一种两极永磁同步电机的转子无铁心磁极结构与设计方法

摘要

一种两极永磁同步电机的转子无铁心磁极结构与设计方法，属于永磁电机领域。所述的结构包括转轴、永磁阵列和保护套，永磁阵列粘贴在转轴上；永磁阵列由N段永磁体组成环形磁极，N为一或二以上的偶数，且N的数目根据磁极直径和充磁机功率确定；永磁阵列的N段永磁体的充磁方向相同，均平行于电机的磁极中心，保护套与永磁阵列过盈配合。本发明适用于两极高速永磁同步电机，可取消转子铁心，产生的气隙磁场正弦度高。永磁阵列充磁简单，充磁方向不需改变；对小功率电机，可采用整环平行充磁；对大功率电机，可将磁极分为若干偶数段充磁。有效地解决了永磁同步电机的转矩脉动问题，能够保证电机在电气传动系统中更加平稳、高效地运行。

说明书

技术领域

本发明属于永磁电机领域，涉及一种转子无铁心的高速永磁电机的磁极结构及其设计方法。

背景技术

高速电机可直接驱动高速负载，取消了传动机构，既减小了设备的体积与重量，又提高了系统效率，降低了系统噪声。同时，高速电机具有效率高、功率密度高、转动惯量小、动态响应快、控制性能优良等一系列优点，在曝气风机、离心压缩机、航空航天、新能源等高速直驱领域具有良好的应用前景。

应用于曝气风机和燃料电池压缩机的高速永磁同步电机的转速达几万至十几万转/分钟，为了减小转动惯量，一般采用无铁心转子结构，将永磁体直接粘贴在钛合金材料制成的轴上，并用高强度合金或碳纤维保护套紧固。为了降低电机的铁心损耗，通常采用二极磁极结构。

在表贴式永磁同步电机中，采用Halbach阵列，可使气隙中的磁通增加而转子轭部磁通减小，在理想情况下，可使转子轭部磁通为零，从而取消转子铁轭。Halbach永磁阵列有两种充磁方式：连续充磁和分段充磁。连续充磁可构成理想的Halbach永磁阵列，每个磁极等效为由无数段永磁体构成，每段磁体的充磁方向连续变化，它使气隙磁密波形为理想正弦波，且转子轭部磁密为零。连续充磁的Halbach永磁阵列在结构上为一个完整的环形磁体。由于充磁技术和充磁功率的限制，整体充磁的环形磁体的直径不能太大，因此，对于直径较大的永磁体，工程中一般采用分段充磁，常见的分段充磁Halbach永磁阵列每个磁极由三到五段充磁方向不同的磁体构成。对于多极电机，采用每极五段的Halbach永磁阵列，可使电机内气隙磁密接近正弦波，且转子轭部磁密很小，可以省去转子铁心。

但是对于两极电机，使用每极三段到五段的Halbach永磁阵列，每段磁体的充磁方向变化太大，产生的气隙磁场中含有大量的谐波，且轭部磁密也较高，难以取消转子铁心。如果增加每极分段数，又使充磁变得更加复杂。为此，需要发明一种适用于两极永磁同步电机的转子无铁心磁极结构，既可以像连续充磁的Halbach永磁阵列一样，每段磁体的充磁方向连续变化，产生正弦分布的气隙磁场；又不至于因每极分段数太多，导致充磁复杂化。

发明内容

本发明为克服现有技术的缺陷，发明了一种两极永磁同步电机的转子无铁心磁极结构。

一种两极永磁同步电机的转子无铁心磁极结构，包括转轴1、永磁阵列2和保护套3，所述转轴1由非导磁的轻质合金材料制成；所述永磁阵列2粘贴在转轴1上；所述永磁阵列2由N段永磁体组成环形磁极，N为一或二以上的偶数，且N的数目根据磁极直径和充磁机功率确定，以确保每段磁体均达到饱和充磁；所述永磁阵列2的N段永磁体的充磁方向相同，均平行于电机的磁极中心；所述保护套3由高强度合金或碳纤维制成，与永磁阵列2过盈配合，起到紧固永磁阵列2的作用，防止高速运行时离心力损坏永磁体。

