專利名稱：釹鐵硼永磁和軟磁混合磁極電機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于電機。
效率高、體積小，重量輕是電機設計追求的幾個重要指標。采用永磁磁極激磁的直流電動機效率明顯提高，高磁能級釹鐵硼永磁材料的問世，更使電機設計的這一追求進入了新時期。但是，目前電機用釹鐵硼磁鋼的成本和加工手段費用遠比鐵氧體磁鋼貴。即使釹鐵硼磁鋼按每兆奧斯特高斯磁能和重量來評估，其費用也不能與鐵氧體磁鋼相競爭。所以在保證電機優(yōu)良性能的前提下，設計新的電機磁路，降低釹鐵硼磁鋼的用量和加工成本是很有意義的。已有技術中的混合磁極概念在鐵氧體永磁電機中出現(xiàn)過。它指的是電機中的每一個永磁極都是由兩種不同磁性的磁體，或拼合而成、或燒結而成，形式多樣，目的各異，總之，采用混合磁極是增大電機功率和改善電機性能的有效方法之一。
本發(fā)明提供一種釹鐵硼永磁和軟磁體混合磁極電機，減少釹鐵硼磁鋼的用量和加工費用，提高電機效率，縮小體積，減輕重量。
本發(fā)明釹鐵硼永磁和軟磁混合磁極電機的磁路結構是這樣的，每對極閉合徑向磁路中只用一個瓦形釹鐵硼永磁磁極(以下有時簡稱永磁磁極，含義相同)，另一個磁極用軟磁材料，永磁磁極凹凸兩曲面的曲率半徑相等，即氣隙曲面的曲率半徑等于背氣隙曲面的曲率半徑，(

圖1中氣隙曲面為凸的，而圖2、3中氣隙曲面為凹的;凸曲面曲率半徑為D1/2，凹曲面曲率半徑為D。/2)而軟磁磁極的凹凸兩曲面多半是同心園弧。永磁磁極之下，電機氣隙是極中心處小，向極兩邊緣氣隙逐漸增大，是非均勻的。根據(jù)需要，軟磁磁極的極弧系數(shù)可與永磁磁極的極弧系數(shù)不相等;電機磁路為多對極結構，極對數(shù)P≥2。軟磁磁極材料可以用純鐵、硅鋼片，坡莫合金等。
本發(fā)明釹鐵硼永磁和軟磁混合磁極電機結構設計的理論依據(jù)簡述如下在永磁電機每對徑向磁路中，永磁體產(chǎn)生的磁勢，應該同耗散在氣隙、齒部、定子和轉(zhuǎn)子磁軛上的總磁勢壓降之和相平衡。如果磁路中無飽和現(xiàn)象，則工程上可以近似地認為，永磁體產(chǎn)生的磁勢全部消耗在氣隙磁勢壓降上，這時的永磁體磁勢Fc和氣隙磁勢壓降2Fδ可以用下列公式表達FC＝0.8NLmHc＝2Fδ＝1.6Kδ.δBδ式中Lm 串聯(lián)在一對極徑向磁路中每塊永磁體長度(厘米);
Hc 永磁體的矯頑力(奧斯特);
N 徑向磁路中串聯(lián)的永磁體數(shù);
Kδ氣隙系數(shù);
δ 氣隙平均長度(厘米)，一般取0.05厘米左右;
Bδ氣隙磁密(高斯)。
由于釹鐵硼永磁體的矯頑力Hc高達10000奧斯特，所以每對極徑向磁路中，串聯(lián)的釹鐵硼永磁體的總長度NLm實際需要不足1毫米。也就是說，在氣隙長度為百微米級的小型電機中，產(chǎn)生符合最大磁能級時的氣隙磁密，該電機只需要用與氣隙長度同一數(shù)量極(百微米級)厚度的釹鐵硼永磁體。因此，雖然理論上每對極徑向磁路中，釹鐵硼永磁體串聯(lián)數(shù)N取為1就完全可以了，而實際上需要再考慮永磁體幾何形狀的合理性，以及目前制造工藝水平等因素，一塊瓦形釹鐵硼永磁磁極的最小厚度需要毫米級，這與理論值(百微米級)相差了一個數(shù)量級。
