoke磁钢组；
相邻两个转子节段的磁路互补。
3.根据权利要求2所述的交替Spoke并联磁路少稀土永磁电机，其特征在于：其中n个转子节段的第一Spoke磁钢组中心线与其余n个转子节段的第二Spoke磁钢组中心线位于同一周向位置，且该n个转子节段的第一Spoke磁钢组与其余n个转子节段的第二Spoke磁钢组的充磁方向相同。
4.根据权利要求1所述的交替Spoke并联磁路少稀土永磁电机，其特征在于：每个高能量密度永磁体和每个低能量密度永磁体均为切向充磁。
5.根据权利要求1所述的交替Spoke并联磁路少稀土永磁电机，其特征在于：每个高能量密度永磁体均含有稀土永磁材料。
6.根据权利要求5所述的交替Spoke并联磁路少稀土永磁电机，其特征在于：稀土永磁材料为钕铁硼或钐钴。
7.根据权利要求1所述的交替Spoke并联磁路少稀土永磁电机，其特征在于：低能量密度永磁体为铁氧体。
8.根据权利要求1所述的交替Spoke并联磁路少稀土永磁电机，其特征在于：交替Spoke永磁并联磁路转子和定子之间具有气隙；每个低能量密度永磁体朝向气隙的一侧均设置有辅助高能量密度永磁体，辅助高能量密度永磁体与高能量密度永磁体的材质相同。
9.根据权利要求1或8所述的交替Spoke并联磁路少稀土永磁电机，其特征在于：每个高能量密度永磁体和相邻低能量密度永磁体在背离气隙一侧的交接处和每个高能量密度永磁体朝向气隙的一侧均设置有机械连接桥。
10.根据权利要求9所述的交替Spoke并联磁路少稀土永磁电机，其特征在于：当每个低能量密度永磁体朝向气隙的一侧均设置有辅助高能量密度永磁体时，则辅助高能量密度永磁体朝向气隙的一侧均设置有机械连接桥；当每个低能量密度永磁体朝向气隙的一侧未设置辅助高能量密度永磁体时，则每个低能量密度永磁体朝向气隙的一侧均设置有机械连接桥。
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