一种励磁可编辑永磁电机

1.本发明属于电机设计制造领域，具体涉及一种励磁可编辑永磁电机。


背景技术：

2.永磁同步电机依靠电枢磁场与转子永磁激励的旋转磁场耦合输出稳定转矩，具有制造成本低、功率因数高和转矩密度高等优点，成为了替代传统电励磁电机的一个重要选择，并广泛应用于航空航天、空间探索和工业生产等领域。其中，永磁同步电机的理想运行状况为正弦分布的电机电流与正弦分布的气隙磁场相互作用并输出稳定转矩，尽管采用矢量控制的永磁同步电机能够保证电机电流的正弦性，但是，永磁同步电机的磁路特点决定其气隙磁场波形为梯形分布。为减小永磁同步电机的铁耗和转矩脉动，需要在电机设计阶段使其气隙磁场波形保持较高的正弦性。
3.为了解决该问题，科研人员提出了众多方案。其中，通过改变磁极极弧系数或斜极等传统方式改变永磁极参数，可以提高电机的转矩输出性能，降低转矩脉动，但是，普通永磁体极弧系数的改变可能无法满足一些对功率密度要求较高的电机系统；斜极的工艺复杂，且当电机铁心较短时斜极难以实现。u型和v型永磁同步电机具有抗退磁能力强和转矩脉动低等优点，适用于要求低转矩脉动、宽调速范围的应用场合，但是，该类型永磁体在相同体积情况下产生的径向磁场分量较小，漏磁系数相对较大。
4.采用halbach永磁阵列的电机可以实现正弦气隙磁场分布。研究人员提出一种具有不等高磁极的halbach结构，并建立t形磁极电机的磁场解析模型，通过与传统halbach充磁磁极和径向充磁磁极比较，发现t形磁极同时具有转矩脉动小、电磁转矩大的优点。双层凸形halbach永磁阵列每极均由两段平行充磁的永磁体构成，具有结构简单、整体性能强等优点。上述两种永磁体结构都能够提高电机输出转矩，降低转矩脉动，但是，这两种结构增加了永磁体用量，提高了电机制造成本，增大了铁磁材料饱和风险。
5.目前，优化永磁体结构和摆放空间能够有效提高永磁同步电机转矩输出性能。然而，由于永磁体摆放空间有限，以及永磁体尺寸受到其它因素的制约，使得单纯在永磁体摆放空间和尺寸上着手设计会受到很大限制。根据永磁同步电机的性能需求，为提高气隙磁场正弦度，可以在不改变永磁同步电机形状和永磁体空间位置的基础上，采用不同稀土比例的硬磁合金材料进行合理的组合排布，以达到提高气隙磁场正弦度的目的，进而实现提高电机输出转矩，降低转矩脉动的最终效果。
6.本发明提出了一种励磁可编辑永磁电机，能够有效提高气隙磁场正弦性能，降低电机输出转矩脉动。


