专利名称：一种聚磁型共极靴永磁电机的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及永磁电机的技术，特别是涉及一种聚磁型共极靴永磁电机的技 术。
背景技术：
目前，永磁电机已广泛用于自动控制系统中，其中铁氧体、钕铁硼和稀土钻永磁电 机作为快速响应驱动元件，在设计时不能生搬套地采用铝镍钻磁钢电机的传统磁路。合理的磁路设计可以提高气隙磁密，减少转动惯量，这对于高速电机是极为重要 的；例如永磁伺服电机的加速度是由峰值矩与电机负载的总惯量之比来决定的，要保证大 转矩，就需要比较大的惯量，而惯量的增加会使加速度降低，进而会降低电机的响应速度。 由此可见，电机在设计时必须满足产生一定加速度所需要的峰值转矩。由于电机的输出转 矩正比于电枢电流，因此可以通过提高电枢电流的方式来提高电机转矩，但是这样会加重 电机的发热；如果为了抑制发热量而加大电枢组导线的直径，就会加大整个电枢的直径，从 而使得转动惯量也随之加大，会引起恶性循环。由于转矩与电枢直径的平方、电枢长度、线 负荷、气隙磁密成正比；因此，如果要提高转矩，在一定的线负荷下必须提高气隙磁密；如图4所示，现有的共极靴永磁电机中，每个磁极由两个永磁体2’和一个共用极 靴3’组成，每个永磁体2’的外侧面与定子1’内壁固接，内侧面与极靴3’固接，同一磁极 中的两个永磁体2’的内侧面边缘连接，而且两块永磁体的内侧面之间的夹角小于180度， 每个永磁体2’朝向同一磁极中另一永磁体一侧的面均为平面(即其径向截面中朝向同一 磁极中另一永磁体一侧的线为直线)；现有的共极靴永磁电机提高气隙磁通密度(磁密) 的方法是通过加大永磁体的横截面或增加磁极的厚度进行聚磁；但是，在现有共极靴永 磁电机中磁路结构中，永磁体的磁密最大处不是永磁体的内侧面处(即永磁体与极靴的接 合面)，而是在永磁体内、外侧面之间，在永磁体内侧面处反而降低了，因此现有共极靴永磁 电机不能有效聚磁，也不能通过提高气隙磁密的方法有效提高电机的功率密度、转矩及响 应速度。
实用新型内容针对上述现有技术中存在的缺陷，本实用新型所要解决的技术问题是提供一种具 有高功率密度、高转矩，而且响应速度快的聚磁型共极靴永磁电机。为了解决上述技术问题，本实用新型所提供的一种聚磁型共极靴永磁电机，包括 定子、转子和多个磁极，所述转子套设于定子内，所述各磁极轴对称固定于定子内壁，每个 磁极均由两块永磁体和一块极靴组成，所述两块永磁体和极靴的轴线均平行于转子的轴 线，两块永磁体的外侧面分别与定子内壁接合，内侧面分别与极靴接合，而且两块永磁体相 邻一侧的极性相同；所述永磁体的外侧面和内侧面均为平面，且相互平行；所述两块永磁 体的内侧面边缘连接，而且两块永磁体的内侧面之间的夹角小于180度；其特征在于所述极靴朝向转子一侧的面为极靴面，所述极靴的极靴面面积小于两块永磁体的 内侧面面积之和，而且极靴的极靴面与转子周面之间具有气隙；[0009]所述永磁体的每个径向截面的形状尺寸均相同，其径向截面中朝向相邻磁极一侧 的边线为第一侧边，朝向同一磁极中另一永磁体一侧的边线为第二侧边；所述第一侧边是 直线，所述第二侧边是折线或曲线。进一步的，所述永磁体的第二侧边是折线，该折线是聚磁曲线的近似折线，所述聚 磁曲线的曲线方程为y(X) = y0-(H/2LB)x2 ；其中，X为聚磁曲线上的一个点，χ为点X与永磁体外侧面之间的垂直间距，y⑴ 为点X与第一侧边之间的间距，y。为X = 0时点X与第一侧边之间的间距，H为永磁体的磁 场强度，2L为该永磁体与相邻磁极之间的间距，B为永磁体的磁密。进一步的，所述永磁体的第二侧边是曲线，该曲线为聚磁曲线，所述聚磁曲线的的 计算方程为y(X) = y0-(H/2LB)x2 ；其中，X为聚磁曲线上的一个点，χ为点X与永磁体外侧面之间的垂直间距，y⑴ 为点X与第一侧边之间的间距，y。为χ = 0时点X与第一侧边之间的间距，H为永磁体的磁 场强度，2L为该永磁体与相邻磁极之间的间距，B为永磁体的磁密。本实用新型提供的聚磁型共极靴永磁电机，由于其径向截面的第二侧边是最佳磁 密线或是最佳磁密线的近似折线，由第二侧边组成的面能使磁密在永磁体内侧面处达到最 大值，从而获得极佳的聚磁效果，能以最磁密“冲向”极靴的极靴面；而且由于极靴的极靴面 面积小于两块永磁体的内侧面面积之和，在漏磁不变的情况下，两块永磁体的内侧面处的 磁通同时挤向极靴的极靴面，使得极靴的极靴面处的磁通密度远大于永磁体内侧面处的磁 通密度，由于极靴的极靴面是直接面向转子周面的，因此能显著提高极靴的极靴面和转子 周面之间的气隙的磁密；从而有效提高电机出力、功率密度和转矩，具有高功率密度、高转 矩，响应速度快的特点。