本發(fā)明中采用了多對極磁路結構，因為瓦形釹鐵硼磁極的幾何極弧角與極對數(shù)成反比，增加電機的極對數(shù)，能有效地減小瓦形磁極的極弧角，提高釹鐵硼永磁磁極的磁能及材料的利用率。
本發(fā)明構思在直流或交流，同步或異步各種電機中都能應用。幾個實施例如附圖所示。
圖1、釹鐵硼永磁-軟磁混合磁極同步電機。
圖2、釹鐵硼永磁-軟磁混合磁極直流電機。
圖3、方形外殼的釹鐵硼永磁-軟磁混合磁極直流電機。
以下結合附圖進一步說明本發(fā)明內(nèi)容細節(jié)及其實施例。
圖1是按本發(fā)明構思設計的一種釹鐵硼永磁及軟磁混合磁極的交流同步電機，極對數(shù)為2;瓦形釹鐵硼磁極(1)極性相同，裝在轉(zhuǎn)子磁軛(2)上;軟磁磁極(3)和轉(zhuǎn)子磁軛(2)連成一體，可以用硅鋼沖片疊裝而成或其他軟磁材料制成。瓦形釹鐵硼磁極和軟磁磁極相互間隔且均勻分布。按本發(fā)明構思設計的同步電動機，為了啟動需要，在軟磁磁極極面上配置鼠籠導體條(4)，電機定子繞組(5)為三相繞組。該電機中，沿兩個軟磁磁極下氣隙δ是均勻的而釹鐵硼永磁極下是非均勻的，磁極中心處為最小氣隙，由中心向兩邊氣隙逐漸增大。釹鐵硼永磁磁極的極弧系數(shù)和軟磁磁極的可以不同。
如圖1所示，該電機中，軟磁磁極的氣隙表面(凸曲面)曲率半徑為D。/2，釹鐵硼永磁磁極的氣隙表面(凸曲面)曲率半徑和相對的另一曲面(凹曲面)的曲率半徑相等，即都是D1/2。定子內(nèi)腔半徑為D/2。
還要指出的是，如圖1所示電機中，若取消啟動用鼠籠導體條，就是一個永磁激磁的同步發(fā)電機，可以和風輪機或內(nèi)燃發(fā)動機配套使用，組成輔助能源系統(tǒng)。若再加上電子換向器，就成為電子換向無刷直流電動機了。
圖2是本發(fā)明用作直流電機的實施例。瓦形釹鐵硼永磁磁極(6)和瓦形軟磁磁極(7)裝在磁軛機殼(8)內(nèi)組成電機定子，瓦形釹鐵硼磁極和軟磁磁極均勻分布相互間隔，(9)是電機電樞轉(zhuǎn)子。圖2所示為兩對磁極，極對數(shù)P＝2，軟磁磁極材料可以采用軟鐵。
該電機2P≥4個瓦形磁極中，一半(P個)是釹鐵硼永磁磁極(6)，另一半為軟磁磁極(7)。兩種磁極形狀是不同的，瓦形釹鐵硼磁極的氣隙曲面(凹曲面)的曲率半徑和背氣隙的另一曲面(即凸曲面)的曲率半徑相等，都等于Do/2o瓦形軟磁磁極的凹曲面和凸曲面為同心園柱面。沿氣隙的凹曲面半徑為D1/2＝D/2+δo，背氣隙的凸曲面半徑為Do/2o在這里，D是轉(zhuǎn)子外徑，δo為非均勻氣隙中的永磁極下中心氣隙。永磁磁極的極弧系數(shù)小于或等于軟磁磁極的極弧系數(shù)。一般小電機用釹鐵硼永磁磁極磁化取向方向的厚度不小于2-3毫米。圖2所示實施例的結構方案既可以用于直流電動機，也可以用于直流發(fā)電機。