技术实现要素：

7.为解决上述问题，本发明公开了一种能够编辑电机内部励磁永磁磁场，靶向增加气隙磁场工作谐波，有效降低非工作谐波以及谐波畸变，提高电机输出性能，减小振动噪声的永磁同步电机。
8.为达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种励磁可编辑永磁电机，包括转子、励磁可编辑永磁体和定子，其中，所述转子包括轴、转子铁心，所述定子包括定子铁心和电枢绕组，所述励磁可编辑永磁体包括n42sh、n38sh和n33sh三种硬磁合金永磁材料，其圆周阵列表贴在转子铁心表面。
9.其中，励磁可编辑永磁体是由三种不同稀土比例的硬磁合金材料按永磁体工作点分布组合排布所构成，可对电机内永磁励磁的磁场进行编辑，靶向调节气隙磁场谐波分布，增加工作谐波并降低谐波畸变。
10.进一步地，根据电机设计要求设计永磁电机并确定一次成型永磁体结构，基于永磁体实际工作点变化特征，将一次成型永磁体在周向上划分为工作点等数值变化范围的四段，以该段内工作点数值变化的平均值与工况下硬磁合金材料工作点数值的差值最小为原则，确定三种硬磁合金材料在周向上的排布，对该组合的编辑励磁永磁体进行成型制造并替代一次成型永磁体结构，形成励磁可编辑永磁电机。
11.进一步地，励磁可编辑永磁体可采用非等数值的变化范围分段方法进行设计，其根据实际工作点数值变化确定硬磁合金材料在整块永磁体区域内周向、径向以及轴向的分布结构，采用激光烧结的方式对永磁体进行一次性增材制造成型，提高电机设计自由度，灵活编辑励磁。
12.进一步地，励磁可编辑永磁体是根据一次成型永磁体在周向上工作点等数值变化范围的段数，对硬磁合金材料进行排布，其中，在减材制造中，段数依据加工工艺以及选用材料种类数进行选择，通常小于6；在增材制造中，不考虑段数影响，以实际工作点数值变化确定材料排布。
13.进一步地，励磁可编辑永磁体中不同轴向位置的永磁体内三种硬磁合金永磁材料的分布可连续相同进一步地，励磁可编辑永磁体可呈表贴式、内置式以及halbach形式，可采用减材制造及粘接的方式成型。
14.进一步地，励磁可编辑永磁体可由多种不同合金比例的硬磁材料组成，包括相同材料、含量比例不同的材料组成和材料不同、含量比例不同的材料组成（励磁可编辑永磁体一般采用的是ndfeb，但是，该永磁体还可以使用其他永磁材料）。
15.进一步地，励磁可编辑永磁体适用于转子永磁电机和定子永磁电机。
16.进一步地，励磁可编辑永磁电机采用分数槽集中绕组。
17.本发明的有益效果是：（1）高输出转矩和低转矩脉动。励磁可编辑永磁电机能够编辑内部励磁永磁磁场，靶向增加气隙磁场工作谐波，有效降低非工作谐波以及谐波畸变，提高电机输出性能。
18.（2）高稳定性能。励磁可编辑永磁电机能够有效降低非工作谐波以及谐波畸变，提高电机输出性能，减小振动噪声。
19.（3）高适用性。励磁可编辑永磁体适用于转子永磁电机和定子永磁电机，有着十分广阔的工业应用前景。
附图说明
20.图1是本发明实施例部分提供的一种励磁可编辑永磁电机沿轴线的剖面结构示意
图；图2是本发明实施例部分提供的一种励磁可编辑永磁电机的径向截面结构示意图；图3是本发明实施例部分提供的一种励磁可编辑永磁电机的径向截面结构示意图，其中，励磁可编辑永磁体采用增材制造方式成型；图4是本发明实施例部分提供的一种励磁可编辑永磁电机转子和励磁可编辑永磁体的三维结构示意图。
21.图中：1-转子，101-轴，102-转子铁心，2-励磁可编辑永磁体，201-n42sh，202-n38sh，203-n33sh，3-定子，301-定子铁心，302-电枢绕组。
具体实施方式
22.下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
23.如图1和图2所示，本发明专利公开了一种励磁可编辑永磁电机，该电机包括转子1、励磁可编辑永磁体2和定子3，其中，所述转子1包括轴101、转子铁心102，所述定子3包括定子铁心301和电枢绕组302，所述励磁可编辑永磁体2包括n42sh型号永磁体201、n38sh型号永磁体202和n33sh型号永磁体203三种硬磁合金永磁材料，其圆周阵列表贴在转子铁心102表面。
24.如图2所示，励磁可编辑永磁体2是由三种不同稀土比例的硬磁合金材料按永磁体工作点分布组合排布所构成，可对电机内永磁励磁的磁场进行编辑，靶向调节气隙磁场谐波分布，增加工作谐波并降低谐波畸变。
25.如图2所示，根据电机设计要求设计永磁电机并确定一次成型永磁体结构，基于永磁体实际工作点变化特征，将一次成型永磁体在周向上划分为工作点等数值变化范围的四段，以该段内工作点数值变化的平均值与工况下硬磁合金材料工作点数值的差最小为原则，确定三种硬磁合金材料在周向上的排布，对该组合的编辑励磁永磁体进行成型制造并替代一次成型永磁体结构，形成励磁可编辑永磁电机。
26.如图2和图4所示，励磁可编辑永磁体2可采用非等数值的变化范围分段方法进行设计，其根据实际工作点数值变化确定硬磁合金材料粉末在整块永磁体区域内周向、径向以及轴向的分布结构，采用激光烧结的方式对永磁体进行一次性增材制造成型，提高电机设计自由度，灵活编辑励磁。
27.如图4所示，励磁可编辑永磁体2中不同轴向位置的永磁体内三种硬磁合金永磁材料的分布可连续相同。
28.如图2和图3所示，励磁可编辑永磁体2是根据一次成型永磁体在周向上工作点等数值变化范围的段数，对硬磁合金材料进行排布，在减材制造中，段数依据加工工艺以及选用材料种类数进行选择，通常小于6，本发明所述励磁可编辑永磁体2采用线切割方式成型，仅使用了3种材料，所以段数少；增材制造需要对金属粉末进行激光烧结，不考虑段数影响，以实际工作点数值变化确定材料排布。
29.如图2所示，励磁可编辑永磁体2可呈表贴式、内置式以及halbach形式，可采用减材制造及粘接的方式成型。
30.如图2所示，励磁可编辑永磁体2可由多种不同合金比例的硬磁材料组成，包括相同材料、含量比例不同的材料组成和材料不同、含量比例不同的材料组成。
31.如图2所示，励磁可编辑永磁体2适用于转子永磁电机和定子永磁电机。
32.如图2所示，电枢绕组302采用分数槽集中绕组，分数槽集中绕组缠绕在定子齿上。本实施例中，由于分数槽集中绕组端部短于传统分布式绕组端部，铜耗低，有利于降低电机负载工作时的温升。
33.当电机空载时，所述励磁可编辑永磁电机具有较高正弦度的空载反电动势波形；当电机负载时，所述励磁可编辑永磁电机能够编辑电机内部励磁磁场，靶向增加气隙磁场工作谐波，有效降低非工作谐波，提高电机输出性能，减小振动噪声，适用于电动汽车，工业机器人关节驱动等要求高输出转矩、高效率的应用场合。
34.需要说明的是，以上内容仅仅说明了本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均落入本发明权利要求书的保护范围之内。