一种并联型混合磁材料复合转子磁通切换电机的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电机制造技术领域，特指一种具有相对较高功率密度、高转矩密度、高效率等特点的混合磁材料磁通切换电机，应用于航空航天、风力发电以及电动汽车等领域。
【背景技术】
[0002]随着稀土永磁材料价格的飞涨，稀土永磁电机的制造成本也随之逐年上升，因此出现了少稀土电机、非稀土电机。降低稀土永磁材料用量的方法主要分为两种，一种是采用混合励磁的方式，永磁体产生主磁通，电励磁产生辅助磁通，由它们相互作用实现电磁能量转换，使得混合励磁电机在降低了永磁材料使用量的同时，不仅可以实现气隙磁通的自由调节，也可以保证相对较高的转矩输出，但也由于励磁绕组的使用，造成了混合励磁电机铜耗的增加和转矩密度的降低。另一种是利用价格低廉的非稀土(例如铁氧体永磁材料)完全代替价格高昂的稀土永磁材料(例如钕铁硼材料)，从而可以大幅度的降低电机的制造成本，然而因为非稀土永磁材料本身磁能积较低的特点，使得非稀土电机的功率密度和转矩密度往往远低于稀土电机。因此在保持电机相对较高功率密度和高转矩密度的同时，降低稀土永磁材料的使用量成为电机领域中一个研究方向。
[0003]中国专利号20081010078.2的专利文献提出了一种混合励磁型磁通切换电机，该电机定子部分采用集中电枢绕组与励磁绕组，永磁体放置于定子；另一方面转子部分为凸极，既无永磁体也无绕组，结构简单而坚固。在结构上保证了永磁式磁通切换电机紧凑、简单的特点，也使该电机具有较强的转矩输出能力，但由于该电机中励磁绕组的使用，使该电机的结构变得较为复杂，且增加了铜耗并降低了运行效率，使得该电机的应用场合受到了一定的限制。中国专利号为201180053116.6的专利文献提出了一种铁氧体三相永磁电机，该电机的转子铁芯上装有多对永磁体，转子铁芯的永磁体由铁氧体制成，定子铁芯上装有三相绕组，该电机具有绕组端部小、定位力矩小、铜损耗和铁损耗小的优点。但是由于铁氧体本身所具有的磁能积较低的特点，由此该电机的功率密度和转矩密度都远远小于相同尺寸稀土电机，使得该电机的应用场合也受到一定的限制。
[0004]分析结果表明，上述两类电机在减少稀土材料用量的角度上均呈现出明显的效果，但是功率密度较低的问题始终不能获得有效地解决。因此，通过将高性能的稀土永磁体和廉价的非稀土永磁体相结合，提出一种基于混合磁材料励磁的电机，并试图在维持相对较高功率密度和转矩密度的同时，减少稀土永磁材料用量。中国专利号为201410508547.2的专利文献中提出了一种应用混合永磁体的磁通切换电机，该电机在磁通切换永磁电机定子模块的轭部位置安装高磁能积的稀土永磁体，在靠近电机定子模块的齿部位置安装低磁能积的铁氧体永磁体，由此形成稀土永磁体与铁氧体连接的混合永磁体模块，克服了现有磁通切换电机成本过高、定子齿部严重磁饱和的问题。但是该电机仍不能解决定子外部严重漏磁的问题，致使永磁体的相对利用率较低，从而使得该电机的应用场合也受到一定的限制。
[0005]因此，如何在维持电机相对较高功率密度和转矩密度的同时，降低稀土永磁材料的使用量成为目前非稀土、少稀土电机领域亟需解决的问题。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是为解决现有技术存在的问题，提出了一种结构简单、转子鲁棒性能好、具有相对较高功率密度、高转矩密度、高效率的并联型混合磁材料复合转子磁通切换电机，以满足在保证相对较高功率密度和转矩密度的情况下，降低稀土永磁材料用量的要求。
