专利名称：高功率密度永磁电机设计方法
技术领域：
本发明涉及电机技术，特别是涉及一种永磁电机(包括永磁直流、永磁无刷、永 磁同步电机)的高功率密度永磁电机设计方法。
背景技术：
近年来，永磁交直流伺服电机已广泛应用于自动控制系统中。作为快速响应的 驱动元件，世界各国不断地采用新技术进行更新换代。为了适应形势发展，必须更 新观念。最佳的电机设计原则不能满足达到最佳的性能，而应该达到最佳的性能/价 格比、最佳的性能/体积比。永磁电机设计关键之一是选定磁钢工作点，工作点是校 核永磁材料选用和磁钢尺寸是否合理的重要依据。空载工作点依据外磁路磁导，负 载工作点依据去磁磁势。长期以来，永磁电机传统设计习惯于把磁体工作点(即磁通 O与磁势F之交点)选在磁钢去磁曲线的直线部分，即使过载，在动态磁路情况下， 也要求工作点落在去磁曲线拐点以上的直线部分(恒磁区)，从而避免由于电枢反应， 特别是暂态下的电枢反应使磁体不可逆去磁，引起工作点磁密下降，影响出力。但 磁钢用量要增加，使电机成本提高，使永磁无刷电机、永磁同步电机和永磁伺服电 机转子惯量增加，降低电机过载能力和快速响应。这是传统电机设计的弊病。
发明内容
针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种能使 直流电机外径减小，使交流电机转子惯量减小，过载能力和快速响应提高，能使电 机具有高性价比、高功率密度、高出力、低波动、小型轻量化和平稳运行等特点的 高功率密度永磁电机设计方法。为了解决上述技术问题，本发明所提供的一种高功率密度永磁电机设计方法， 其特征在于所述永磁电机磁钢的负载工作点(即磁钢磁通密度Bm与磁钢磁场强度 Hm或磁通①与磁势F之交点)设计(选择)在磁钢去磁曲线BM=f (HM)的拐点以下的 曲线段，即在磁钢去磁曲线Bm={[(-uo N Ic/8)/Ku (l-o)KcS]-[(uo hm)/ Ky(l-o) KcS]川m的拐点以下的曲线段()，式中Uo-真空磁导率，N-电枢总导 体数，Ic-电枢电流，Kii-磁路饱和系数，o-漏磁系数，Kc-卡氏系数，S-定转子 间气隙长度，hm-磁钢厚度；设拐点的坐标为Hmg、 Bmg，负载工作点的坐标为Hmw 、 Bmw，则有Hmg < Hmw， Bmg >Bmw。提高电机性价比和伺服性能。
进一步的，所述永磁电机包括有刷和无刷电机。
进一步的，所述永磁电机的磁钢包括电机定子磁钢(有刷电机)和转子部分的磁 钢(无刷电机)。
进一步的，所述负载工作点选择在拐点以下，同时通过径向、轴向聚磁或适当 增加磁钢轴向长度来补偿磁钢去磁。 本发明提供的高功率密度永磁电机设计方法的有益效果
1) 电枢磁场引起磁钢中有2 3%不可逆磁通损失是允许的，本发明设计的永磁 电机磁钢厚度从9mm减为7mra，节省磁体29%，而磁通损失仅为2. 8%，使电机的功 率密度大幅度提高。因此，从经济观点看，小范围不可逆磁通损失是可以接受的，；
磁通损失可用径向、轴向聚磁或适当增加磁钢长度来补偿；磁钢厚度减薄，使 直流电机外径减小，使交流电机转子惯量减小，过载能力和快速响应提高；
2) 适当增加磁钢长度来补偿电枢反应的去磁，节约了一段中孔圆柱磁钢，仅增 加一片环形磁钢，同时充分发挥了永磁电机优点，使电机具有高性价比、高出力、 低波动、低惯量、快响应、小型轻量化和平稳运行等特点。
4图1为本发明实施例永磁无刷电机(a)和永磁有刷电机(b)剖面结构示意图；图2为不同温度影响下磁钢去磁曲线的变化示意图；图3为本发明实施例永磁无刷电机磁钢去磁面示意图4为本发明实施例Nd-Fe-B磁钢去磁曲线(9(TC时)和不可逆磁通损失。在图la中11、定子轭；12、定子齿；13、定子衝14、转子磁钢(磁极)；15、
转子轭；16、转子轴。在图lb中11'、定子轭；12'、定子磁钢(磁极)；13'、转
子槽；14'、转子齿；15'、转子轭；16'、转子轴；
