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永磁电机的3种磁路分类方式

学术研究2024.02.22
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磁路的分类

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永磁磁路按永磁体的工作状态不同可分为静态永磁磁路和动态永磁磁路。静态永磁磁路有固定气隙,工作状态保持一定,主要存在于仪表、扬声器等,图为一静态永磁磁路。动态永磁磁路的磁阻或外磁场处于变化之中,永磁体的工作点也随之变化,永磁电机的磁路就是典型的动态永磁磁路。


永磁电机与电励磁电机的电枢结构相同,主要区别在于前者的磁极为永磁体。永磁电机磁路的形式多种多样,有许多不同的分类方法。

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1


按永磁体所在的位置分类

按永磁体所在的位置不同,可分为旋转磁极式和旋转电枢式。图(a)为旋转磁极式磁路结构,永磁体在转子上,电枢是静止的,永磁同步电动机、无刷直流电动机都采用该种结构;图(b)为旋转电机区式磁路结构,其永磁体在定子上,电枢旋转,永磁直流电机采用该种结构。

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2


按所使用的永磁材料种类多少分类


根据电机中永磁材料种类的多少,可分为单一式结构和混合式结构。在一台电机中,只采用一种永磁材料,称为单一式结构,绝大多数电机都采用该种结构。若同一台电机中采用两种或两种以上永磁材料,则称为混合式结构。混合式结构通常采用两种性能特点不同的永磁体,扬长避短,充分发挥永磁材料的优势,提高电机的性能,降低制造成本。如下图为永磁直流电动机中的混合式磁极结构,将矫顽力低的永磁体1(如铁氧体)置于磁极的前部,将矫顽力高的永磁体2(如钕铁硼)置于磁极的后部。

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3


按永磁体安置方式分类

按永磁体安置的方式不同,可分为表面式(表贴式)和内置式(内嵌式),如下图所示。表面式磁极的永磁体直接面对空气隙,具有加工和安装方便的优点,但永磁体直接承受电枢反应的去磁作用;内置式磁极的水磁体置于铁心内部,加工和安装工艺复杂,漏磁大,但可以放置较多的永磁体以提高气隙磁密、减小电机的重量和体积。

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4


按永磁体的形状分类

进行永磁体设计时,必须保证永磁体在磁路中产生足够的磁通和磁动势,若所采用的永磁材料不同,则永磁体的形状也不同。铝镍钴剩磁密度高、矫顽力小,通常做成细长的形状;铁氧体和稀土永磁材料矫顽力大,由于其相对回复磁导率接近1,磁阻大,当充磁方向长度增加到一定程度后,继续增大充磁方向长度,永磁体对外提供的磁通增加很少,因此通常采用扁平结构。根据永磁体的形状不同,可分为瓦片形、弧形、环形、爪极式、星形和矩形磁极

(1)瓦片形

在永磁电机中,瓦片形磁极应用广泛。瓦片形磁极通常有同心瓦片形磁极和等半径瓦片形磁极两种,如下图所示。由于烧结钕铁硼材料的毛坯为长方体,一般采用线切割方法加工,同心瓦片形磁极的材料利用率较低,一般为40%~50%。采用等半径瓦片形磁极结构,既可提高材料利用率,又可降低线切割加工费用,永磁体材料利用率可提高到80%。

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(2)弧形

弧形磁极构成的磁路系统如下图所示。这种磁极为圆弧形,沿着圆弧方向充磁,其特点是每极的磁通由两块永磁体并联提供,充磁方向长度大,适合于铝镍钴永磁。

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(3)环形

环形磁极如下图所示,为一整体的圆环,具有结构简单、加工和装配方便等优点,在永磁直流电机中应用广泛。其主要缺点是材料利用率低,在几何中性线上存在磁场,不利于永磁直流电机的换向。

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(4)爪极式

永磁爪极式磁极是由一个永磁体环和两个带爪的法兰盘组成的,永磁体环轴向充磁,法兰盘通常用低碳钢制成或用钢板冲制而成,上有均匀分布的爪,爪数等于极对数,如下图所示。永磁体和两个法兰盘套在转子轴上,两个法兰盘的爪交替错开半个爪距,两个法兰盘上的爪分别为N、S极。为了避免磁通通过转轴闭合,一般采用非磁性轴或在磁性轴上加隔磁铜套。当磁极的轴向长度较大时,为保证爪极的机械强度,往往做成双爪极或多爪极式。

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(5)星形

星形磁极结构如下图所示,结构比较复杂,采用直接浇铸的方法,极间部分采用非磁性材料(如铝合金)浇铸,可以提高其强度并具有阻尼作用。其优点是制造和装配工艺简单,但充磁困难,磁化不均匀。

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(6)矩形

矩形磁极由一块或几块矩形永磁体组成,矩形永磁体结构简单、加工方便、材料利用率高,如内置式永磁同步电动机通常采用矩形永磁体。在设计永磁体的形状时,应避免矩形永磁体的长度与厚度之比在20以上,铁氧体的厚度必须大于2mm。





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