CN105375655A - 应用高饱和磁感应强度的软磁粉芯的轴向磁通电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及应用高饱和磁感应强度的软磁粉芯的轴向磁通电机，具体是将高饱和磁感应强度的软磁粉芯用于复合永磁铁和/或铁芯上。与现有技术相比，使用高饱和磁感应强度的软磁粉芯用于复合永磁铁或大功率铁芯后，由于其高饱和磁感应强度，在相同的铁芯材料下可以使用更大的励磁磁场以激发定子更强的励磁磁密。最大的励磁磁密根据理论计算与试验明显大于传统的非晶铁芯和较新的无铁芯定子，因此，电机具有更高的输出功率。

Description

应用高饱和磁感应强度的软磁粉芯的轴向磁通电机

技术领域

本发明涉及一种电机，尤其是涉及一种应用高饱和磁感应强度的软磁粉芯的轴向磁通电机。

背景技术

通常认为在低速大转矩的推进电机中，横向磁通永磁电机的转矩密度可达到常规电机的3-6倍。横向磁通永磁电机的相与相之间不存在电磁耦合关系，每相可单独供电，这就意味着即使某相发生故障，可将其切除，而不会影响其他相降功率继续运行，大大提高了电力推进系统的可靠性。然而常见的C型拓扑结构横向磁通电机定转子铁芯一般采用软铁经机械加工或由粉末软磁复合材料SMC压制而成，这两种材料的磁性能都比硅钢片差，而软铁的涡流损耗较高，这限制了横向磁通电机的电磁性能的充分发挥。

中国专利CN102522834A公布了一种永磁电机，其包括定子基座以及沿周向均匀固定在所述定子基座上由若干定子磁极单元构成的至少一层环形定子磁极；还包括转子母板以及沿周向均匀固定在转子母板上由若干转子磁极单元构成的至少一层环形转子磁极。该专利取消横向磁通电机采用的软铁或由粉末软磁复合材料SMC压制而成的定转子铁芯，灵活采用高导磁性能低损耗的定转子硅钢片结构。其克服传统C型拓扑结构的横向磁通电机定转子铁芯难以兼顾高导磁和低损耗的不足，同时具有结构设计灵活简单，装配简易，导磁材料利用率高，经济性好，电机的加工制造方便。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供应用高饱和磁感应强度的软磁粉芯的轴向磁通电机。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

应用通软磁粉芯的轴向磁通电机，所述的高饱和磁感应强度的软磁粉芯用于复合永磁铁和/或铁芯上。

所述的高饱和磁感应强度的软磁粉芯具有较大的饱和磁感应强度和较小的涡流损耗，其磁感应强度为1.5-2.0T。并且该高饱和磁感应强度的软磁粉芯用于使用粉末冶金或3D打印，可以更为自由的制作三维形状，而不只是传统的二维结构。

所述的高饱和磁感应强度的软磁粉芯可以采用市面常见材料，也可以根据需要自行配制，只需要同时具有较大的饱和磁感应强度与较小的涡流损耗即可。

对于高饱和磁感应强度的软磁粉芯用于复合永磁铁的情况，复合永磁铁包括以下两种结构：

第一种结构：所述的复合永磁铁由永磁体层与高饱和磁感应强度的软磁粉芯层层状交叠构成，且至少为2层。贴合方式可以通过磁吸力，如有需要可以使用粘合剂粘结。所述的永磁体具有高剩磁(最小在1.3T左右)特点，优选为稀土永磁体。且永磁体层与高饱和磁感应强度的软磁粉芯层的厚度比优选为2:1。

第二种结构：为了加强工作磁密，考虑构造Halbach工作磁场，因此，所述的复合永磁铁为层状结构，每一层均由平面齿圈以及镶嵌在平面齿圈上N、S级圆周交替排列的永磁体构成，由于磁粉芯内部的磁路特点即自然形成所需的Halbach磁场。所述的平面齿圈由高饱和磁感应强度的软磁粉芯形成，且邻位永磁铁N、S反向充磁。

所述的平面齿圈采用单面齿圈或双面齿圈的结构，由于平面齿圈为复杂的立体结构，对于高饱和磁感应强度的软磁粉芯而言，可以使用粉末冶金或3D打印方法非常方便的制造，而传统磁性材料制作该形状较为困难甚至无法制造。