[0007]为实现上述目的，本发明采用的技术方案是:本发明的非导磁转轴、内转子、定子和外转子在径向上由内到外依次同轴心套装，内转子与定子之间留有内气隙，定子与外转子之间留有外气隙，所述定子由定子铁芯、混合永磁体模块和三相电枢绕组组成，Ns个定子铁芯沿圆周方向均匀布置，在相邻的两个定子铁芯之间放置三相电枢绕组，Ns= 3N。，Nc为单相绕组所含有的线圈个数；每个定子铁芯的中间紧密固定地嵌入一个混合永磁体模块，定子铁芯和混合永磁体模块的径向截面均是扇形；每个所述混合永磁体模块均由内钕铁硼永磁体、铁氧永磁体和外钕铁硼永磁体沿径向由内而外无缝连接组成，内钕铁硼永磁体、铁氧永磁体和外钕铁硼永磁体三者的径向中心线重合，同一个混合永磁体模块上的外钕铁硼永磁体、内钕铁硼永磁体和铁氧永磁体的充磁方向相同且都为切向充磁，相邻的两个混合永磁体模块的充磁方向相反。
[0008]进一步地，所有的定子铁芯和混合永磁体模块均具有与非导磁转轴、定子轴心重合的同一圆心，内钕铁硼永磁体所占的弧度0_和外钕铁硼永磁体所占的弧度β _相等，铁氧永磁体所占的弧度β ff3。和定子铁芯所占的弧度β s满足约束关系:β feo/ β s〈 4/5 ；内钕铁硼永磁体所占的弧度3_或外钕铁硼永磁体所占的弧度β _与定子铁芯所占的弧度β 3满足约束:β _/ β s< 1/3 或 β cpni/ β s< 1/3。
[0009]外转子内圈上有外铁芯凸极，内转子上有内铁芯凸极，相邻的两个内铁芯凸极之间的径向中心线与其间外铁芯凸极的径向中心线重合，外铁芯凸极和内铁芯凸极具有相同的凸极齿数Nr，N1= NsiK^K1= 1，2，3…，Ns为定子铁芯11数。
[0010]上述技术方案后，本发明具有以下有益效果，
[0011]1、本发明定子采用无定子轭型结构设计，结合复合转子，使得相邻永磁体在磁通路径上形成了明显的串联磁路。相比并联磁路下的传统磁通切换永磁电机，该电机在一定程度上改善了定子齿部过饱和的现象，并有效提高了永磁体的利用率。
[0012]2、本发明模块化定子铁芯定子齿采用非等弧度设计，改变了蕴含在气隙内的磁共能对定转子相对位置角变化率的方向，使得该电机内外层气隙产生的定位力矩经过叠加后相互抵消，以达到减小作用在复合转子上总定位力矩的目的，进而获得减小转矩脉动的效果O
[0013]3、本发明同时使用高性能钕铁硼永磁材料与廉价铁氧体永磁材料，且铁氧体与钕铁硼两种永磁材料相互并联，形成磁势源的并联，在保证电机相对较高转矩密度和功率密度的同时使得钕铁硼的用量得到降低，从而有利于降低电机的制造成本。
[0014]4、本发明采用混合磁材料模块夹于定子铁芯模块的结构，且在混合磁材料模块中，铁氧体位于内外两块钕铁硼材料之间，由此避免了铁氧体位于定子端部时的定子端部磁饱和现象，同时也增加了铁氧体用量调整的自由度。
[0015]5、本发明采用的混合磁材料模块在圆周方向上交替切向充磁，使得电机的磁场具有聚磁特性，进而提高了气隙的磁通密度。
[0016]6、本发明采用复合转子结构，使得电机在满足单定子固定部件和单转子运动部件特性的同时，形成内外两层气隙的结构，使得该电机可以有效地将传统磁通切换永磁电机定子齿的过饱和部分的永磁磁能，转化为建立电机的外磁场。因此，该电机不仅可以降低传统磁通切换永磁电机定子齿的饱和程度，还可以使分别作用在复合转子内外转子铁芯上的电磁转矩进行叠加，从而有效地提高了电机的转矩输出能力和功率密度。
[0017]7、本发明中，复合转子通过端部圆盘相互连接，且在端部圆盘上分布有数个圆形孔，使得空气在电机转动的过程中在电机内部流通，形成散热风扇的结构，从而可以有效的改善该电机的散热性能。
[0018]8、本发明仅采用一套电枢绕组，因而巧妙地避免了传统双层气隙永磁电机由于采用两套电枢绕组所带来的电磁耦合问题，从而保证了电机正常运行的稳定性和可靠性。
【附图说明】
[0019]下面根据附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
[0020]图1是本发明的三维结构拆分示意图；
[0021]图2是本发明的轴向视图；
[0022]图3是本发明图2中环形圆盘的径向截面放大示意图；
[0023]图4是本发明在去掉环形圆盘后的径向截面放大不意图；
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