圖3是本發(fā)明的又一個實施例，是一種方形機殼的直流電機。方形機殼磁軛采用混合磁極而構成電機定子。兩對磁極2P＝4。兩塊同極性的瓦形釹鐵硼永磁磁極(11)分別嵌裝在方形機殼(12)的相對兩邊的中央。方形機殼磁軛在該處的內(nèi)凹曲面園柱面與永磁磁極的凸曲面園柱面半徑相等，配合緊密。永磁極中心處機殼壁厚最小，機殼的其余兩相對邊中央為軟磁磁極(13)。它和方形機殼磁軛(12)制成一體，可以用硅鋼片沖制而成，或用軟磁鐵等其它軟磁材料制成。方形機殼四角上設有4個安裝定位孔(10)，(14)為電機的電樞轉(zhuǎn)子。
方形機殼直流電機中，瓦形釹鐵硼永磁磁極的凸凹兩曲面半徑相等。由于與軟磁磁極構成一體的方形磁軛(機殼)是沖制而成的，因而軟磁磁極與轉(zhuǎn)子之間的氣隙可以按設計需要而定?？梢杂梅蔷鶆驓庀?，也可以用均勻氣隙。還應指出的是，方形磁軛內(nèi)腔內(nèi)一相對兩邊中央內(nèi)凹，瓦形永磁磁極嵌在該處而節(jié)省的空間可以安裝大尺寸轉(zhuǎn)子，致使電機輸出功率加大。從磁路設計來看，磁軛內(nèi)凹處通過的磁密正巧是偏低的。
本發(fā)明混合磁極電機的技術經(jīng)濟效果可以歸納為如下幾點(1)本發(fā)明混合磁極電機和同功率鐵氧體永磁電機相比，效率高、體積小、重量輕。
(2)本發(fā)明混合磁極電機每對磁極只用一塊瓦形釹鐵硼磁極，節(jié)省了一半釹鐵硼材料，并且由于瓦形釹鐵硼磁極凹凸兩曲面為等曲率半徑，當采用電火花線電極切割，從大塊釹鐵硼材料中加工這種永磁極時，兩個磁極可共用一個線切割曲面，從而提高了材料的利用率并節(jié)省了加工費用。
(3)本發(fā)明電機永磁磁極下為非均勻氣隙，最小氣隙在磁極中心，這種結構可以降低電機裝配精度的要求。
(4)本發(fā)明電機采用2P≥4的磁路結構，既減少了極弧機械角，又減小了永磁材料磁場取向和氣隙磁場方向之間的夾角，有利于材料和磁能的充分利用。
應當進一步說明本發(fā)明可以應用于兩大類高效永磁電機之中，即既可以用作交流同步電機，又可以用作直流電機。更明確地說，交流同步電機中又可以分二種運行狀態(tài);(1)交流同步電動機，利用軟鐵磁極中的鼠籠來異步起動，然后利用釹鐵硼永磁激磁作同步運行;(2)交流同步發(fā)電機，如永磁風力(或畜力)發(fā)電機，電站副勵磁機。當用作直流電機時也可以分二種工作狀態(tài);(1)永磁直流發(fā)電機，多適合作交通運輸工具(飛機、輪船、火車、汽車、拖拉機等)中的發(fā)電機;(2)永磁直流電動機，如有刷電動機，電子控向無刷電動機，盤式電動機等花樣品種特別多，用途也特別廣，除在交通運輸工具中作電動機外，還可以在電動工具、音響裝置、家用電器領域中作驅(qū)動電動機之用。
以下，提供一種按圖2結構設計的本發(fā)明釹鐵硼永磁與軟磁混合磁極直流電機實例，并將其與同功率鐵氧體永磁電機相比較，更具體說明本發(fā)明電機的效果。