图1是本实用新型实施例的聚磁型共极靴永磁电机的结构示意图；图2是本实用新型实施例的聚磁型共极靴永磁电机中的磁通密度与磁场强度原 理图；图3是本实用新型实施例的聚磁型共极靴永磁电机中的磁路分析原理图；图4是现有共极靴永磁电机的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图说明对本实用新型的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用 于限制本实用新型，凡是采用本实用新型的相似结构及其相似变化，均应列入本实用新型 的保护范围。如图1所示，本实用新型实施例所提供的一种聚磁型共极靴永磁电机，包括定子 1、转子4和多个磁极，所述转子4套设于定子1内，所述各磁极轴对称固定于定子1内壁， 每个磁极均由两块永磁体2和一块极靴3组成，所述两块永磁体2和极靴3的轴线均平行 于转子4的轴线，两块永磁体2的外侧面分别与定子1内壁接合，内侧面分别与极靴3接合，而且两块永磁体2相邻一侧的极性相同；所述永磁体2的外侧面和内侧面均为平面，且 相互平行；所述两块永磁体2的内侧面边缘连接，而且两块永磁体2的内侧面之间的夹角小 于180度；其特征在于所述极靴3朝向转子4 一侧的面为极靴面，所述极靴3的极靴面面积小于两块永 磁体2的内侧面面积之和，而且极靴3的极靴面与转子4周面之间具有气隙；如图2所示，所述永磁体2的每个径向截面的形状尺寸均相同，其径向截面中朝向 相邻磁极一侧的边线为第一侧边6，朝向同一磁极中另一永磁体一侧的边线为第二侧边8 ； 所述第一侧边6是直线，所述第二侧边8是聚磁曲线7的近似折线，所述聚磁曲线7的曲线 方程为y(X) = y0-(H/2LB)x2其中，X为聚磁曲线7上的一个点，χ为点X与永磁体外侧面之间的垂直间距，y (X) 为点X与第一侧边之间的间距，y。为χ = 0时点X与第一侧边之间的间距，H为永磁体的磁 场强度，2L为该永磁体与相邻磁极之间的间距，B为永磁体的磁密；如图2所示，该图中的竖轴线B为磁通密度轴，横轴线H为磁场强度轴，曲线B (χ) 为永磁体的磁通密度变化曲线，曲线H(X)为永磁体的磁场强度变化曲线，Bmax为永磁体磁 密最大值，Br为永磁体的磁体剩余磁感应；如图3所示，本实用新型实施例中，所述聚磁曲线的曲线方程按以下步骤推算而 得1)聚磁曲线上任意一个点的总磁势为F(X)= ^Hxdx;式中X为聚磁曲线7上的一个点，F(X)为X点的总磁势，χ为点X与永磁体外侧 面之间的垂直间距，Hx为X点的场强，dx为聚磁曲线7上的一个点与X点之间的单位长度， 该点位于X点与永磁体内侧面之间；2)得出点X在单位长度dx中的漏磁为d Φ = F(X) (ffdx/L)；式中d Φ为点X在单位长度dx中的漏磁，W为永磁体的轴长，L为该永磁体与相 邻磁极之间的间距值的一半；3)得出单位长度dx为Ax=F(X) ( φ/dx) =F(X) (W/L) = (W/L) ^Hxdx-,4)假定永磁体任一点上的磁场强度在均为常数，则X点的漏磁为φ = (W/L) H · χ ；式中Φ为X点的漏磁，H为永磁体任一点上的磁场强度；5)得出永磁体内侧面到X点的总漏磁为φχ= J[0(ic= (WH/L) [xdx= (WH/L) χ2；式中Φ χ为永磁体内侧面到X点的总漏磁；当χ与第一侧边的长度相等时(即χ值为最大)，则X点的漏磁为(WH/L) X2 ；将Φχ量画成二次曲线Μ(参见图3)，即可确定使磁通全部伸入极靴的聚磁曲线
