超高效率永磁电的制造方法
【专利摘要】本实用新型提供一种永磁电机，该永磁电机包括绕转轴安装的转子部分和绕转子部分布置的定子部分，转子部分包括转子铁芯和固定至转子铁芯的成对地布置的多个永磁体，定子部分包括定子铁芯和定子线圈，定子铁芯在其内表面上具有以均匀的角间距布置的多个指状物，每两个相邻的指状物之间限定一个槽，定子线圈绕指状物布置，其中，定子线圈由李兹线或多股漆包线制成，每两个相邻的槽的径向中心线上沿径向距定子铁芯的中心相同给定距离的点之间的距离的60％－80％由其间的指状物占据。本实用新型的永磁电机可以实现超高的效率，可用于车辆、潜水艇等多种应用中。
【专利说明】超高效率永磁电机【技术领域】
[0001]本实用新型总体涉及永磁电机，更具体而言，涉及高效永磁电机。
【背景技术】
[0002]电机包括发电机和电动机，前者将例如机械能转化成电能，后者将电能转化成例如机械能。
[0003]现有技术已经提出了使用永磁体(PM)的通用电机，其填补了高效率电动机和发电机市场的空白。使用永磁体的高效电机设计有助于致力于节省能量、从全球角度而言减少碳印迹的“绿色能量”工程。
[0004]如本领域技术人员公知的，现有技术的高效永磁电机主要包括绕转轴安装的转子部分和绕转子部分布置的定子部分。一种常用的转子部分包括转子铁芯和相互间隔开地成对地固定在转子铁芯的外周缘表面上的多个永磁体。一种常用的定子部分包括定子铁芯和定子线圈，定子铁芯在其内表面上具有以均匀的角间距布置的多个指状物，每两个相邻的指状物之间限定一个槽。定子线圈可以多种方式绕指状物布置、位于槽内。定子线圈通常由铜线制成。
[0005]在永磁电机设计中，粗的铜线有助于降低铜损，粗的指状物有助于避免磁饱和，从而允许电流降低。不过，在给定其它方面的情况下，使用粗的铜线与使用粗的指状物在某种意义上是相冲突的，因为粗的铜线通常需要大的槽面积，这会要求指状物较细；反之，如果指状物较粗，会导致用于铜线的槽面积减小，从而对所用铜线造成限制。另外，指状物变粗后，磁感应强度下降，从而降低铁损。
[0006]因此，常规 地，在设计永磁电机时，针对铜线尺寸和指状物尺寸进行折衷，避免同时使用相对粗的铜线和相对粗的指状物，以兼顾电机的效率和尺寸/重量。现有技术的永磁电机最高只能达到92% — 95%的效率。
[0007]并且，一直以来，通常认为更高的永磁电机效率须以更大的尺寸/重量为代价。实用新型内容
[0008]本申请的发明人出乎意料地发现，通过一种新颖的设计，可以允许同时使用总横截面积相对大的导线和相对粗的指状物，由此实现更高的效率而不增加永磁电机的尺寸/重量。
[0009]发明人的技术方案如下:
[0010]一种永磁电机，包括绕转轴安装的转子部分和绕转子部分布置的定子部分，转子部分包括转子铁芯和固定至转子铁芯的成对地布置的多个永磁体，定子部分包括定子铁芯和定子线圈，定子铁芯在其内表面上具有以均匀的角间距布置的多个指状物，每两个相邻的指状物之间限定一个槽，定子线圈绕指状物布置，其中，定子线圈由李兹线或多股漆包线制成，每两个相邻的槽的径向中心线上沿径向距定子铁芯的中心相同给定距离的点之间的距离的60 % — 80 %由其间的指状物占据。[0011]对于本实用新型的永磁电机，通过用李兹线或多股漆包线制成定子线圈，可以使线圈导线的总横截面积相对大，同时允许定子铁芯中的槽的开口非常小一刚好允许所述李兹线或多股漆包线通过，并允许使用相对粗的指状物。因为，与给定横截面积的实粗线相t匕，具有相同总横截面积的李兹线或多股漆包线由于是由多股细漆包芯线绞成的，可以通过更小的槽口，并有助于提高槽满率；其中，构成李兹线或多股漆包线的多股导线的横截面积之和即为李兹线或多股漆包线的总横截面积，也是线圈导线的总横截面积，槽满率是指线圈导线在槽中所占的面积与槽的总面积之比。另外，槽的开口小有助于改善磁场分布，提高电机效率。
[0012]本实用新型的永磁电机具有超高的效率，例如97%以上的效率。
[0013]公知的是，电机的效率越高，浪费的能量就越少、其热管理系统就越简单。因此，本实用新型的永磁电机由于其超高的效率，产生少得多的热，因此不需要使用任何主动冷却手段(如风扇、液体冷却或喷雾冷却等)。对于本实用新型的永磁电机，就散热而言，被动冷却机构诸如散热片或电机外壳就足够。换句话说，利用本实用新型的永磁电机，散热装置可以简单得多，因而归因于散热装置的尺寸/重量得以减小——而电机的散热装置的尺寸/重量是电机整体尺寸/重量的一部分。
