一種新型永磁電機轉子的研制

張弛，石建玲，魏澤鼎

(河北科技大學機械電子工程學院，河北石家莊050018)

永磁電機采用永磁體生成電機的磁場，無需勵磁線圈也無需勵磁電流，具有效率高、節(jié)約能源、可靠性高、微小型化、壽命長以及成本低的特點[1]，隨著高能永磁體的發(fā)展，永磁電機目前已得到廣泛應用[2]。但是永磁電機也存在一些問題，影響它的進一步發(fā)展和應用，主要有以下兩個方面:

(1)轉子磁鋼的固定問題。傳統(tǒng)的制作工藝是使用各種粘結劑將磁鋼粘在轉子鐵芯上，隨著粘結劑的老化，在離心力的作用下磁鋼容易脫落，一旦卡住轉子將使電機無法運行。目前企業(yè)多采用螺釘固定的方式，加工時在轉子鐵芯上攻絲，在磁鋼上鉆孔，但是由于磁鋼材料很硬，一般鉆頭無法鉆動，加工困難，而且磁鋼的強度會有所降低。還有企業(yè)在磁鋼外圓套上不導磁安裝套，如鋁、塑料、不銹鋼等，這些措施加大了定轉子間的氣隙，降低了氣隙磁密度，要想保持性能不變，必須增加磁鋼厚度或增加繞組匝數(shù)，造成了材料的浪費，成本的增加。

(2)永磁電機輸出轉矩的波動問題。由于定子鐵芯內(nèi)圓有齒槽存在，轉子磁極又是由高性能永磁材料制成，當磁極對準齒槽時，吸力最大，相錯時，吸力變小，因此定子的齒槽與轉子的永磁體相互作用會產(chǎn)生“齒槽轉矩”，此轉矩跟隨空間位置的變化做周期性變化，它將使永磁電動機的運行發(fā)生振動和噪聲，導致轉矩紋波，并通過傳動軸把脈動轉矩傳遞給負載，影響系統(tǒng)的控制精確度[3]。

因此，需要專門為永磁電機研制了一種新型的轉子結構，從而能夠有效地解決這兩個問題。

1 轉子設計

永磁電機的轉子，可制成內(nèi)轉子或外轉子。外轉子結構的磁極為長方形薄片，粘在外殼的內(nèi)壁上，電樞鐵芯裝在軸上，通電后，外轉子旋轉，此結構多用于電動自行車，其應用范圍較窄。內(nèi)轉子結構是將磁鋼(永久磁鐵)放在轉子鐵芯上，應用較為廣泛[4]。但是內(nèi)轉子結構的電機在旋轉時，磁鋼會受到較大的離心力，一但磁鋼脫落，會造成電機停轉、繞組短路等情況。如果保護電路失靈，將燒毀電機的繞組。因此磁鋼的固定問題就成為了轉子結構設計中的關鍵問題。

所研制的轉子結構如圖1所示。

圖1 轉子結構示意圖

在電機軸1 上開有通鍵槽，并用鍵3 徑向定位轉子鐵芯沖片6 和7。轉子鐵芯沖片6 和7的形狀如圖2所示，沖片外緣開有相同尺寸的燕尾槽，而中心孔的鍵槽角度則不同，將它們疊放在電機軸1 上時便出現(xiàn)了如圖1所示縱向錯齒分布的燕尾槽結構。將相同結構及尺寸的磁鋼5 從分段燕尾槽的外端分別插入，并在兩端用擋圈4、軸用彈性擋圈2 和鎖緊螺母8軸向固定。

圖2 轉子鐵芯沖片形狀示意圖

磁鋼的形狀如圖3(a)所示，為長條形，其截面如圖3(b)所示，下寬上窄，可靠地保證了在電機軸高速旋轉時磁鋼不會被甩出。

圖3 磁鋼形狀示意圖

2 性能改善

圖4(a)為傳統(tǒng)的整根磁鋼轉子的齒槽轉矩曲線圖，其跟隨空間位置的變化做周期性變化，振幅較大時會影響電機的輸出性能。圖4(b)為文中所研制的分段磁鋼轉子的齒槽轉矩曲線圖。對比圖(a)和圖(b)中曲線3，可以明顯地看出:電機的齒槽轉矩的幅值有了很明顯的減小，電機的輸出性能得到了很大的改善。

圖4 齒槽轉矩對比示意圖

3 結束語

根據(jù)永磁電機的特點，設計了一種新型電機轉子，可以有效地提高電機運行的可靠性和高速性能，降低電機的振動和噪聲，具有很高的推廣價值。

【1】唐任遠.現(xiàn)代永磁電機理論與設計[M].北京:機械工業(yè)出版社，1997.

【2】譚茀娃，金如麟.永磁同步電動機的應用與研究[J].世界儀表與自動化，2006(12):15－17.

【3】莫會成.永磁交流伺服電動機轉矩波動分析[J].微電機，2007，40(3):1－4.

【4】黃蘇融.新概念永磁電機技術及其應用開發(fā)[C].2005第四屆中國電機發(fā)展論壇專題報告集，2005:61－64.