5的基本形状，图3中的曲线N为曲线M上的漏磁量；6)设Φ mx为X点穿过永磁体径向截面的磁通，Φ χ为X点的总漏磁，则X点的总 石兹通为Φ tx = Φ mx+ φ χ ；式中Φ tx为X点的总磁通；在χ = 0处，根据步骤5，得到Φ t0 = Φ m0 ；式中φ tQ为χ = 0处的总磁通，Φπι。为χ = 0处穿过永磁体径向截面的磁通；7)设Smx为永磁体在X点的径向截面面积，B为永磁体的磁密，则永磁体中的磁通 φπιχ可用下式表示φ mx = BSmx ；8)设第一侧边至聚磁曲线的最大间距值为Y，y(X)为点X与第一侧边之间的间距， 则有(^mx = BWy(X);根据步骤5和步骤6，得到Φ tx = Bff y (X) + (WH/2L) χ2 ；9)由于磁通的连续性，因此X点上的总磁通Φ tx为常数，即Φ tx = = Φ t0 = Φ m0 ；因此，上式可改写为Φ χ == Φ 0 = Φι 0 = Bwy+(WH/21)x2因此可得y(X) = ((jim0/BW)-(H/2LB)x2 ；设y。为x = 0时点X与第一侧边之间的间距，则Φπι0 = Bff y。，将其代入上式，得 到聚磁曲线的计算方程y(X) = y0-(H/2LB)x2 ；此方程式所确定的聚磁曲线7的形状即为永磁体的最佳磁密线(参见图2)，根据 该最佳磁密线加工而成的永磁体的磁密和场强，能使磁密在永磁体内侧面处达到最大值， 以最磁密“冲向”极靴3的极靴面，从而使极靴3的极靴面和转子周面之间的气隙磁密达最 大；本实用新型实施例中，永磁体在实际加工时第二侧边8的形状按聚磁曲线7(即最 佳磁密线)的近似折线加工，本实用新型实施例的第二侧边8的形状也可按聚磁曲线7(即 最佳磁密线)加工；本实用新型实施例工作时，由于极靴3的极靴面面积小于两块永磁体2的内侧面 面积之和，而且两块永磁体2的内侧面之间的夹角小于180度；在漏磁不变的情况下，两块 永磁体2的内侧面处的磁通同时挤向极靴3的极靴面，使得极靴3的极靴面处的磁通密度 远大于永磁体2内侧面处的磁通密度，由于极靴3的极靴面是直接面向转子4周面的，因此 能显著提高极靴3的极靴面和转子周面之间的气隙的磁密。
权利要求一种聚磁型共极靴永磁电机，包括定子、转子和多个磁极，所述转子套设于定子内，所述各磁极轴对称固定于定子内壁，每个磁极均由两块永磁体和一块极靴组成，所述两块永磁体和极靴的轴线均平行于转子的轴线，两块永磁体的外侧面分别与定子内壁接合，内侧面分别与极靴接合，而且两块永磁体相邻一侧的极性相同；所述永磁体的外侧面和内侧面均为平面，且相互平行；所述两块永磁体的内侧面边缘连接，而且两块永磁体的内侧面之间的夹角小于180度；其特征在于所述极靴朝向转子一侧的面为极靴面，所述极靴的极靴面面积小于两块永磁体的内侧面面积之和，而且极靴的极靴面与转子周面之间具有气隙；所述永磁体的每个径向截面的形状尺寸均相同，其径向截面中朝向相邻磁极一侧的边线为第一侧边，朝向同一磁极中另一永磁体一侧的边线为第二侧边；所述第一侧边是直线，所述第二侧边是折线或曲线。
专利摘要一种聚磁型共极靴永磁电机，涉及永磁电机技术领域，所解决的是提高电机的功率密度、转矩及响应速度的技术问题。该电机包括定子、转子和多个磁极，每个磁极均由两块永磁体和一块极靴组成，所述两块永磁体的外侧面分别与定子内壁接合，内侧面分别与极靴接合，而且两块永磁体相邻一侧的极性相同；所述两块永磁体的内侧面边缘连接，而且两块永磁体的内侧面之间的夹角小于180度；所述极靴的极靴面面积小于两块永磁体的内侧面面积之和，而且极靴的极靴面与转子周面之间具有气隙；所述永磁体的径向截面中朝向相邻磁极一侧的边线是直线，朝向同一磁极中另一永磁体一侧的边线是折线或曲线。本实用新型提供的电机，功率密度及转矩高，响应速度快。
文档编号H02K21/28GK201667595SQ200920215318
公开日2010年12月8日 申请日期2009年12月31日 优先权日2009年12月31日
发明者林德芳 申请人:上海特波电机有限公司;上海川也电机有限公司;宁德特波电机有限公司