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稀土永磁电机磁路结构的对比和最新研究热点

一、稀土永磁磁路的基本结构形式

稀土永磁同步电机和稀土永磁无刷直流电动机,一般把永磁体安置在转子上,即内转子结构。常见的转子结构也有三种如图1(a)、(b)和(c)所示 (其中1是转子铁芯,2是转轴,3是永磁体,2是转轴,下同)。图1(a)为在转子铁心外圆粘贴瓦片形稀土永磁体;图1(b)为在转子铁心中嵌入矩形板状 稀土永磁体。这两种结构在高速运行的转子外套有一定厚度的紧圈,防止工作时离心力将永磁体甩出,同时在盐雾等恶劣环境中对永磁体起保护作用。保护套材料通 常用不导磁不锈钢、铝或环氧无纬玻璃丝带缚扎。图1(c)为在转子铁心外套一个整体粘结稀土磁环,适于体积和功率较小的稀土永磁无刷直流电动机,该结构转 子制造工艺性好。

常见内转子结构

(a)瓦片形磁体径向磁化   (b)矩形永磁体切向磁化   (c)环形永磁体径向磁化

图1 常见内转子结构

1表面式转子磁路结构

表面式转子磁路结构具有外凸式和内嵌式两种,如图2(a)、(b)所示,这种结构中,永磁体通常是瓦片形,永磁体的磁通方向是径向,永磁体表面与定子铁芯内圆之间一般套有一个起保护作用的非磁性圆筒。

表面式转子磁路结构

(a) 外凸式                 (b) 内嵌式

图1表面式转子磁路结构

1.2内置式转子磁路结构

根据稀土永磁体在转子内部放置的方向不同,稀土永磁同步电动机的转子结构可分为径向式、切向式和混合式。

径向式结构是指稀土永磁体产生的磁通方向是沿转子圆的半径方向,优点是漏磁系数小,无需隔磁措施,转子冲片的机械强度高等,但非整体性的结构导致加工难度增加,结构强度差。图3(图中1是鼠笼条,2是转轴,3是永磁体,4是非磁性材料,5是转子铁芯,6是隔磁槽,以下同。)中a、b均为切向式结构。

内置式径向式结构

(a)                                                                                                    (b)

图3 内置式径向式结构

切向式结构是指稀土永磁体产生的磁通方向是沿转子圆周的切线方向,这种结构的漏磁系数较大,并需采取隔磁措施,优点是一个极距下的磁通有相邻的两个磁极并联提供,可有更大的每极磁通,尤其当电动机极数较多、径向结构不能提供足够的每极磁通时,该结构的优势更为突出。图4是四种不同的切向结构,其中a是一种典型的4极切向式结构,永磁体内侧采用非磁性套筒或非磁性转轴;b、c的转子结构利用空气隙隔磁,省去了a中的隔磁套,转子冲片具有整体性,当励磁不足时还可在隔磁槽中放置永磁体来增加励磁。

内置式切向式结构

图4 内置式切向式结构

混合式结构集中上述两种结构的优点,但工艺复杂,成本高。图5国西门子公司的专利,永磁材料的高速发展,主要用于剩磁密度较低的铁氧体永磁同步电动机。这种结构己失去其优势。

图5 内置式混合式结构

在相同的条件下,三种内置式转子磁路结构中电机直轴同步电抗Xd相差不大,但交轴同步电抗Xq却相差很大,其中切向式的Xq最大,径向式次之。较大的Xq和凸极率可以提高电动机的牵入同步能力、磁阻转矩和电动机的过载倍数等,但会使电机起动过程中振动和噪声变大,起动时间延长。因此,设计高过载倍数的电动机时可以利用大凸极率所产生的磁阻转矩,而设计高起动性能的电动机时则应设法降低磁阻转矩。

二、稀土永磁磁路结构的研究热点

1. Halbaeh电机

1979年,美国著名学者KlausHalbach针对永磁体的构造提出了一种新颖的设计—Halbach列。图3是两种典型Halbach列永磁体排列和磁场分布图。

Halbach阵列及其磁场分布

图6 Halbach阵列及其磁场分布

从上面的磁场分布对比中可以明显看出,相对于一般径向永磁体构造,Halbach列磁场分布是一个单边磁场(one一sidedfield)分布。 将这种结构引入到永磁电机中替代传统的永磁体结构,将有效地增大电机气隙磁密,减小转子扼上的磁密,这对提高电机的功率密度和降低转子上的涡流损耗将有很 大的好处。

(1)功率密度大。相对于普通永磁体结构,由于Halbach列分解后的切向磁场与径向磁场的相互叠加使得气隙一侧的磁场强度大幅度提高,这样可有效地减小电机的体积,提高电机的功率密度。

(2)定转子不再需要斜槽。在普通永磁电机中,由于气隙磁场不可避免存在谐波,一般在定转子结构上采取斜槽削弱其影响。在Halbach电机中,由于气隙磁场正弦分布程度较高,谐波含量小,定转子无需斜槽。

(3)转子可采用非铁心材料。Halbach列自屏蔽效应产生的单边磁场分布不再需要转子采用磁性材料为其提供通路。这样不仅为转子选材提供了较大的选择余度,而且可以使系统有较低的转动惯量和较好的快速响应性能。