所述的复合永磁铁作为电机端面转子时，采用单面齿圈结构，使得复合永磁铁的一面为单面齿圈的背面，即将高饱和磁感应强度的软磁粉芯作为背铁，对外界起到了隔磁的作用，使漏磁将至最低，复合永磁铁的另一面镶嵌有永磁铁；

所述的复合永磁铁作为电机中间转子时，采用单面齿圈与双面齿圈结合的方式，使得复合永磁铁的两面均镶嵌有永磁铁。

对于高饱和磁感应强度的软磁粉芯用于铁芯的情况，铁芯为大功率铁芯，其包括以下两种结构：

第一种结构：所述的铁芯由若干个扇形铁芯单体沿圆周分布式布设组成，所述的扇形铁芯单体侧面平绕线圈，所述的扇形铁芯单体由高饱和磁感应强度的软磁粉芯制成。

需要注意的是，由于其高饱和磁感应强度，在相同的铁芯材料下可以使用更大的励磁磁场以激发定子更强的励磁磁密。最大的励磁磁密根据理论计算与试验明显大于传统的非晶铁芯和较新的无铁芯定子，因此，电机具有更高的输出功率。增加励磁磁场主要通过提高电流和线圈匝数实现。

第二种结构：所述的铁芯由平面齿圈及缠绕在平面齿圈上的线圈组成，线圈是根据平面齿圈的形状定制骨架绕制后套入平面齿圈，所述的平面齿圈由高饱和磁感应强度的软磁粉芯制成。

为了各种情形的电机，所述的平面齿圈为单面齿圈或双面齿圈，对于双面齿圈，两面的齿可以相对齐，还可以相错开。对于小型压机无法生产较大的平面齿圈，可以对平面齿圈进行圆周等分拆分成较小的部件进行成形加工。

对于轴向磁通电机的整体结构，其可以为单层的结构，还可以为多层串联的结构，这些结构在以前的盘式电机及轴向磁通电机中都有呈现，为常规设置，此处不再赘述。所述的复合永磁铁与铁芯其一用作定子，另一用作转子。

对于单层的情形，如使用了第一种结构的复合永磁体和第一种结构的铁芯，添加辅助支撑，可以构建任何形式的电机；如使用第二种结构的复合永磁体和第一种结构的铁芯，添加辅助支撑，可以构建端面是单排或双排复合永磁体转子、中间是铁芯定子的电机，或者端面是定子，中间是单排复合永磁体转子的电机(如果是该情形，则单排永磁转子必须有隔磁板以减少向外界漏磁，且隔磁板须随转子转动)；如使用第二种结构的复合永磁体，且复合永磁铁作为电机中间转子时，同时使用第一种结构或第二种结构的铁芯作为定子铁芯，添加辅助支撑，可以构建端面是双定子的电机结构。对于多层的情形，两端与单层的情形一致，对于中间层，需要采用第二种结构的复合永磁体(且复合永磁铁作为电机中间转子时的结构限定)和第一种结构或第二种结构的铁芯。

与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：

1、本发明的高饱和磁感应强度的软磁粉芯可用于使用粉末冶金或3D打印，可以更为自由的制作三维形状，而不只是传统的二维结构，因此，可以采用本发明的高饱和磁感应强度的软磁粉芯制作各种形状或结构的复合永磁铁或大功率铁芯，以用于大功率轴向磁通电机。

2、使用本发明的高饱和磁感应强度的软磁粉芯用于复合永磁铁或大功率铁芯后，由于其高饱和磁感应强度，在相同的铁芯材料下可以使用更大的励磁磁场以激发定子更强的励磁磁密。最大的励磁磁密根据理论计算与试验明显大于传统的非晶铁芯和较新的无铁芯定子，因此，电机具有更高的输出功率。

附图说明

图1为实施例1中扇形铁芯单体结构示意图；

图2为实施例2中铁芯结构示意图；

图3为单面平面齿圈结构示意图；

图4为双面平面齿圈结构示意图；

图5为实施例3中复合永磁铁结构示意图；

图6为实施例4中复合永磁铁结构示意图；

图7为复合永磁铁作为电机端面转子时结构示意图；

图8为复合永磁铁作为电机中间转子时结构示意图；

图9为实施例5中电机结构示意图一；

图10为实施例5中电机结构示意图二；

图11为实施例5中电机结构示意图三；

图12为实施例5中电机结构示意图四；

图13为实施例5中电机结构示意图五；

图14为实施例5中电机结构示意图六。

图中，1为扇形铁芯单体，2为线圈，3为平面齿圈，4为永磁体层，5为软磁粉芯层，6为永磁体块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

