[發明專利]磁通切換型橫向磁通高速永磁電機

在審

• 申請號: 201810061321.0
• 申請日: 2018-01-22
• 公開（公告）號: CN108599404A
• 公開（公告）日: 2018-09-28
• 發明（設計）人: 王新
• 申請（專利權）人: 王新
• 主分類號: H02K1/02
• 分類號: H02K1/02;H02K1/14;H02K1/18;H02K1/24;H02K1/27;H02K1/28;H02K15/02;H02K15/03;H02K15/09;H02K21/16
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• 代理人: 暫無信息

磁通切換型橫向磁通高速永磁電機由定、轉子鐵心，定、轉子基體，相繞組組成。定子鐵心10由鐵基非晶合金制成的鐵心本體與硅鋼片制成的直套型極靴和L型極靴裝配而成；轉子鐵心20由硅鋼片制成，包含部件21與22，永磁體安裝于21與22之間的窗孔中；定、轉子基體沿軸向分為m相段，每段極對數為p；在定子基體每段槽道直接繞制環形相繞組，跨越相繞組，每段窗孔中安裝2p個鐵心10，繞電機軸線呈圓周陣列分布，相鄰鐵心10繞圓周陣列半徑轉180°；轉子基體每段窗孔中安裝2p個鐵心20，繞電機軸線呈圓周陣列分布，相鄰鐵心20中永磁體形狀相同，充磁方向相反；各相轉子鐵心20徑向對齊，各相定子鐵心10徑向相互錯開1/m極距角。

技術領域

本發明屬于電機制造領域，具體涉及一種磁通切換型橫向磁通高速永磁電機。

背景技術

高速電機通常是指最高轉速超過10000r/min的電機。高速電機在離心式壓縮機、混合動力或純電動汽車的驅動電機、高速加工技術、航空電機、高速發電機等領域具有廣泛、重要用途。它們具有以下優點：由于轉速高，所以電機功率密度高，而體積遠小于普通電機；可與原動機直接相連，取消了傳統的減速機構，傳動效率高，噪音小；高速電機轉動慣量小，動態響應快。

現有徑向磁通高速電機還存在諸多技術問題。

首先，在現有徑向磁通電機結構中，磁通經過的齒部和電樞繞組所在的槽占同一圓環截面，磁力線所在平面平行于電機的旋轉方向，槽的截面積與齒部截面積互相制約。如果需要流過較大的電流，就需要較大的線圈截面積，齒的截面積就受到影響(飽和作用會使磁通減小)；反之亦然。如果齒截面積和槽截面積同時增大，則必然會增大電機的半徑，使電機的功率和轉矩密度降低。創新出路在于選擇橫向磁通的電磁結構。在橫向磁通電機中，因為磁路與電路分離，且在空間相互垂直，鐵心與繞組的尺寸可以獨立調整，設計自由度大，能有效提高電機功率和轉矩密度，容易實現多相、多極對數結構。

現有的橫向磁通永磁電機，相鄰兩組轉子鐵心只對應一組定子鐵心，磁通的空間利用率低。在中國專利CN201010100924的設計方案中，用磁通切換的方式實現了轉子鐵心與定子鐵心一對一，提高了磁通的空間利用率。但是，“轉子鐵心(4)兩邊分別嵌入一塊永磁體(2)(3)”，就是說，用一個包含2塊永磁體的一個轉子鐵心對應一個定子鐵心，而且這2塊永磁體是輪流工作，永磁體的利用率還是偏低。

第二，電機的功率密度和電機鐵心內的磁通密度值B_m與電磁頻率f的乘積成正比，但是受軟磁材料飽和磁感應強度B_s的限制，要大幅度提高電機的功率密度必須提高電機的頻率f。然而，電機鐵心的總損耗又與頻率的1.3～1.5次方成正比。當電機的工作頻率從50Hz提高到500Hz，假設磁通密度值B_m不變，電機的鐵損不是增加10倍，而是增加200多倍。因此，硅鋼電機鐵心的損耗將變得非常嚴重，導致效率顯著下降，甚至造成電機過熱損壞。對于工作頻率介于幾百至幾千Hz的電機，使用鐵基非晶合金代替硅鋼，用作電機鐵心，對于降低電機鐵損和鐵心溫升意義重大。鐵基非晶合金還具有硅鋼幾倍的磁導率，可以在很大程度上降低電機的勵磁電流，進而降低電機的銅損。

目前，將鐵基非晶合金用作電機鐵心，在世界范圍內是一個挑戰性難題。難點在于，鐵基非晶合金帶材厚度：25～30微米，維氏硬度：900kg/mm²，居里溫度：415℃，熱處理后的非晶合金疊片鐵心可能會發脆。對非晶合金疊片鐵心，很難用常規的機械切削工藝加工，也無法進行大電流高溫焊接。目前，鐵基非晶合金帶材最大寬度為213mm。這樣的帶材寬度，對于需要采用整體性、大面積沖裁帶材制作鐵心的現有徑向磁通電機，除了小、微型電機外，中型以上電機根本無法使用。但對于采用離散的、小尺寸鐵心的橫向磁通電機來說，中、大、巨型電機都非常適用。

第三，當電機的工作頻率達到幾百Hz以上，電機繞組導線的集膚效應將變得非常嚴重，如果采用普通的電磁線，電機的銅損將大幅上升。采用高頻利磁線(由直徑0.1mm的漆包線4～25000股絞合而成)，高頻運轉時，可大幅減小導線集膚效應，大幅降低電機銅損。