(4)气隙长度可加宽。理论分析表明,Halbach电机的气隙磁密可以达到普通永磁电机气隙磁密的万倍,如此以来可以通过加大气隙长度值来减少电机的铁耗、改善电机起动性能。

(5)永磁体利用率高。由于Halbach阵列分向磁化的结果,导致其永磁体工作点较高,一般均超过0.9,提高了永磁体的利用率。

(6)可使用集中式绕组。普通永磁电机中往往采用分布式绕组来削弱谐波磁势的影响。在Halbach电机中由于其磁场正弦分布程度较高,谐波磁场影响较小,可通过采用集中式绕组来降低线包高度。

(7)可采用无槽结构。相对于有槽结构电机而言,无槽结构电机的气隙磁场都相对较弱。由于Halbach电机气隙磁场较强,通过合理设计的无槽Halbach电机仍能保持较高的气隙磁密。

2. 混合励磁电机

    普通永磁无刷直流电机没有励磁绕组,不需要励磁功率,具有效率高的优点。但是,如果要实现恒功率调速,必须采用弱磁控制技术。由于永磁无刷直流电机常 采用稀土永磁体励磁,气隙磁通基本保持恒定,弱磁控制不易实现。对于直流励磁的同步电机,磁通可以通过励磁电流调节,弱磁控制易于实现。但由于电刷和滑环 的存在,造成电机的体积增大、效率降低和维护量增大。而混合励磁永磁电机正是综合了前两种电机的优点,电机除了永磁磁钢外,还有一套励磁绕组来调节气隙磁 密。混合励磁无刷直流电机具有以下特点:

(1)由于磁场可以为励磁绕组电流所调节,磁场控制很容易实现,可实现类似直流电机的低速助磁控制和高速弱磁控制。

(2)与传统的永磁电机相比,虽然混合励磁永磁电机效率有所降低,但电励磁部分励磁电流小,绕组励磁的功率小,效率的降低不多。混合励磁电机的优点 是:调速性能好,可以达到直流电机一样,但没有直流电机的碳刷及集电环易损坏的缺点;效率高;体积小;重量轻;出力大。在方波无刷直流机中采用混合励磁增 磁调节可以节省永磁材料、提高效率,比现有利用电枢反应去磁的调速方法具有明显的优越性。

混合励磁电机结构图

图7 混合励磁电机结构图

这种电机保留了永磁电机效率高的优点,又能方便的进行调磁,扩大了调速范围。由于这种弱磁控制已完全独立于电枢电流的控制,因此不仅可以用于电动机运行状态时的弱磁扩速功能,还可以实现发电机运行状态的电压调节功能,它成功地解决了永磁电机调磁调速的问题。

3. 横向磁通电机

横向磁通永磁电机(Transverse flux permanent magnet machine,简称TFPM),是相对于传统的径向磁通和轴向磁通电机而言的一种新型结构的电机种类,横向磁通结构电机的特点是集中绕组沿电机周向放 置,磁力线径向穿过气隙、轴向穿过定子。横向磁通电动机中,磁力线所在平面垂直于电机的旋转方向,如图9(b)所示。

横向磁通电机结构

图8 横向磁通电机结构

横向磁通永磁电机的优点:

(1)比传统电机的转矩密度和功率密度大。因为磁路与电路分离,所以它的功率密度高。可以在低速时保持高效率和大转矩。适合用于低速和大转矩的工业领域和军事领域。

(2)定子各相之间没有耦合,可独立分析与控制。因此在多相时,即使缺少一相也能正常工作,也便于设计为多相结构,使其具有良好的控制特性。

(3)它的许多参数是独立的,可以任意选择。设计自由度大,可根据需要调整磁路尺寸,选择线圈的规格和匝数。

然而,横向磁通电机结构比传统径向磁通电机结构上更复杂、工艺性差,并且由于大的绕组漏感,电机的功率因数低,而造成驱动系统容量增大、控制系统成本增加。

4. 爪极电机

永磁爪极电机具有比功率大、效率高和工作可靠;横向电枢反应在爪极中闭合,磁体几乎不受影响,气隙磁场稳定,不会发生不可逆畸变;纵轴电枢反应对电 机的去磁作用较小,磁体具有较强的过载能力;机械强度高,结构牢固,磁体外径较小,表面线速度不高;圆环形磁体的充磁和利用程度与极靴无关,适合于极数较 多或频率较高的中频发电机等优点。

爪极转子结构

图9爪极转子结构

爪极电机的磁场分布,具有典型的三维特性。爪极形状不规则,导致对它的设计、分析有一定的难度。爪极的一个很大特点是通过任一截面的磁通不相等,爪 尖部分最小,爪根部分最大,如果再考虑到爪极之间的漏磁通以及气隙磁场轴向的不均匀分布则通过爪极各截面的磁通变化更加复杂。为了使爪极的磁阻和磁位差最 小,须使每截面的磁通密度均匀相等,因此,必须设计沿轴向截面积不等的爪极形状。一般有宽爪极、梯形爪极和正弦爪极三种。


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