在图3中21、定子轭；22、定子齿；23、定子槽；24、转子磁钢(磁极)；25、转子轭；26、转子轴；A'为磁钢去磁面。
具体实施例方式
以下结合
对本发明的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似方法及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。
本发明实施例所提供的一种高功率密度永磁电机设计方法，即磁钢工作点有意
设计在去磁曲线拐点以下的曲线段。本发明观点当今电机设计要注重性能价格比、性能体积比和功率密度，而电枢反应引起的去磁效应仅发生在接近磁极尖端的小范围内，实际上磁通量损失的百分比是很小的，仅为2 3%。因此，以极尖处负载工
作点不超过去磁曲线的拐点为依据的磁路设计既不经济又使电机性能变坏。
如图4所示，本发明实施例所提供的一种高功率密度永磁电机设计方法，永磁电机包括有刷和无刷电机，电机设计包括定子磁钢(有刷电机)和转子部分的磁钢(无刷电机)设计，其特征在于所述永磁电机磁钢工作点选择在磁钢去磁曲线BM-f(HM)的拐点以下的曲线段，提高电机性价比和伺服性能。永磁电机设计关键之一是选定磁钢工作点，传统设计准则是把磁体工作点选在磁钢去磁曲线的直线部分，即使过载，在动态磁路情况下，也要求工作点落在去磁曲线拐点以上的直线段，从而避免电枢反应使磁体不可逆去磁。但这样必须增加磁钢厚度。磁钢用量的增加，使电机成本提高。对于永磁无刷电机和交流伺服电机，转子磁钢的加厚，使转子惯量增加，快速响应性变坏。
图1是本发明实施例永磁直流无刷电机(a)和永磁直流有刷电机(b)剖面结构示意图；图2中1'、 2'、 3'、 4'为不同温度下的磁钢去磁曲线，Bm、 Hm为磁钢磁通密度和磁场强度；箭头方向是温度变化方向，对铁氧体磁钢而言为低温变化方向，对钕铁硼(Nd-Fe-B)磁钢而言为高温变化方向。铁氧体磁钢在低温下去磁曲线会出现拐点5'，引起磁钢不可逆去磁，钕铁硼磁钢在高温下去磁曲线会出现拐点5'，引起磁钢不可逆去磁，导致工作点磁通密度下降，出力降低。
图3是本发明实施例永磁无刷电机剖面结构示意图.A为电枢反应引起的磁钢去
磁面，可见电枢反应引起的去磁效应仅发生在接近磁极尖端的小范围内。
图4以目前永磁电机常用的钕铁硼磁钢为例，表示温度9(TC时钕铁硼磁钢去磁
曲线BM=f (HJ和负载工作点处在拐点7以下引起的不可逆去磁磁通损失。为了分析
方便，拐点7以下、以上去磁曲线均用直线段表示。本发明实施例的永磁电机的设计方法说明如下
工作点是校核永磁材料选用和磁钢尺寸是否合理的重要依据。空载工作点依据外磁路磁导，负载工作点依据去磁磁势。长期以来，永磁电机传统设计习惯于把磁钢工作点(即磁钢磁通密度Bm与磁钢磁场强度Hm或磁通O与磁势F之交点)选在磁钢去磁曲线的直线部分，即使过载，在动态磁路情况下，也要求工作点落在去磁曲线拐点以上的恒磁区，从而避免由于电枢反应，特别是暂态下的电枢反应使磁体不可逆去磁，引起工作点磁密下降。
图4中1为带拐点的磁钢去磁曲线BM=f (Hm) ， 2、 3分别为传统设计的空载和负载外磁路磁导线；4为本发明新方法设计的负载磁导线；5、 6分别为传统设计的空
6载和负载工作点，相应的磁通密度为B5、 B6， 6点的磁场强度为H6; 7为磁钢去磁曲线拐点，相应的拐点磁通密度为B7; 8、本发明的方法设计的负载工作点，相应的磁通密度为B8; A、磁钢(磁极)去磁面；Q/2、半个磁极磁通密度分布；a是磁极弧面中心为原点的极弧角变量；9为磁极磁通密度分布曲线B^f(a)。传统设计，负载工作点8应落在空载工作点5和拐点7之间。我们设计的系列钕铁硼永磁交直流伺服电机(转矩为0. 1 40Nm)，有意识把工作点选在去磁曲线拐点以下的8点，从而引起极尖处不可逆磁通损失(面积为A)。采取这种设计，半个磁极截面(Q/2范围内)的去磁面积为e/(Q/2)。
由图4可知e/(Q/2) = (B6-B7)/(B5-B7)。①为磁通，则不可逆磁通损失相对值A 。/d 可表示为
