CN101707404B - 复合结构永磁电机的Halbach阵列盘式转子 - Google Patents
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Abstract
复合结构永磁电机的Halbach阵列盘式转子，它涉及永磁同步电机转子，它解决了复合结构电机磁耦合问题和可灵活选择电机极数问题。它由盘式转子铁心和两组Halbach永磁体阵列组成；两组Halbach永磁体阵列的磁场减弱一侧的表面分别固定在盘式转子铁心1的两个表面上，每组Halbach永磁体阵列中的每一个永磁体均为扇形永磁体，每组Halbach永磁体阵列的扇形永磁体都围盘式转子铁心的轴心线呈放射线状均匀排列。两组Halbach永磁体阵列无论极数是否相同，都会使得转子铁心内磁通极少，转子铁心很不饱和，不会引起两个电机的磁路上的耦合，两个电机便可实现独立控制，整个混合动力系统更协调的运行，复合在一起的每个电机也可根据实际需要的功率等级与基速来灵活选择自身磁极数。
Description
技术领域
本发明涉及永磁同步电机转子，具体涉及的是一种复合结构永磁同步电机的Halbach阵列盘式转子。
背景技术
传统内燃机汽车的燃油消耗和尾气排放污染是举世关注的热点问题。为了克服现有车辆中内燃机系统单一驱动车辆造成的效率低、排放严重等问题，各种电机、电池和功率变换器被引入到车辆驱动系统中，与传统内燃机协调工作，实现汽车节能、减排。专利号为CN200610010472.0、公开号为CN1929243A、公开日2007年3月14日的中国专利涉及的复合结构电机是为了解决这一问题提出的应用于混合动力汽车电机，即由一个定子和两个转子构成，两个转子作为一个双转子电机工作，与定子相邻的转子与定子作为另一个普通电机工作，整个结构相当于两个电机高度复合在一起。
该专利中复合在一起的两电机共用的转子为永磁结构，其中涉及了共用转子上有一层永磁体同时为两电机提供主磁通，这使得两电机控制时无法解耦，不能实现独立控制，影响整个混合动力系统的灵活运行；还涉及了共用转子上有两层永磁体分别为两个电机提供主磁通，两层永磁体数目相同且正对，这对于两个电机功率等级或者基速相差很多的情况来说，是一个不利的结构：若两侧都选择少极数，会导致速度低的电机体积增大，功率密度降低；若两侧都选择多极数，会导致速度高的电机铁损增大，效率降低。而且，如果根据两电机的功率等级或者基速选择两层永磁体极数不同，按照专利涉及的永磁体充磁方式，也会导致两个电机磁耦合严重，影响整个系统的控制和运行。
发明内容
本发明为了解决复合结构电机磁耦合问题和可灵活选择电机极数问题，而提供了复合结构永磁电机的Halbach阵列盘式转子。
本发明的复合结构永磁电机的Halbach阵列盘式转子由盘式转子铁心1和两组Halbach永磁体阵列组成；两组Halbach永磁体阵列分别为一组Halbach永磁体阵列2和另一组Halbach永磁体阵列3，一组Halbach永磁体阵列2和另一组Halbach永磁体阵列3的磁场减弱一侧的表面分别固定在盘式转子铁心1的两个表面上，每组Halbach永磁体阵列中的每一个永磁体均为扇形永磁体，每组Halbach永磁体阵列的扇形永磁体都围盘式转子铁心1的轴心线呈放射线状均匀排列。
本发明转子的两个表面都采用Halbach永磁体阵列。每层Halbach阵列永磁体磁场增强的一侧都背离转子铁心。两组Halbach永磁体阵列无论极数是否相同，都会使得转子铁心内磁通极少，转子铁心很不饱和，不会引起两个电机的磁路上的耦合，两个电机便可实现独立控制，整个混合动力系统更协调的运行，复合在一起的每个电机也可实际需要的功率等级与基速来灵活选择每侧电机的主极数。另外Halbach永磁体阵列的采用可使转子铁心采用非导磁材料，从而可大大减小转子铁心铁耗，提高电机效率。
附图说明
图1是本发明转子结构示意图；图2是本发明转子的一组Halbach永磁体阵列结构示意图；图3是两组Halbach永磁体阵列均是每极二块的90°充磁的Halbach永磁体阵列充磁方向示意图；图4是两组Halbach永磁体阵列均是每极三块的60°充磁的Halbach永磁体阵列充磁方向示意图；图5是两组Halbach永磁体阵列均是每极四块的45°充磁的Halbach永磁体阵列充磁方向示意图；图6是两组Halbach永磁体阵列中一组采用每极二块的90°充磁的Halbach永磁体阵列，另一组每极三块的60°充磁的Halbach永磁体阵列充磁方向示意图；图7是两组Halbach永磁体阵列中一组采用每极二块的90°充磁的Halbach永磁体阵列，另一组每极四块的45°充磁