CN101834476A - 一种利用霍尔巴克磁阵列的永磁发电机内转子 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用霍尔巴克(Halbach)磁阵列的永磁发电机内转子。由转轴(1)、轻质高强度材料组成的转筒(2)及装在其上的霍尔巴克磁阵列磁体(3)、(4)组成。该发明使永磁发电机内转子省去了笨重的且会产生涡流的磁轭(涡流会使磁轭及磁体发热)，减轻了转子的质量。由于转筒圆周上密排了磁体，增加了磁动势，减少了漏磁，从而增加了发电机的输出功率。本发明适用于各类永磁发电机和电动机，特别适用于大型水力和风力发电机。

Description

一种利用霍尔巴克磁阵列的永磁发电机内转子
技术领域
本发明涉及一种发电机的转子，特别涉及利用霍尔巴克(Halbach)磁阵列的永磁发电机内转子。
背景技术
永磁发电机/电动机转子由于其不需要励磁电源，不需要碳刷和导流环，既节省了励磁的能耗，也减少了维修次数，及延长了寿命。因此，在高性能磁体钕铁硼发明后，永磁转子发电机/电动机获得越来越多的应用，尤其在对于输出波形要求不高的场合，例如风力发电机，更被普遍采用。
霍尔巴克磁阵列是二十世纪八十年代在美国劳伦斯利弗莫国家实验室工作的物理学家霍尔巴克(Klaus Halbach)发明的。当时霍尔巴克是将其用来聚焦加速器中的粒子束。霍尔巴克磁阵列由永久磁体组成，其显著特性是磁阵列的一面的磁通密度得到了加强(几乎是原来的两倍)，而另一面几乎抵消为零。如图1中的磁阵列，其上平面的磁通得到加强，而下平面的磁通几乎为零。
一般的永磁发电机转子，其永磁体的极性为交替排列。因此，相邻磁体之间漏磁较大，降低了磁体的利用率。用霍尔巴克磁阵列则可增加磁动势，大幅度减少漏磁，增加有用的主磁通，从而增加发电量；为减少磁阻，一般永磁转子的永磁体是装在铁质磁轭上的，因磁轭导电，会产生涡流，使磁轭发热，从而使附在其上的磁体升温，使磁体性能变坏。而采用霍尔巴克(Halbach)磁阵列则不需要磁轭，不但不会使转子发热，而且减轻了转子的重量和转动惯量。
目前，有关用霍尔巴克磁阵列作转子的美国专利有两件.(1)专利号5705902，名称为Halbach array DC motor/generator；(2)专利号6906446，专利名称为Halbach array generator/motor havingMechanically regulated output and mechanically power output。中国国内未见有这方面的专利。
这两例美国专利都采用外转子形式，即将磁体装在圆筒转子的内壁。美国5705902号专利的特点是在圆筒内各磁体磁化的方向是渐变的，从而形成均匀磁场，也就是说，其等效磁极对数是一(P＝1)。美国6906446号专利利用的是多磁极外转子，外转子的不足之处是磁体安装困难，其次外转子发电机/电动机的定子在内部，散热困难。所以传统的永磁发电机/电动机以内转子居多。本发明不同于上述两件美国专利之处在于将霍尔巴克磁阵列用于内转子上。霍尔巴克内转子与霍尔巴克外转子相比，不但前者被使用的范围更广泛，而且有的地方必须使用内转子。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种安装方便，定子散热容易，能增加磁通密度，减轻转子重量，减小转子温升的由永磁体组成霍尔巴克磁阵列的发电机或电动机的内转子。
本发明是这样实现的：本发明所述的利用霍尔巴克磁阵列的永磁发电机内转子，包括转轴，转筒和磁体，在内转子的转筒外表面沿圆周密排霍尔巴克磁阵列，形成霍尔巴克磁阵列组成的内转子。
由于霍尔巴克磁阵列的某一侧的所有磁力线都在磁阵列内部，所以在本发明所述的利用霍尔巴克磁阵列的永磁发电机内转子的转子部分不需要笨重的导磁的铁磁性磁轭，而可以将磁体安装在任何材料构成的柱形转筒上，优先选用的是密度小而强度高的材料。
所述的利用霍尔巴克磁阵列的永磁发电机内转子之转筒为圆柱形。
所述的利用霍尔巴克磁阵列的永磁发电机内转子之转筒为多棱柱。
所述的利用霍尔巴克磁阵列的永磁发电机内转子之辐向充磁的磁体的形状为瓦形。
所述的利用霍尔巴克磁阵列的永磁发电机内转子之切向充磁的磁体的形状为瓦形。
所述的利用霍尔巴克磁阵列的永磁发电机内转子之辐向充磁的磁体的形状为能和多棱柱转筒相配的其中一面为柱面的四棱柱。
所述的利用霍尔巴克磁阵列的永磁发电机内转子之切向充磁的磁体的形状为梯形截面四棱柱。
所述的利用霍尔巴克磁阵列的永磁发电机内转子之切向充磁的磁体的辐向厚度与辐向充磁的磁体的辐向厚度之比的范围为0.1至1.0。