一种两极永磁同步电机的转子无铁心磁极的设计方法，具体如下：

(一)两极永磁同步电机的转子无铁心磁极产生磁通的计算方法

永磁阵列2磁极的极弧系数为1.0，产生的气隙磁密波形接近正弦波，且可以省去转子铁心。因此，气隙中的主磁通为

式中，A

过磁极中心取一个磁回路，并设定磁回路的饱和系数为K

H

式中，δ

设漏磁系数为σ，则根据磁通连续性定律，获得永磁体发出的磁通Φ

其中Α

对于稀土永磁，有

B

式中，B

表贴式永磁电机的漏磁系数在1.05～1.1之间，而永磁阵列还有少量轭部磁通，在无铁心转子中，这部分磁通为漏磁，因此，取漏磁系数σ＝1.1；磁路的饱和系数一般为1.2～1.3，取K

(二)两极永磁同步电机的转子无铁心磁极设计

第一步，预选转子外径、永磁体厚度、保护套厚度、气隙长度、铁心长度的尺寸。

第二步，利用式(6)和式(1)计算气隙磁密幅值和主磁通的大小。

第三步，判断主磁通是否达到要求，如果达到要求，则继续第四步；否则，返回第一步，修改尺寸。

第四步，根据充磁要求，确定永磁体的分段数。

第五步，校核保护套厚度和过盈量是否满足强度要求。

本发明的有益效果：

1、适用于两极高速永磁同步电机，可以取消转子铁心，产生的气隙磁场正弦度高。

2、永磁阵列充磁简单，充磁方向不需改变；永磁阵列的磁体段数可根据充磁机的功率而改变，对小功率电机，可以采用整环平行充磁；对大功率电机，可以将磁极分为若干偶数段充磁。

3、有效地解决了永磁同步电机的转矩脉动问题，能够保证电机在电气传动系统中更加平稳、高效地运行。

附图说明

图1为本发明的两极永磁电机转子结构图。

图2为使用本发明磁极结构75kW、33000r/min电机的电磁转矩波形。

图3为使用本发明磁极结构75kW、33000r/min电机的线电压波形。

图4为传统的五段式Halbach阵列磁极。

图5为使用传统五段式Halbach阵列磁极结构的75kW、33000r/min电机的电磁转矩波形。

图6为使用传统五段式Halbach阵列磁极结构的75kW、33000r/min电机的线电压波形。

图中：1为转轴；2为永磁阵列；3为保护套。

具体实施方式

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

额定功率75kW、额定转速33000r/min的2极永磁同步电机。要求定子外径150mm，定子铁长140mm，气隙长度1.75mm。根据本发明的设计方法，计算得：钛合金转轴直径为45mm，永磁体厚度6.5mm，保护套厚度1mm，转子外径60mm。

采用本发明的磁极结构，由2块磁体构成磁极，磁体的充磁方向平行于磁极中心。当定子绕组中通以130A的电流，在内功率因数角分别为0°和30°的条件下，电磁转矩波形如图2所示，电磁转矩平均值分别为23.81N·m和20.63N·m，且转矩脉动仅为0.02％；线电压波形如图3所示，线电压有效值分别为508.7V和359.9V，且线电压波形为正弦波。

当电机转子采用传统的五段式Halbach磁极结构时，每极由5块磁体构成，磁体的充磁方向见图4。当定子绕组中仍通以130A的电流，在内功率因数角分别为0°和30°的条件下，电磁转矩波形如图5所示，电磁转矩平均值分别为17.52N·m和15.18N·m，且转矩脉动分别为10.67％和14.8％；线电压波形如图6所示，线电压有效值分别为428.5V和306.6V，且电压波形含有较大的谐波。

本发明的二极无铁心永磁同步电机转子磁极结构可有效地抑制电机的谐波和转矩脉动，对于提高电机的控制精度具有重要的意义。