(1)性能參數(shù)額定電壓 12伏額定電流 ≤4.2A額定轉(zhuǎn)矩 1000克厘米輸出功率 30瓦工作轉(zhuǎn)速 ＞3000每分轉(zhuǎn)電機效率 ＞60%電機壽命 ＞1200小時(2)結構參數(shù)極對數(shù)P 2(2P＝4)對瓦形釹鐵硼磁極 2個瓦形軟鐵磁極 2個瓦形釹鐵硼磁極凸曲面直徑Do＝6.4厘米瓦形軟磁磁極凹曲面直徑 D1＝5.8厘米極弧系數(shù)ατ＝0.7電樞外徑D＝5.75厘米(3)相同功率(30瓦)兩種永磁直流電動機比較數(shù)據(jù)如下電機類型 釹鐵硼混合磁極 鐵氧體磁鋼重量 35克 80克電機效率 ≥60% ≥50%體積(φ×L) φ6.9×7.2厘米 φ6.95×9.2厘米電機重量 1000克 1100克
權利要求
1.一種釹鐵硼永磁和軟磁混合磁極電機，為多對極閉合徑向磁路，其特征在于(1)極對數(shù)P≥2，(2)每對極閉合徑向磁路中，一塊是瓦形釹鐵硼永磁磁極，另一塊是瓦形軟磁磁極(3)瓦形釹鐵硼永磁磁極的內(nèi)外兩曲面(即凸曲面和凹曲面)的曲率半徑相等；(4)瓦形釹鐵硼永磁磁極的極弧系數(shù)和瓦形軟磁磁極的極弧系數(shù)可以不等。
2.如權利要求1所述的圖1混合磁極電機，其特征是瓦形釹鐵硼永磁磁極(1)與瓦形軟磁磁極(3)相間隔地裝在轉(zhuǎn)子磁軛(2)上，軟磁磁極(3)和轉(zhuǎn)子磁軛(2)成一體，在軟磁磁極面上配置鼠籠導體條(4)，電機定子(5)為三相繞組。
3.如權利要求1所述的圖2混合磁極電機，其特征是瓦形釹鐵硼永磁磁極(6)和瓦形軟磁磁極(7)均勻分布、互相間隔地裝在磁軛機殼(8)內(nèi)組成電機定子，永磁磁極的極弧系數(shù)小于或等于軟磁磁極的極弧系數(shù)。
4.如權利要求1所述的圖3混合磁極電機，其特征是方形機殼磁軛(12)與混合磁極結構組成電機定子，兩塊同極性的瓦形釹鐵硼永磁磁極(11)，分別嵌裝在方形機殼磁軛(12)相對兩邊的中央，方形機殼磁軛在該處的內(nèi)凹曲面形狀與永磁磁極凸曲面相配合，對稱極中線處機殼壁厚最小，機殼磁軛其余的相對兩邊為軟磁磁極(13)，軟磁磁極(13)和方形機殼磁軛(12)制成一體。
全文摘要
本發(fā)明是一種釹鐵硼永磁和軟磁的混合磁極電機，采用極對數(shù)P≥2多對極閉合徑向磁路，每對極磁路中，只用一個瓦形釹鐵硼永磁磁極，另一個磁極用軟磁材料，永磁磁極凹凸兩曲面的曲率半徑相等，所對應的電機氣隙是非均勻的，永磁磁極的極弧系數(shù)和軟磁磁極的極弧系數(shù)可以不相等。本發(fā)明既可以用于交流同步電機，又可以用于直流電機。
文檔編號H02K1/06GK1056383SQ9110107
公開日1991年11月20日 申請日期1991年2月27日 優(yōu)先權日1991年2月27日
發(fā)明者韋文德, 謝果良 申請人:中國科學院電工研究所