的Halbach永磁体阵列充磁方向示意图；图8是两组Halbach永磁体阵列中一组采用每极三块的60°充磁的halbach永磁体阵列，另一组每极四块的45°充磁的Halbach永磁体阵列充磁方向示意图；图9是两组Halbach永磁体阵列均是每极二块的90°充磁的Halbach永磁体阵列的磁场分布示意图，图10是两组Halbach永磁体阵列均是每极三块的60°充磁的Halbach永磁体阵列的磁场分布示意图，图11是两组Halbach永磁体阵列均是每极四块的45°充磁的Halbach永磁体阵列的磁场分布示意图；图12和图13是转子铁心为导磁性材料和非导磁性材料时，电机气隙磁密沿圆周的分布情况的对比图，图12是转子采用Halbach阵列结构时的气隙磁密沿圆周的分布情况示意图，其中直线表示的是盘式转子铁心1为导磁材料，虚线表示的是盘式转子铁心1为非导磁材料，图13是转子的永磁体阵列采用轴向充磁结构时气隙磁密沿圆周的分布情况示意图，其中直线表示的是盘式转子铁心1为导磁材料，虚线表示的是盘式转子铁心1为非导磁材料；图14和图15是一组采用16极，另一组采用26极的磁场分布示意图，图14是现有技术中轴向充磁的转子磁场分布示意图；图15是本发明的转子磁场分布示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式由盘式转子铁心1和两组Halbach永磁体阵列组成；两组Halbach永磁体阵列分别为一组Halbach永磁体阵列2和另一组Halbach永磁体阵列3，一组Halbach永磁体阵列2和另一组Halbach永磁体阵列3的磁场减弱一侧的表面分别固定在盘式转子铁心1的两个表面上，每组Halbach永磁体阵列固定时磁场增强的一侧背离盘式转子铁心1，每组Halbach永磁体阵列中的每一个永磁体均为扇形永磁体，每组Halbach永磁体阵列的扇形永磁体都围盘式转子铁心1的轴心线呈放射线状均匀排列。两组Halbach永磁体阵列2分别为两个电机提供轴向主磁通。
具体实施方式二：结合图3、图4、图5、图9、图10和图11说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于一组Halbach永磁体阵列2和另一组Halbach永磁体阵列3采用相同形式的Halbach永磁体阵列，并且一组Halbach永磁体阵列2和另一组Halbach永磁体阵列3同时采用每极二块的90°充磁的Halbach永磁体阵列、每极三块的60°充磁的Halbach永磁体阵列或每极四块的45°充磁的Halbach永磁体阵列中的一种，一组Halbach永磁体阵列2和另一组Halbach永磁体阵列3的极数相同或极数不同。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。每极永磁体块数越多，两层Halbach阵列之间的磁通越少。
具体实施方式三：结合图6、图7和图8说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于一组Halbach永磁体阵列2和另一组Halbach永磁体阵列3采用不同形式的Halbach永磁体阵列，并且一组Halbach永磁体阵列2和另一组Halbach永磁体阵列3分别采用每极二块的90°充磁的Halbach永磁体阵列、每极三块的60°充磁的Halbach永磁体阵列或每极四块的45°充磁的Halbach永磁体阵列中的一种，一组Halbach永磁体阵列2和另一组Halbach永磁体阵列3的极数相同或极数不同。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：结合图6说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式三不同点在于两组Halbach永磁体阵列中的一组Halbach永磁体阵列2采用每极二块的90°充磁的Halbach永磁体阵列，另一组Halbach永磁体阵列3采用每极三块的60°充磁的Halbach永磁体阵列。其它组成和连接方式与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：结合图7说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式三不同点在于两组Halbach永磁体阵列中的一组Halbach永磁体阵列2采用每极二块的90°充磁的Halbach永磁体阵列，另一组Halbach永磁体阵列3采用每极四块的45°充磁的Halbach永磁体阵列。其它组成和连接方式与具体实施方式三相同。
