CN101572464B - Halbach阵列并列转子混合励磁无刷同步电机 - Google Patents

Abstract

一种Halbach阵列并列转子混合励磁无刷同步电机，包含转子和收容该转子的定子，所述定子包括导磁凹槽套筒、环形励磁绕组等，所述导磁凹槽套筒通过螺栓固定在电机端盖上，与转子轴无接触，所述环形励磁绕组固定于导磁凹槽套筒的凹槽处。所述转子由转轴和并列设置于该转轴上的Halbach转子和电励磁转子组成：所述Halbach转子包含由所述转轴支撑的非导磁转子和设置于该非导磁转子表面的Halbach阵列永磁体；所述电励磁转子包含与转轴连接的爪极结构；所述Halbach转子和所述电励磁转子通过气隙组成的隔磁环隔开。本发明能减少转子部分的涡流损耗，扩大磁场的可调节范围、提高电机的功率密度，并且本发明可靠性高、节能效果好。

Description

Halbach阵列并列转子混合励磁无刷同步电机 

技术领域

本发明涉及一种交流同步电机，特别是涉及一种混合励磁无刷同步电机。 

背景技术

Halbach阵列是美国学者Klaus.Halbach针对永磁体结构提出的一种新颖的磁体排列方式。Halbach阵列内转子永磁体的合成磁场如附图1所示，其气隙磁场呈独特分布，为单边磁场，合适的充磁方向能使电机的气隙磁通获得较好的正弦性。采用Halbach阵列的电机在高速运转时能使铁耗得到很好控制，极大的提高电机的效率和功率密度；而且在Halbach电机中，由于气隙磁场的正弦分布程度较高，谐波含量小，因此定、转子结构上不需要采用斜槽来削弱谐波磁场的影响，定、转子不需要斜槽。 

附图2所示为一种Halbach双凸极电机，如中国专利公开第1645713中揭示。该电机包含定子铁芯1和转子铁芯3两部分，且定转子间是电机的气隙2，定、转子铁芯1和3均由硅钢片叠压而成；定子铁芯1外表面贴有一层Halbach阵列结构的磁钢4；定子铁芯1内侧是凸极齿槽结构5，齿上套有集中电枢绕组；转子铁芯3是凸极齿槽结构，无绕组。由于Halbach阵列的自屏蔽效应，电机不需要壳体作磁场的通路，所以Halbach双凸极电机的体积、重量大大降低，使得转动惯量减小，快速响应性能提高，只是该种电机磁场调节较为困难。Halbach永磁电机磁场难以调节的特点，限制了其在许多领域中的应用，为了解决永磁电机磁场难以调节的问题，混合励磁电机成为目前研究的一个热点。 

附图3所示为一种永磁-电励磁并列转子混合励磁同步电机，包含定子1’和转子2’，直流励磁绕组3’直接安装在转子2’上，励磁电流由电刷和滑环6’引 入。所述转子2’包含永磁转子4’和电励磁转子5’，它们呈并列结构，中间用气隙组成的隔磁环隔开，故永磁转子的气隙磁通和电励磁转子的气隙磁通不会互相影响；但在结构上由于部分励磁绕组位于永磁体下，故此部分电励磁磁路和永磁磁路相当于串联，因此励磁电流发生变化时，永磁部分的气隙磁通也会随之发生变化，要达到调节磁场的目的需要较大的励磁电流，这无疑增大了励磁时间常数、增大了铜损、降低了电机的效率；而且由于直流励磁绕组直接安装在转子上，使得励磁电流由电刷和滑环引入，电机的可靠性降低，不适合在恶劣的工况下运行、维护费用增加。 

现有技术中另外一种永磁-电励磁并列转子混合励磁同步电机，是无刷形式的稀土永磁-电励磁并列转子混合励磁同步电机，其永磁主发电机部分和辅助电励磁部分共用一个电枢绕组，电枢绕组感应电势有两个部分，分别由永磁磁场和电励磁磁场感应产生，相应的励磁磁势分别为：主发电机部分是永磁磁钢产生的磁势，调节电压所需的辅助磁场靠辅助电励磁绕组产生的磁势来建立，两部分磁势基本上单独地作用于各自的磁路，形成各自的气隙磁场。此电机虽然去掉了电刷和滑环，但电励磁部分的有效长度较小，使得磁场调节范围较小，影响电机整体性能的发挥。 