高饱和磁感应强度的软磁粉芯用于大功率铁芯，继而用于大功率轴向磁通电机。

铁芯由若干个扇形铁芯单体沿圆周分布式布设组成，如图1所示，扇形铁芯单体1侧面平绕线圈2，扇形铁芯单体1由1k101高饱和磁感应强度非晶纳米晶软磁粉芯制成。

本实施例中，扇形铁芯单体1为长条扇形，以使电机获得更多的极对数，另外，其两端的圆角与扇形边相切，以方便绕制绕组，且方便开模压制加工。如有必要，两扇形直边也可呈现一定的大圆弧，以更适合绕组绕线，另外，本实施例采用在扇形铁芯单体1侧面直接绕线的方法，省去骨架，以获得更紧凑的体积和更高的性能，所以该实施例采用绝缘绕组。

实施例2

将1k101高饱和磁感应强度非晶纳米晶软磁粉芯用于大功率铁芯，如图2所示，铁芯由平面齿圈3及缠绕在平面齿圈上的线圈2组成，线圈2是根据平面齿圈上齿的形状定制骨架绕制后套入平面齿圈，平面齿圈由1k101高饱和磁感应强度非晶纳米晶软磁粉芯制成。

如图3所示，平面齿圈3为单面齿圈，如图4所示，平面齿圈3为双面齿圈，对于双面齿圈，两面的齿可以相对齐，还可以相错开。对于小型压机无法生产较大的平面齿圈，可以对平面齿圈进行圆周等分拆分成较小的部件进行成形加工。

实施例3

如图5所示，复合永磁铁由永磁体层4与1k101高饱和磁感应强度非晶纳米晶软磁粉芯层5层状交叠构成，且至少为2层。贴合方式可以通过磁吸力，如有需要可以使用粘合剂粘结。本实施例中，永磁体具有高剩磁(最小在1.3T左右)特点，优选为稀土永磁体。且永磁体层与高饱和磁感应强度的软磁粉芯层的厚度比优选为2:1。

实施例4

高饱和磁感应强度的软磁粉芯用于复合永磁铁。

为了加强工作磁密，考虑构造Halbach工作磁场，因此，本实施例中复合永磁铁为层状结构，如图6所示，每一层均由平面齿圈3以及镶嵌在平面齿圈上N、S级圆周交替排列的永磁体块6构成，由于磁粉芯内部的磁路特点即自然形成所需的Halbach磁场。其中，平面齿圈采用1k101高饱和磁感应强度非晶纳米晶软磁粉芯制得，且邻位永磁体N、S反向充磁。

其中，平面齿圈3采用单面齿圈或双面齿圈的结构，由于平面齿圈为复杂的立体结构，对于高饱和磁感应强度的软磁粉芯而言，可以使用粉末冶金或3D打印方法非常方便的制造，而传统磁性材料制作该形状较为困难甚至无法制造。

当复合永磁铁作为电机端面转子时，采用如图7所示结构，即采用单面齿圈结构，使得复合永磁铁的一面为单面齿圈的背面，即将高饱和磁感应强度的软磁粉芯作为背铁，对外界起到了隔磁的作用，使漏磁将至最低，复合永磁铁的另一面镶嵌有永磁铁；

当复合永磁铁作为电机中间转子时，由于需要两面都提供气隙磁场，采用如图8所示结构，即采用单面齿圈与双面齿圈结合的方式，使得复合永磁铁的两面均镶嵌有永磁铁。对于这种情况，为了便于加工装配，可以采用一段端面的软磁粉芯层具有双面齿圈特征，经理论模拟和实验结果，该种方式的复合磁铁磁场具有更好的正弦性。

实施例5

应用高饱和磁感应强度的软磁粉芯的轴向磁通电机可以实现下图示意的电机结构。图9-图12是单层可以实施的情形。图9和图10是可以采用的分布式铁芯及永磁单层方案，两个方案都是3相直流电机。