具体实施方式六：结合图8说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式三不同点在于两组Halbach永磁体阵列中的一组Halbach永磁体阵列2采用每极三块的60°充磁的Halbach永磁体阵列，另一组Halbach永磁体阵列3采用每极四块的45°充磁的Halbach永磁体阵列。其它组成和连接方式与具体实施方式三相同。
具体实施方式七：结合图3、图4和图7说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二、三、四或五不同点在于所述每极二块的90°充磁的Halbach永磁体阵列的每极由平行充磁永磁体和切向充磁永磁体组成，平行充磁永磁体沿转子的轴向平行充磁，切向充磁永磁体充磁方向与平行充磁永磁体充磁方向成90°夹角，并且所述切向充磁永磁体充磁方向与转子圆盘侧面的切面相平行；每相邻的两极中的平行充磁永磁体的充磁方向相反，每相邻的两极中的切向充磁永磁体的充磁方向相反。其它组成和连接方式与具体实施方式二、三、四或五相同。
具体实施方式八：结合图4、图6和图8说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二、三、四或六不同点在于所述每极三块的60°充磁的Halbach永磁体阵列的每极由三个永磁体组成；所述三个永磁体依次为平行充磁永磁体和两个切向充磁永磁体；平行充磁永磁体沿转子的轴向平行充磁，与所述平行充磁永磁体相邻的切向充磁永磁体的充磁方向与平行充磁永磁体的充磁方向相差60°角，与所述切向充磁永磁体相邻的另一个切向充磁永磁体的充磁方向与平行充磁永磁体的充磁方向相差120°角，并且三个永磁体的充磁方向均与转子圆盘侧面的切面相平行，每相邻的两极中的平行充磁永磁体的充磁方向相反，每相邻的两极中的位于对应位置的切向充磁永磁体的充磁方向相反。其它组成和连接方式与具体实施方式二、三、四或六相同。
具体实施方式九：结合图5、图7和图8说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二、三、五或六不同点在于所述四个永磁体依次为平行充磁永磁体、第一切向充磁永磁体、第二切向充磁永磁体和第三切向充磁永磁体；平行充磁永磁体沿转子的轴向平行充磁，平行充磁永磁体的充磁方向与相邻的第一切向充磁永磁体的充磁方向相差45°角，所述第一切向充磁永磁体的充磁方向与第二切向充磁永磁体的充磁方向相差45°角，所述第二切向充磁永磁体的充磁方向与第三切向充磁永磁体的充磁方向相差45°角，并且所述四个永磁体的充磁方向均与转子圆盘侧面的切面相平行；每相邻的两极中的平行充磁永磁体的充磁方向相反，每相邻的两极中的第一切向充磁永磁体的充磁方向相反，每相邻的两极中的第二切向充磁永磁体的充磁方向相反，每相邻的两极中的第三切向充磁永磁体的充磁方向相反。其它组成和连接方式与具体实施方式二、三、五或六相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一、二、三、四、五或六不同点在于盘式转子铁心1采用导磁材料或非导磁材料。其它组成和连接方式与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。见图12和图13，由于Halbach磁场减弱的一侧磁场强度很小，转子铁心是否为导磁性材料对电机气隙磁场影响很小。而转子铁心若为非导磁性材料，则转子铁心的损耗很小。因为这部分损耗的减少，电机效率计算时也会提高。而轴向充磁的电机如果转子铁心为非导磁性材料，则气隙磁密有较明显的下降，对电机性能的影响也会很大。
本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。
两个电机极数不同时，采用现有技术中轴向充磁的转子使得两个电机的磁场相互影响大，电机气隙磁场沿圆周分布不再均匀对称，这会对电机的磁拉力和转矩特性造成不良影响；而采用本发明的复合结构永磁电机的Halbach阵列盘式转子后，两个电机磁场相互干涉很小，电机气隙磁场几乎不干扰。(通过对比可以看出，采用本专利结构可以获得更好的气隙磁场分布和转矩特性，并很好地解决两台电机由于采用不同极数而造成的磁场干涉和磁场耦合问题。)。见图14和图15。
Claims (8)