现有技术中还有一种并列转子混合励磁同步电机，其永磁磁通和“弱磁”磁通，具有各自不同的物理磁路-永磁磁通只在永磁段的磁路流通(径向)，“弱磁”磁通只在磁阻段流通(径向)，“弱磁”表现为一种合成的效果，在定子铁心的硅钢片中，并不存在真正的磁场削弱。因此，在低速运行时，磁阻部分基本上不产生转矩，从而导致了较低的电机转矩密度，而高速“弱磁”运行时，永磁段的磁通基本不变，磁阻段的磁通则随“弱磁”程度的增大而增大，从而导致铁磁损耗随速度几何级数增大，永磁体直接暴露在电枢之下，容易使其产生不可恢复的去磁。 

概而言之，现有技术中的并列转子混合励磁同步电机要么永磁体采用传统的径向充磁方式，与Halbach电机相比，较难形成理想的正弦波气隙磁通和单边磁场，永磁转子部分要用铁心提供磁路，电机的重量大且高速运转时转子涡流较大，降低了电机的功率密度；要么电机的磁场虽然可调节的，但Halbach磁体的有效部分较小，由Halbach磁体提供的功率较小，正常运行时要较大的励磁电流配合，才能满足输出电压的稳定，这无疑增大了电励磁功率和励磁时间常数；要么电励磁部分使用了电刷和滑环，使得电机的可靠性降低。 

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种Halbach阵列并列转子混合励磁无刷同步电机，本发明的技术方案能够提高电机的功率密度和电机的励磁调节范围。 

本发明采取的技术方案是： 

一种Halbach阵列并列转子混合励磁无刷同步电机，包含转子和收容该转子的定子，所述定子包括定子铁心、设置于该定子铁心上的电枢齿、以及环绕于电枢齿的电枢绕组，以及导磁凹槽套筒、环形励磁绕组，所述导磁凹槽套筒通过螺栓固定在电机端盖上，与转子轴无接触，所述环形励磁绕组固定于导磁凹槽套筒的凹槽处；所述转子由转轴和并列设置于该转轴上的Halbach转子和电励磁转子组成：所述Halbach转子包含由所述转轴支撑的非导磁转子和设置于该非导磁转子表面的Halbach阵列永磁体；所述电励磁转子包含与转轴连接的爪极结构；所述Halbach转子和所述电励磁转子通过气隙组成的隔磁环隔开。 

所述Halbach阵列永磁体的极数与爪极结构的极数相同。 

所述Halbach阵列永磁体粘贴于所述非导磁转子表面。 

所述Halbach阵列永磁体还通过不锈钢套固定于所述非导磁转子表面。 

所述Halbach阵列转子和电励磁转子产生的磁势相互并联。 

所述导磁凹槽套筒通过导磁凹槽底面开设的若干个轴向螺栓穿孔，利用螺栓与所述电机端盖固定连接；所述Halbach阵列永磁体产生的励磁磁场为主要磁场， 励磁绕组产生的磁场作为辅助磁场。 

本发明的有益效果是： 

(1)通过使Halbach阵列永磁体与电励磁两种磁势源并联，将环形励磁绕组安放在导磁凹槽套筒的凹槽内，而将导磁凹槽套筒与电机端盖固定，省去了电刷和滑环等结构，扩大了磁场的调节范围，提高了电机的可靠性； 

(2)通过利用Halbach阵列永磁体产生的单边气隙磁场，使电机的气隙磁通的正弦性较好，有效的减少了转子部分的涡流损耗，电机效率高； 

(3)通过将Halbach阵列转子和电励磁转子并列放置，将Halbach阵列永磁体产生的励磁磁场作为主要部分，励磁绕组产生的磁场作为辅助的调节装置，电机正常工作时励磁绕组中的励磁电流为零，励磁绕组不消耗功率，仅当负载变化时，才适当的加入励磁电流来调节气隙磁场，电机节能； 

(4)通过将Halbach阵列转子和电励磁转子利用气隙组成的隔磁环隔开，使Halbach阵列永磁体不会产生去磁的风险，两部分的气隙磁场在气隙中是可以相互促进和抵消的，因此功率密度也不会降低，能够实现励磁电流双向调节。 

