[发明专利]一种新型大功率永磁无刷电机

说明书

技术领域

本发明涉及电机领域，尤其涉及新型大功率永磁无刷电机。

背景技术

永磁无刷直流电机以其优越的调速性能和较高的能量转换效率已广泛应用在电子信息、自动化领域和国防装备中。但限于永磁材料的价格、性能以及电机设计和工艺技术方面的因素，目前一般只生产一些小功率的永磁无刷直流电机。

永磁无刷直流电机主要由永磁无刷直流电机本体、位置传感器装置和电子驱动器三部分组成。电机本体由定子和转子构成，结构与交流永磁同步电机相似，其与交流永磁同步电机的主要区别是转子省去了永磁同步电机异步启动的鼠笼绕组。

永磁无刷直流电机的位置传感器装置一般安装在电机本体上，用于检测转子磁极相对定子的位置，供电子驱动器对定子绕组电流正确换向，使电机产生持续的转矩。通常，位置传感器装置都是用一组连线与电子驱动器相连接的。人们为了减少连线，提出了多种无位置传感器装置解决方案，最有影响力的是反电势检测法。但目前无位置传感器装置的检测不是非常准确，特别是负载变化较大的场合，检测的正确率较低。所以无位置传感器装置主要适合用在负载变化不大且已预知的场合。

电子驱动器实质上就是一个电子换流器，通过对定子、转子相对位置的判定和外部控制信号的作用，控制电机绕组的电流方向和大小，使电机运转。

当前制约永磁无刷直流电机大型化的主要障碍有：1、高速运转时转子上的磁钢受磁钢抗拉强度和紧固强度的限制容易碎裂、散架； 2、磁钢受温度的作用容易退磁；3、位置传感器装置信号的引出连接繁琐，可靠性较低；4、轴承受感应电的电化学腐蚀作用寿命较短。

用于制作转子磁钢的稀土磁钢材料多为脆性，抗压强度高，抗拉强度较低，若高速运转必定使转子上的磁钢承受很大的离心力，从而导致磁钢破碎、脱落。针对此问题，目前常用的解决办法是用高强度的非磁或低磁性材料加固磁钢，一般有不锈钢或钛合金箍套、玻璃纤维、碳纤维和芳纶缠绕法。

不锈钢或钛合金箍套比较适合转子整体充磁，通过热套使箍套紧裹在磁钢外。但对预先充磁的钕铁硼，此法不甚理想，因为钕铁硼的居里点较低，热套时很容易造成磁钢退磁。若冷套则不能保证箍紧质量。整体金属套在电机运行时会产生较大的涡流，降低电机效率、提高磁钢温度。

使用不导电的高模量、高强度纤维缠绕法加固，已发现效果并不如预期的理想。主要原因是高模量高强度纤维材料的抗压强度一般都远低于其抗拉强度，因电机转子磁钢的表面并不十分的光滑，特别是磁钢的边缘有时还很锋利。当电机高速运转时，缠绕在磁钢外的高模量高强度纤维不仅要受到张力，个别部位还要承受剪应力，故实践中常常开裂。除此之外在用这些高强度纤维缠绕时，纤维端部的处理也比较复杂，费时费力。

为了提高电机功率密度，充分发挥强磁材料的性能，大功率永磁无刷直流电机多做成表面磁极的形式，过去人们设计磁钢时除了考虑磁场性能外主要为了工艺上的方便，都是用较大尺寸的磁钢。除非在每极弧长较大时，整块的磁钢不仅难以制造，而且装配非常困难，为此不得不把同一磁极的磁钢分成若干块弧面磁钢。同一磁极的磁钢分块的主要原则是每块磁钢与转子铁心的吸力不大于操作工的手力，这些磁钢的弧长和轴向长度通常在40～100mm。这种设计存在很大问题，即未充分考虑磁钢内涡流的影响。烧结稀土磁钢电阻率很低，磁钢在电机运行过程中会因磁场的变化产生涡流发热，只是由于电机通常多为封闭结构，不易观测到。特别是当磁钢体积较大时，大块的磁钢涡流发热更加严重。所以大功率永磁无刷直流电机常常出现正常运行一段时间后性能便开始下降的现象，其祸首就是磁钢因过热而导致退磁。

弧面磁钢的加工成本较高，受磁钢生产工艺的制约，生产磁钢的胚料多为立方体，弧面一般都是采用成本较高的电加工，且弧度越大材料的利用率就越低。另外现在已知的大功率永磁无刷直流电机磁钢多是带有定位沉孔的弧面磁钢。沉孔的加工不仅要增加加工费，还会降低总的磁通量。 

永磁无刷直流电机的电子换向依赖于对转子位置的判定。位置传感器装置的引线一般包括两根电源线和多根信号线，线数较多，容易搞错，使得电机的现场调试比较费时，常常不能及时运行。但是有位置传感器装置的无刷电机无论如何都要比无位置传感器装置的无刷电机运行可靠，无论负载如何变化、无论转速高低，电机都能给出方向始终正确的转矩。简单的位置传感器装置只能提供转子位置信号，若要得到精确的转速信号和转子的温度信号还要使用更多的信号线。