1.复合结构永磁电机的Halbach阵列盘式转子，它由盘式转子铁心(1)和两组Halbach永磁体阵列组成；两组Halbach永磁体阵列分别为一组Halbach永磁体阵列(2)和另一组Halbach永磁体阵列(3)，一组Halbach永磁体阵列(2)的磁场减弱一侧的表面和另一组Halbach永磁体阵列(3)的磁场减弱一侧的表面分别固定在盘式转子铁心(1)的两个表面上，每组Halbach永磁体阵列中的每一个永磁体均为扇形永磁体，每组Halbach永磁体阵列的扇形永磁体都围盘式转子铁心(1)的轴心线呈放射线状均匀排列，其特征在于一组Halbach永磁体阵列(2)和另一组Halbach永磁体阵列(3)采用不同形式的Halbach永磁体阵列，并且一组Halbach永磁体阵列(2)和另一组Halbach永磁体阵列(3)分别采用每极二块的90°充磁的Halbach永磁体阵列、每极三块的60°充磁的Halbach永磁体阵列或每极四块的45°充磁的Halbach永磁体阵列中的一种，一组Halbach永磁体阵列(2)和另一组Halbach永磁体阵列(3)的极数相同或极数不同。
2.根据权利要求1所述的复合结构永磁电机的Halbach阵列盘式转子，其特征在于两组Halbach永磁体阵列中的一组Halbach永磁体阵列(2)采用每极二块的90°充磁的Halbach永磁体阵列，另一组Halbach永磁体阵列(3)采用每极三块的60°充磁的Halbach永磁体阵列。
3.根据权利要求1所述的复合结构永磁电机的Halbach阵列盘式转子，其特征在于两组Halbach永磁体阵列中的一组Halbach永磁体阵列(2)采用每极二块的90°充磁的Halbach永磁体阵列，另一组Halbach永磁体阵列(3)采用每极四块的45°充磁的Halbach永磁体阵列。
4.根据权利要求1所述的复合结构永磁电机的Halbach阵列盘式转子，其特征在于两组Halbach永磁体阵列中的一组Halbach永磁体阵列(2)采用每极三块的60°充磁的Halbach永磁体阵列，另一组Halbach永磁体阵列(3)采用每极四块的45°充磁的Halbach永磁体阵列。
5.根据权利要求1、2或3所述的复合结构永磁电机的Halbach阵列盘式转子，其特征在于所述每极二块的90°充磁的Halbach永磁体阵列的每极由平行充磁永磁体和切向充磁永磁体组成，平行充磁永磁体沿转子的轴向平行充磁，切向充磁永磁体充磁方向与平行充磁永磁体充磁方向成90°夹角，并且所述切向充磁永磁体充磁方向与转子圆盘侧面的切面相平行；每相邻的两极中的平行充磁永磁体的充磁方向相反，每相邻的两极中的切向充磁永磁体的充磁方向相反。
6.根据权利要求1、2或4所述的复合结构永磁电机的Halbach阵列盘式转子，其特征在于所述每极三块的60°充磁的Halbach永磁体阵列的每极由三个永磁体组成；所述三个永磁体依次为平行充磁永磁体和两个切向充磁永磁体；平行充磁永磁体沿转子的轴向平行充磁，与所述平行充磁永磁体相邻的切向充磁永磁体的充磁方向与平行充磁永磁体的充磁方向相差60°角，与所述切向充磁永磁体相邻的另一个切向充磁永磁体的充磁方向与平行充磁永磁体的充磁方向相差120°角，并且三个永磁体的充磁方向均与转子圆盘侧面的切面相平行，每相邻的两极中的平行充磁永磁体的充磁方向相反，每相邻的两极中的位于对应位置的切向充磁永磁体的充磁方向相反。
7.根据权利要求1、3或4所述的复合结构永磁电机的Halbach阵列盘式转子，其特征在于所述每极四块的45°充磁的Halbach永磁体阵列的每极由四个永磁体组成，所述四个永磁体依次为平行充磁永磁体、第一切向充磁永磁体、第二切向充磁永磁体和第三切向充磁永磁体；平行充磁永磁体沿转子的轴向平行充磁，平行充磁永磁体的充磁方向与相邻的第一切向充磁永磁体的充磁方向相差45°角，所述第一切向充磁永磁体的充磁方向与第二切向充磁永磁体的充磁方向相差45°角，所述第二切向充磁永磁体的充磁方向与第三切向充磁永磁体的充磁方向相差45°角，并且所述四个永磁体的充磁方向均与转子圆盘侧面的切面相平行；每相邻的两极中的平行充磁永磁体的充磁方向相反，每相邻的两极中的第一切向充磁永磁体的充磁方向相反，每相邻的两极中的第二切向充磁永磁体的充磁方向相反，每相邻的两极中的第三切向充磁永磁体的充磁方向相反。
8.根据权利要求1、2、3或4所述的复合结构永磁电机的Halbach阵列盘式转子，其特征在于盘式转子铁心(1)采用导磁材料或非导磁材料。
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Granted publication date: 20120328 Termination date: 20211130 |
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