附图说明

附图1是Halbach阵列内转子永磁体的合成磁场的示意图； 

附图2是现有技术中的一种Halbach电机的结构示意图； 

附图3是现有技术中的一种永磁-电励磁并列转子混合励磁同步电机的结构示意图； 

附图4是依据本发明的一种Halbach阵列并列转子混合励磁无刷同步电机的结构示意图； 

附图5是沿附图4中的A-A剖视图。 

图中涉及的附图标记如下所示： 

1.定子铁芯           2.气隙 

3.转子铁芯                    4.Halbach阵列结构的磁钢 

5.凸极齿槽结构 

1’.定子                       2’.转子 

3’.直流励磁绕组               4’.永磁转子 

5’.电励磁转子                 6’.电刷和滑环 

10.定子                        11.定子铁心 

12.导磁凹槽套筒                13.导磁凹槽 

14.环形励磁绕组                15.螺栓穿孔 

16.导磁凹槽套筒与转轴间气隙    17.非工作气隙 

20.转子                        21.气隙 

22.转轴                        23.Halbach阵列转子 

231.非导磁转子                 232.Halbach阵列永磁体 

233.不锈钢套                   24.电励磁转子 

241.爪极结构                   25.隔磁环 

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优点和具体实施给予详细阐释。 

参见附图4，一种Halbach阵列并列转子混合励磁无刷同步电机，包含转子20和收容该转子20的定子10，定子10具有定子铁心11、设置于该定子铁心11上的电枢齿(附图未示)、以及环绕于电枢齿上的电枢绕组(附图未示)，定子10还包括导磁凹槽套筒12、导磁凹槽13内固定的环形励磁绕组14；导磁凹槽13底面开设有若干个轴向螺栓穿孔15，用于通过螺栓将导磁凹槽套筒12与电机端盖(附图未示)固定连接，所述导磁凹槽套筒12与爪极结构241间具有非工作气隙17，与转轴22间具有气隙16，导磁凹槽套筒12的中心部分向下凹陷形成导磁凹槽13，导磁凹槽13内固定有环形励磁绕组14，转子20和定子10之间具有气隙21，转子20由转轴22和并列设置于该转轴22上的Halbach转子 23和电励磁转子24组成，Halbach转子23和电励磁转子24通过气隙组成的隔磁环25隔开。Halbach转子23包含由所述转轴22支撑的非导磁转子231、设置于该非导磁转子231表面的Halbach阵列永磁体232，以及用以将该Halbach阵列永磁体232进一步固定于非导磁转子231表面上的不锈钢套233。电励磁转子24包含与转轴22连接的爪极结构241。 

继续参考附图4，所述定子10的定子铁芯由硅钢片叠压而成，定子铁芯内侧为凸极齿槽结构，形成电枢齿槽，电枢齿槽上环绕有电枢绕组。所述Halbach阵列永磁体232直接粘贴在非导磁转子231表面，并用不锈钢套233固定。该Halbach阵列永磁体232的充磁方式为Halbach阵列结构特有的充磁方式，其极对数与爪极结构241的极对数相同。所述非导磁转子231为圆柱状，中心具有穿孔，用来供转轴22穿过。 

另外，所述Halbach阵列转子23可以设置于所述转轴22的左侧，也可以设置于所述转轴22的右侧，相应的，所述电励磁转子24可以设置于所述转轴22的右侧，也可以设置于所述转轴22的左侧。所述环形励磁绕组14构成的磁势源和所述Halbach阵列永磁体232构成的磁势源并联。 

参考附图5，其显示电励磁转子24及电励磁转子所包围的定子沿A-A向的剖面示意图，如图所示，所述导磁套筒12在导磁凹槽13处具有若干个轴向螺栓穿孔15，与导磁套筒12同侧的电机端盖上也有与之相对应的若干个轴向螺栓穿孔，通过螺栓将导磁凹槽套筒与电机端盖固定在一起，而环形励磁绕组14安放在导磁凹槽13内。这样所述导磁套筒12不随电机的正常运行而旋转，所以本发明的Halbach阵列并列转子混合励磁无刷同步电机，电励磁部分也被合理的设置成为无刷结构。 

可再次参考附图4，本发明所提供的Halbach阵列并列转子混合励磁无刷同步电机正常运行时励磁绕组中的励磁电流为零，励磁绕组不消耗功率，仅当负载变化时，才适当的加入励磁电流来调节气隙磁场，电机节能；且电机空载运 行时，气隙中的磁通由两部分组成： 

(1)电励磁部分磁通：所述环形励磁绕组14中的环形电流产生的轴向磁通经导磁套筒12、导磁套筒12与爪极结构241间的非工作气隙17到达爪极结构241，该轴向磁通由爪极结构241转换为径向磁通，之后该径向磁通流经气隙21、电枢齿、定子铁芯，再经另一极下的定子齿、气隙21，经爪极结构241、导磁套筒12与爪极结构241间气隙17、到达导磁套筒10，形成一个磁通回路。 

(2)Halbach阵列永磁部分：Halbach阵列永磁体232的N极产生径向磁通，流经气隙21、电枢齿、定子铁芯，到达磁场的另一极，再经过磁场的另一极下的定子齿、气隙21，回到Halbach阵列永磁体N极的S极，形成一个磁通回路。 