[0014]本实用新型通过使用李兹线或多股漆包线，可实现使用总横截面积相对大的导线制成线圈并同时允许定子铁芯中的槽的开口非常小和使用相对粗的指状物，以实现超高的效率，而不增加永磁电机的尺寸/重量。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]通过下文结合附图的详细说明，将更好地理解本实用新型。在附图中:
[0016]图1a和Ib是示出本实用新型的示例性永磁电机的主要部件的示意图；
[0017]图2示出了本实用新型的永磁电机的一个示例性定子部分的结构示意图；
[0018]图3a — 3c是示出本实用新型的永磁电机的几种示例性转子部分的立体图；
[0019]图4a — 4c是分别示出图3a — 3c中的转子部分的一个示例性永磁体的立体图。
[0020]应理解，这些附图仅出于示例和说明的目的，未必按比例绘制。另外，不同附图中相同或相似的参考标号指代相同或相似的部件。
【具体实施方式】
[0021]图1a和Ib是示出本实用新型的示例性永磁电机的主要部件的示意图。
[0022]如图1a和Ib所示，本实用新型的永磁电机可包括绕转轴安装的转子部分和绕转子部分布置的定子部分。
[0023]定子部分可包括定子铁芯和定子线圈，定子铁芯在其内表面上具有以均匀的角间距布置的多个指状物，每两个相邻的指状物之间限定一个槽。定子线圈可以多种方式绕指状物布置、位于槽中。
[0024]图2示出了本实用新型的永磁电机的一个示例性定子部分的结构示意图。
[0025]在图2中，定子铁芯10在其内表面上具有14个指状物12，每两个相邻的指状物之间限定一个槽14。图2中未示出定子线圈。定子铁芯10可由软磁材料制成，例如可由软磁合金叠片制成，其中每个叠片板与相邻的叠片板绝缘。在图2中，定子铁芯10具有圆形横截面，可呈圆柱状。
[0026]根据本实用新型，定子线圈由李兹线或多股漆包线制成。李兹线或多股漆包线指由细漆包芯线绞成的绞合线。与现有技术中通常使用实粗线相比，用李兹线或多股漆包线制成定子线圈，可以允许将定子铁芯中的槽的开口设置得更小——假定在两种情况下线圈导线的横截面积相当；这有助于提高效率。优选地，使用按照美制线规股线号码为20AWG-25AWG的导线制成的李兹线，或多股漆包线。
[0027]根据本实用新型，指状物的宽度在槽间距的60% — 80%的范围内，就是说，每两个相邻的槽的径向中心线上沿径向距定子铁芯的中心相同给定距离的点之间的距离的60%- 80%由其间的指状物占据。
[0028]转子部分可包括转子铁芯和固定至转子铁芯的成对地布置的多个永磁体。所述多个永磁体通常是相互间隔开的。永磁体可具有交变极性。转子铁芯可由软磁材料制成，例如可由软磁合金叠片制成，其中每个叠片板与相邻的叠片板绝缘。
[0029]图3a — 3c不出了几种不例性转子部分的立体图。
[0030]永磁体可以是表面永磁体，被固定至转子铁芯的外周缘表面，如图3a和3b中所
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[0031]在图3a和3b中，四个表面永磁体分别被嵌入转子铁芯的四个凹进部。在转子部分的横截面上，每个表面永磁体与转子铁芯的界面线可以为弧线一如图3a中所示，或者为多边形的一部分——如图3b中所示。
[0032]在另外的实施例中，转子铁芯可以不具有凹入部，表面永磁体可以从转子铁芯的外周缘表面突出。例如，转子铁芯可以呈圆柱状，多个永磁体被固定在该圆柱状转子铁芯的外圆周表面上。
[0033]另外，永磁体可以是内置永磁体，被嵌入转子铁芯内，如图3c中所示。
[0034]图4a — 4c是分别示出图3a — 3c中的转子部分的一个示例性永磁体的立体图。
[0035]根据本实用新型，使用总截面积相对大的导线(李兹线或多股漆包线)制成定子线圈，使得对于给定的电机工作电流，线圈导线的电流密度相对小。这有助于降低铜损——铜损是电机损耗中最显著的损耗。
[0036]优选地，选择制成定子线圈的李兹线或多股漆包线一例如选择李兹线或多股漆包线的横截面积——使得，当电机以额定电流工作时，李兹线或多股漆包线的电流密度在3 — 8A/mm2的范围内。
[0037]实践中，应显著降低磁饱和，使得电流可降低。根据本实用新型，使用粗的指状物以避免磁饱和，即使电机在高负荷下运行时。在传统设计中，电机指状物的宽度为槽间距的约 40%— 60%。
[0038]在本实用新型的永磁电机中，可使用I 一 10对永磁体，即2 — 20个极。对于某些机械频率，必要时，可通过增加极数增加电机的电频率，从而降低每线圈的匝数。对于低速电机，当机械速度即转速固定时，大的极数量可有效增加电频率。极的数量不宜过大，以免影响电机的机械稳定性。