A①/ 0 = (B7-B8) (B6-B7)/ [4B5(B5-B7)]根据磁路分布和磁场计算，可求得对应于5、 6和7的磁通密度分别为
B5:Br/ [l+ur Ky (l-o) Kc S/hm]式中Br-磁钢剩磁，yr-磁钢平均磁导率，Ku-磁路饱和系数，o-漏磁系数，Kc-卡氏系数，S-定转子间气隙长度，hm-磁钢厚度。B7= [hm Br-u our N Ic/8] / [ur Ku (l-o)KcS+hm]式中uo-真空磁导率，N-电枢总导体数，I-电枢电流。B6= Br- ii o u rH6
根据磁路平衡关系计算，磁钢工作特性B^f(Hm)，可表示为
Bm={[(-uo N Ic/8)/Kp (1_ o )Kc S ]-[(u o hm)/ Ku (1-o) KcS]}Hm
设拐点7的坐标为Hmg 、 Bmg，负载工作点8的坐标为Hmw 、 Bmw，则有Hmg < Hmw， Bmg 〉Bmw。由图4可知电枢反应去磁磁场强度的递减，由极尖向磁极中心呈线性变化。负载时，磁钢一侧的边缘(磁极尖端)有最大的去磁，尤其是在起动、停止和突然反转时，去磁最大。采取新方法设计，半个磁极Q/2截面范围内的去磁面积A仅发生在接近磁极尖端的小范围内，实际上不可逆磁通损失很小，仅为2.8%，完全可以通过增加磁钢轴向长度来补偿。实践表明，磁钢长度为电枢长度的1.1 1.25倍是适宜的，对有效磁通的增加有利。当今电机设计要注重性能/价格比和性能/体积比，而电枢反应引起的去磁效应仅发生在接近磁极尖端的小范围内，实际上磁通量损失的百分比是很小的，因此，以极尖处负载工作点不超过去磁曲线的拐点为依据的磁路设计是不经济的。
保持钕铁硼永磁伺服电机其它参数不变，仅改变磁钢厚度，磁钢厚度从9mm减为7mm，节省磁体29%，而磁通损失仅为2.8%。因此，从经济观点看，小范围不可逆磁通损失是可以接受的。
权利要求
1、一种高功率密度永磁电机设计方法，其特征在于所述永磁电机磁钢的负载工作点选择在磁钢去磁曲线Bm＝{[(-μo N Ic/8)/Kμ(1-σ)Kcδ]-[(μo hm)/Kμ(1-σ)Kcδ]}Hm的拐点以下的曲线段，式中μo-真空磁导率，N-电枢总导体数，Ic-？Kμ-磁路饱和系数，σ-漏磁系数，Kc-卡氏系数，δ-定转子间气隙长度，hm-磁钢厚度；设拐点的坐标为Hmg、Bmg，负载工作点的坐标为Hmw、Bmw，则有Hmg＜Hmw，Bmg Bmw。
2、 根据权利要求1所述的高功率密度永磁电机设计方法，其特征在于，所述永 磁电机包括有刷和无刷电机。
3、 根据权利要求1所述的高功率密度永磁电机设计方法，其特征在于，所述永 磁电机的磁钢包括电机定子磁钢(有刷电机)和转子部分的磁钢(无刷电机)。
4、 根据权利要求l所述的高功率密度永磁电机设计方法，其特征在于，所述负 载工作点选择在拐点以下，同时通过径向、轴向聚磁或适当增加磁钢轴向长度来补 偿磁钢去磁。
全文摘要
一种高功率密度永磁电机设计方法，涉及电机技术领域；所要解决的是提高电机的过载和快速响应能力的技术问题；该永磁电机设计方法，其特征在于所述永磁电机磁钢的负载工作点选择在磁钢去磁曲线Bm＝{[(-μo NIc/8)/Kμ(1-σ)Kcδ]-[(μo hm)/Kμ(1-σ)Kcδ]}Hm的拐点以下的曲线段，式中μo-真空磁导率，N-电枢总导体数，Ic-？Kμ-磁路饱和系数，σ-漏磁系数，Kc-卡氏系数，δ-定转子间气隙长度，hm-磁钢厚度；设拐点的坐标为Hmg、Bmg，负载工作点的坐标为Hmw、Bmw，则有Hmg＜Hmw，Bmg＞Bmw。本发明能使电机具有高性价比、高功率密度、高出力、低波动、小型轻量化和平稳运行等特点。
文档编号H02K15/03GK101686002SQ20081020059
公开日2010年3月31日 申请日期2008年9月27日 优先权日2008年9月27日
发明者林德芳 申请人:上海特波电机有限公司