当环形励磁绕组14中励磁电流产生的磁场方向和Halbach阵列永磁体232的磁化方向相同时，电机中气隙磁场增大；反之电机中的气隙磁场减小。因此通过调节励磁电流的大小和方向就可方便的调节气隙磁场。 

本发明通过采用Halbach阵列对电机进行改善，克服了传统并列转子混合励磁同步电机的永磁体都采用的传统充磁方式，较难形成理想的正弦波气隙磁通，永磁转子部分要用铁芯提供磁路，电机重量大且高速运转时转子涡流较大，电机功率密度低的特点，提高了电机的功率密度；同时本发明采用Halbach阵列永磁体与电励磁相结合，改善了上述传统电机磁场调节困难的缺点。 

本发明的技术方案中，永磁体采用Halbach阵列永磁体，Halbach阵列永磁体产生单边的气隙磁场，使电机的气隙磁通的正弦性较好，有效的减少了转子部分的涡流损耗；并且Halbach阵列转子和电励磁转子并列放置，励磁磁场的主要部分由Halbach阵列永磁体产生，励磁绕组仅仅作为辅助的调节装置，电机正常工作时励磁绕组中的励磁电流为零，励磁绕组不消耗功率，仅当负载变化时，才适当的加入励磁电流来调节气隙磁场，因此本发明是一种节能型同步电机；并且Halbach阵列转子和电励磁转子中间用气隙组成的隔磁环隔开，使Halbach阵列永磁体不会产生去磁的风险，两部分的气隙磁场在气隙中是可以相互促进 和抵消的，因此功率密度也不会降低，能够实现励磁电流双向调节。通过将环形励磁绕组安放在导磁凹槽套筒的凹槽内，而将导磁凹槽套筒固定在电机的端盖上，省去了电刷和滑环等结构，提高了电机的可靠性。 

本发明的Halbach阵列并列转子混合励磁无刷同步电机采用Halbach阵列永磁体与电励磁两种磁势源并联结构，扩大了磁场的调节范围，省去了电刷和滑环等装置。励磁装置采用Halbach阵列与电励磁相结合，由于Halbach阵列永磁体产生的磁场的单边性(即磁屏蔽效应)，使气隙磁通具有较好的正弦性且转子轭部磁通接近于零，进而本发明Halbach阵列部分的转子轭部使用质轻的非导磁材料(如铝)，减少了转子轭部的涡流损耗的同时也减少了电机的转动惯量，提高了电机的性能，能广泛用于电力工业、交通运输业等领域。 

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改变、改进或润饰，如所述非导磁转子的材料可以为铝或工程塑料等，这些改变、改进或润饰也应视为本发明的保护范围。 

Claims (6)

1.一种Halbach阵列并列转子混合励磁无刷同步电机，包含转子和收容该转子的定子，其特征在于，所述定子包括定子铁心、设置于该定子铁心上的电枢齿、以及环绕于电枢齿的电枢绕组，以及导磁凹槽套筒、环形励磁绕组，所述导磁凹槽套筒通过螺栓固定在电机端盖上，与转子轴无接触，所述环形励磁绕组固定于导磁凹槽套筒的凹槽处；

所述转子由转轴和并列设置于该转轴上的Halbach转子和电励磁转子组成：

所述Halbach转子包含由所述转轴支撑的非导磁转子和设置于该非导磁转子表面的Halbach阵列永磁体；

所述电励磁转子包括爪极结构；

所述Halbach转子和所述电励磁转子通过气隙组成的隔磁环隔开。

2.根据权利要求1所述的Halbach阵列并列转子混合励磁无刷同步电机，其特征在于，所述Halbach阵列永磁体的极数与爪极结构的极数相同。

3.根据权利要求1所述的Halbach阵列并列转子混合励磁无刷同步电机，其特征在于，所述Halbach阵列永磁体粘贴于所述非导磁转子表面。

4.根据权利要求3所述的Halbach阵列并列转子混合励磁无刷同步电机，其特征在于，所述Halbach阵列永磁体还通过不锈钢套固定于所述非导磁转子表面。

5.根据权利要求1所述的Halbach阵列并列转子混合励磁无刷同步电机，其特征在于，所述导磁凹槽套筒通过导磁凹槽底面开设的若干个轴向螺栓穿孔，利用螺栓与所述电机端盖固定连接。

6.根据权利要求1所述的Halbach阵列并列转子混合励磁无刷同步电机，其特征在于，所述Halbach阵列永磁体产生的励磁磁场为主要磁场，励磁绕组产生的磁场作为辅助磁场。

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