[0039]本实用新型通过使用李兹线或多股漆包线，将使用总横截面积相对大的定子线圈导线、使用相对粗的指状物同使用具有尽可能小的开口的槽相结合。
[0040]由于线圈被容纳于定子铁芯的槽内，通常认为，若定子线圈导线粗须增加槽的面积。本实用新型通过用李兹线或多股漆包线制成定子线圈，在使线圈导线总横截面积相对大的情况下，允许槽的开口非常小，并可以实现较高的槽满率，因而可以允许较粗的指状物。
[0041]这样，在给定其它方面的情况下，尽管使用相对粗的指状物将降低槽面积，但由于使用李兹线或多股漆包线，使用总横截面积相对大的线圈导线降低的槽面积也足够。
[0042]另外，相对于现有技术的永磁电机，本实用新型的永磁电机具有更高的效率，例如最高达97% — 98%。这样，本实用新型的永磁电机由于铜损降低，产生的热少得多，因此不需要使用任何主动冷却手段(如风扇、液体冷却或喷雾冷却)，避免了需要复杂的散热装置或系统。对于高效电机，被动冷却机构诸如散热片或电机外壳就足够。在一个实施例中，本实用新型的永磁电机包括围住定子部分的壳体，该壳体是电机仅有的冷却机构。
[0043]综上，本实用新型的永磁电机可实现超高的效率，而无需增加尺寸/重量，仍保持相对高的总体功率密度。
[0044]此外，在传统电机设计中，在额定功率和转速下转矩角为约20 - 30度。根据本实用新型的一个优选实施方案，通过设置永磁体的气隙(永磁体与定子之间的间隙)和厚度(永磁体沿转子半径方向的厚度)，使得电机在额定功率和转度下的转矩角低得多，例如为I 一 20度。这样的设计可有效增加过载功率处理能力和效率。此外，小的转矩角将导致永磁体大的气隙和厚度。大的气隙有助于降低电机的风耗，产生较小的噪声。永磁体的大厚度有助于避免退磁。
[0045]出于成本方面的考虑，通常不会考虑增加永磁体的厚度。本申请的发明人出乎意料地发现，通过适当增加永磁体的厚度，可以实现更好的电机性能。
[0046]本实用新型的永磁电机适用于车辆、潜水艇等多种应用中。
[0047]本实用新型的永磁电机可以大范围的功率输出运行。对于低速电机，平衡效率和功率密度更为关键。在一个特定实施方案中，本实用新型的永磁电机在小于120kW的输出功率下，在小于15，000转每分的转速下，提供97%以上的效率。
【权利要求】
1.一种永磁电机，包括绕转轴安装的转子部分和绕转子部分布置的定子部分，转子部分包括转子铁芯和固定至转子铁芯的成对地布置的多个永磁体，定子部分包括定子铁芯和定子线圈，定子铁芯在其内表面上具有以均匀的角间距布置的多个指状物，每两个相邻的指状物之间限定一个槽，定子线圈绕指状物布置，其中，定子线圈由李兹线或多股漆包线制成，每两个相邻的槽的径向中心线上沿径向距定子铁芯的中心相同给定距离的点之间的距离的60 % — 80 %由其间的指状物占据。
2.根据权利要求1所述的永磁电机，其中每个槽的靠近转子部分的开口被设置得足够小以刚好允许所述李兹线或多股漆包线通过。
3.根据权利要求1所述的永磁电机，其中所述李兹线或多股漆包线是按照美制线规股线号码为20AWG-25AWG的导线制成的李兹线或多股漆包线。
4.根据权利要求1所述的永磁电机，其中所述多个永磁体是表面永磁体，被固定至转子铁芯的外周缘表面。
5.根据权利要求1所述的永磁电机，其中所述多个永磁体是内置永磁体，被嵌入转子铁芯内。
6.根据权利要求4所述的永磁电机，其中所述多个永磁体被分别嵌入转子铁芯的多个凹进部。
7.根据权利要求6所述的永磁电机，其中在转子部分的横截面上，所述多个永磁体中的每个与转子铁芯的界面线为弧线或为多边形的一部分。
8.根据权利要求1所述的永磁电机，其中所述电机在额定功率和额定转速下的转矩角是I 一 20度。
9.根据权利要求1所述的永磁电机，其中所述李兹线或多股漆包线的横截面积被设置为使得，当永磁电机以额定电流工作时，所述李兹线或多股漆包线的电流密度是3 - 8A/mm2 ο
10.根据权利要求1所述的永磁电机，其中所述电机包括围住定子部分的壳体，该壳体是电机仅有的冷却机构。
【文档编号】H02K21/02GK203674939SQ201320727448
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2013年11月18日 优先权日:2013年11月18日
【发明者】吴桐, 张瑞明 申请人:北京前沿新锐电机技术有限公司