張弛，石建玲，魏澤鼎

(河北科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，河北石家莊050018)

永磁電機(jī)采用永磁體生成電機(jī)的磁場(chǎng)，無(wú)需勵(lì)磁線圈也無(wú)需勵(lì)磁電流，具有效率高、節(jié)約能源、可靠性高、微小型化、壽命長(zhǎng)以及成本低的特點(diǎn)[1]，隨著高能永磁體的發(fā)展，永磁電機(jī)目前已得到廣泛應(yīng)用[2]。但是永磁電機(jī)也存在一些問(wèn)題，影響它的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用，主要有以下兩個(gè)方面:

(1)轉(zhuǎn)子磁鋼的固定問(wèn)題。傳統(tǒng)的制作工藝是使用各種粘結(jié)劑將磁鋼粘在轉(zhuǎn)子鐵芯上，隨著粘結(jié)劑的老化，在離心力的作用下磁鋼容易脫落，一旦卡住轉(zhuǎn)子將使電機(jī)無(wú)法運(yùn)行。目前企業(yè)多采用螺釘固定的方式，加工時(shí)在轉(zhuǎn)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(wú)法鉆動(dòng)，加工困難，而且磁鋼的強(qiáng)度會(huì)有所降低。還有企業(yè)在磁鋼外圓套上不導(dǎo)磁安裝套，如鋁、塑料、不銹鋼等，這些措施加大了定轉(zhuǎn)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(fèi)，成本的增加。

(2)永磁電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)問(wèn)題。由于定子鐵芯內(nèi)圓有齒槽存在，轉(zhuǎn)子磁極又是由高性能永磁材料制成，當(dāng)磁極對(duì)準(zhǔn)齒槽時(shí)，吸力最大，相錯(cuò)時(shí)，吸力變小，因此定子的齒槽與轉(zhuǎn)子的永磁體相互作用會(huì)產(chǎn)生“齒槽轉(zhuǎn)矩”，此轉(zhuǎn)矩跟隨空間位置的變化做周期性變化，它將使永磁電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行發(fā)生振動(dòng)和噪聲，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩紋波，并通過(guò)傳動(dòng)軸把脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩傳遞給負(fù)載，影響系統(tǒng)的控制精確度[3]。

因此，需要專門為永磁電機(jī)研制了一種新型的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，從而能夠有效地解決這兩個(gè)問(wèn)題。

1 轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)

永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子，可制成內(nèi)轉(zhuǎn)子或外轉(zhuǎn)子。外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的磁極為長(zhǎng)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(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，此結(jié)構(gòu)多用于電動(dòng)自行車，其應(yīng)用范圍較窄。內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)是將磁鋼(永久磁鐵)放在轉(zhuǎn)子鐵芯上，應(yīng)用較為廣泛[4]。但是內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電機(jī)在旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁鋼會(huì)受到較大的離心力，一但磁鋼脫落，會(huì)造成電機(jī)停轉(zhuǎn)、繞組短路等情況。如果保護(hù)電路失靈，將燒毀電機(jī)的繞組。因此磁鋼的固定問(wèn)題就成為了轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題。

所研制的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖

在電機(jī)軸1 上開(kāi)有通鍵槽，并用鍵3 徑向定位轉(zhuǎn)子鐵芯沖片6 和7。轉(zhuǎn)子鐵芯沖片6 和7的形狀如圖2所示，沖片外緣開(kāi)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(jī)軸1 上時(shí)便出現(xiàn)了如圖1所示縱向錯(cuò)齒分布的燕尾槽結(jié)構(gòu)。將相同結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)子鐵芯沖片形狀示意圖

磁鋼的形狀如圖3(a)所示，為長(zhǎng)條形，其截面如圖3(b)所示，下寬上窄，可靠地保證了在電機(jī)軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)磁鋼不會(huì)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(zhuǎn)子的齒槽轉(zhuǎn)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(shí)會(huì)影響電機(jī)的輸出性能。圖4(b)為文中所研制的分段磁鋼轉(zhuǎn)子的齒槽轉(zhuǎn)矩曲線圖。對(duì)比圖(a)和圖(b)中曲線3，可以明顯地看出:電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩的幅值有了很明顯的減小，電機(jī)的輸出性能得到了很大的改善。

圖4 齒槽轉(zhuǎn)矩對(duì)比示意圖

3 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)永磁電機(jī)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新型電機(jī)轉(zhuǎn)子，可以有效地提高電機(jī)運(yùn)行的可靠性和高速性能，降低電機(jī)的振動(dòng)和噪聲，具有很高的推廣價(jià)值。

【1】唐任遠(yuǎn).現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

【2】譚茀娃，金如麟.永磁同步電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用與研究[J].世界儀表與自動(dòng)化，2006(12):15－17.

【3】莫會(huì)成.永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)分析[J].微電機(jī)，2007，40(3):1－4.

【4】黃蘇融.新概念永磁電機(jī)技術(shù)及其應(yīng)用開(kāi)發(fā)[C].2005第四屆中國(guó)電機(jī)發(fā)展論壇專題報(bào)告集，2005:61－64.