图9所示的电机，特征是两端是采用实施例1所述铁芯作为定子，中间是采用实施例3所述复合永磁铁作为转子，优选的单面磁粉芯数:复合永磁数＝3:2。两端定子采用实施例1的分布式磁粉芯(图1所示)，圆周阵列放置，并用电绝缘材料固化成型为整体(优选的固化材质为强化复合树脂材料，固化温度<120℃)，中间转子采用实施例3所示的复合永磁铁(如图5所示)拼接而成，两个端面都是永磁面，邻位磁铁N、S反向充磁。

图10所示的电机，特征是两端是采用实施例3所述复合永磁铁作转子，中间是采用实施例1所述铁芯作为定子，优选的磁粉芯数:单面复合永磁数＝3:2。定子和转子和图9的结构类似，不同在于两端定子的复合永磁铁，向定子的一面是永磁体面，另一面是软磁粉芯面，这样有助加强工作磁密，减少漏磁。

图11和12是可以采用的Halbach复合永磁与平面齿圈型铁芯的单层方案。

图11所示电机，左面是采用实施例2中单面平面齿圈型铁芯结构磁粉芯定子(图3所示，含背铁结构)，右面是采用实施例4所示Halbach复合永磁铁转子(图7所示，含背铁磁粉芯)，两个背铁面朝外如图所示，这种结构用于相对较小的功率场合。

图12所示电机，端面是采用实施例4所示Halbach复合永磁转子(图7所示，含背铁磁粉芯)，中间是采用实施例2中双面平面齿圈型铁芯结构磁粉芯定子(图4所示)，两个背铁面朝外如图所示，这种结构用于相对较大功率的场合。

另一种端面是采用实施例2中单面平面齿圈型磁粉芯定子(含背铁结构)，中间是实施例4所示Halbach复合永磁转子(不含背铁磁粉芯)，两个背铁面朝外，本例未画出，这种结构也用于相对较大功率的场合。

图13和14是可以采用的Halbach复合永磁与平面齿圈型铁芯的多层方案。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种应用高饱和磁感应强度的软磁粉芯的轴向磁通电机，其特征在于，所述的高饱和磁感应强度的软磁粉芯用于复合永磁铁和/或铁芯上。

2.根据权利要求1所述的轴向磁通电机，其特征在于，所述的复合永磁铁由永磁体层与高饱和磁感应强度的软磁粉芯层层状交叠构成。

3.根据权利要求1所述的轴向磁通电机，其特征在于，所述的复合永磁铁为层状结构，每一层均由平面齿圈以及镶嵌在平面齿圈上N、S级圆周交替排列的永磁体构成，所述的平面齿圈由高饱和磁感应强度的软磁粉芯形成，且邻位永磁铁N、S反向充磁。

4.根据权利要求3所述的轴向磁通电机，其特征在于，所述的平面齿圈采用单面齿圈或双面齿圈的结构，

所述的复合永磁铁作为电机端面转子时，采用单面齿圈结构，使得复合永磁铁的一面为单面齿圈的背面，复合永磁铁的另一面镶嵌有永磁铁；

所述的复合永磁铁作为电机中间转子时，采用单面齿圈与双面齿圈结合的方式，使得复合永磁铁的两面均镶嵌有永磁铁。

5.根据权利要求1所述的轴向磁通电机，其特征在于，所述的铁芯由若干个扇形铁芯单体沿圆周分布式布设组成，所述的扇形铁芯单体侧面平绕线圈，所述的扇形铁芯单体由高饱和磁感应强度的软磁粉芯制成。

6.根据权利要求1所述的轴向磁通电机，其特征在于，所述的铁芯由平面齿圈及缠绕在平面齿圈上的线圈组成，线圈是根据平面齿圈的形状定制骨架绕制后套入平面齿圈，所述的平面齿圈由高饱和磁感应强度的软磁粉芯制成。

7.根据权利要求6所述的轴向磁通电机，其特征在于，所述的平面齿圈为单面齿圈或双面齿圈，对于双面齿圈，两面的齿相对齐或相错开。

8.根据权利要求1所述的轴向磁通电机，其特征在于，所述的轴向磁通电机为单层的结构或多层串联的结构，所述的复合永磁铁与铁芯其一用作定子，另一用作转子。