所述的利用霍尔巴克磁阵列的永磁发电机内转子，其特征是：所述之切向充磁的磁体的辐向厚度与辐向充磁的磁体的辐向厚度之比的范围优选为0.3至1.0。
所述的利用霍尔巴克磁阵列的永磁发电机内转子之切向充磁的磁体的弧向宽度与辐向充磁的磁体的弧向宽度之比的范围为0.1至10.0。
所述的利用霍尔巴克磁阵列的永磁发电机内转子之切向充磁的磁体的弧向宽度与辐向充磁的磁体的弧向宽度之比的范围优选为0.3至3.0。
本发明所述的利用霍尔巴克磁阵列的永磁发电机内转子之磁体用无磁螺丝(首选无磁不锈钢螺丝)或胶黏剂紧固于转筒上，也可以两者都用，以增加牢度。
同理，利用霍尔巴克磁阵列的永磁发电机内转子也可作为永磁电动机内转子使用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：由于采用了霍尔巴克磁阵列作为转子，既减少了传统永磁转子中相邻磁体之间的漏磁，也增加了磁动势，从而增加了主磁通，增加了发电机或电动机的输出。其次，由于霍尔巴克磁阵列的磁力线在磁阵列内部连通，故在本转子中磁体可以装在密度低、强度大的材料上，代替笨重的磁轭，这减轻了转子的重量和转动惯量。
附图说明
图1是平面霍尔巴克磁阵列。图中D为磁体宽度，H为磁体高度，L为磁体长度。箭头为磁化方向。其磁力线集中在上平面。
图2是将平面霍尔巴克磁阵列卷在转筒上形成柱状霍尔巴克内转子的立体图。为配合转筒图中已将磁体改为瓦状。其磁极对数为三对。
图3是两种磁体的辐向高度和弧向宽度都相等的霍尔巴克磁阵列内转子的横截面图。磁体为瓦状，磁极对数为六对。
图4是切向充磁磁体的辐向高度小于辐向充磁磁体的辐向高度的霍尔巴克磁阵列内转子的横截面图。其磁体形状为瓦形。磁极对数为5对。
图5是切向充磁磁体的弧向宽度小于幅向充磁磁体的弧向宽度的霍尔巴克磁阵列内转子的横截面图。磁体形状为瓦形。磁极对数为4对。
图6是转筒为多棱柱，切向充磁磁体为梯形截面四棱柱，法向充磁磁体截面为柱面四棱柱的霍尔巴克磁阵列内转子的横截面图。
图中：转轴1，柱形转筒2，辐向充磁的瓦形磁体3，切向充磁的瓦形磁体4，辐向充磁的柱面四棱柱磁体5，切向充磁的梯形截面四棱柱磁体6，多棱柱转筒7，转子与定子之间的气隙8，定子9。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
实施例1：
实施例1如图3所示。内转子由转轴1，柱形转筒2及安装于转筒上的霍尔巴克磁阵列组成。图3中画有箭头的是霍尔巴克磁阵列的磁体，其箭头代表磁化方向。磁阵列中有两种磁体，即辐向充磁的磁体3和切向充磁的磁体4。磁极对数在本发明中没有限制，实施例1中磁极对数为6对(P＝6)。转子外面与转子同轴的是定子9，绕有线圈的定子的结构与传统的电机相同，故未在图中画出。定子和转子之间是气隙8。实施例1中，切向充磁的磁体4的弧向宽度和辐向高度与幅向充磁的磁体3的弧向宽度和辐向高度分别相等。用外力转动转子，则在定子的线圈中产生电动势，成为发电机；若在定子线圈中通入三相交流电，则驱动定子旋转，成为同步电动机。
实施例2：
实施例2如图4所示。内转子由转轴1，柱状转筒2和安装在转筒上的霍尔巴克磁阵列组成。所不同的是实施例2中切向充磁的磁体4的辐向高度比辐向充磁磁体3的辐向高度低。实施例2中磁极的对数为5对。
实施例3：
实施例3如图5所示。实施例3和实施例1的不同之处在于其切向充磁磁体4的弧向宽度与辐向充磁磁体3的弧向宽度不等。虽然图中画的是前者窄于后者，但也可以前者等于或宽于后者。实施例3中磁极对数为4对。
实施例4：
图6为实施例4的横截面图。它由转轴1，多棱柱转筒7，柱面四棱柱磁体5和梯形截面四棱柱磁体6构成。定子9和转子同轴。转子和定子之间有气隙8。实施例4的特点是转筒为多棱柱而不是圆柱，且可以是不等边多棱柱。与转筒相匹配，其辐向充磁磁体的形状为：外侧为与实施例1相同的柱面，其余三面为平面，构成本发明中所称的柱面四棱柱。为节省磁体材料，实施例4中切向充磁磁体的截面为梯形。这种结构也有利于磁力线向气隙8集中。实施例4中的磁极对数为2对。
除上述事实例外，在磁体的高度和宽度方面还可以有不同的组合。

Claims (11)

1.一种利用霍尔巴克磁阵列的永磁发电机内转子，由转轴，转筒和磁体组成，其特征是：在内转子的转筒外表面沿圆周密排霍尔巴克磁阵列，形成霍尔巴克磁阵列组成的内转子。
2.根据权利要求1所述的利用霍尔巴克磁阵列的永磁发电机内转子，其特征是：所述之转筒为圆柱形。
3.根据权利要求1所述的利用霍尔巴克磁阵列的永磁发电机内转子，其特征是：所述之转筒为多棱柱。
4.根据权利要求1所述的利用霍尔巴克磁阵列的永磁发电机内转子，其特征是：所述之霍尔巴克磁阵列的辐向充磁的磁体的形状为瓦形。
5.根据权利要求1所述的利用霍尔巴克磁阵列的永磁发电机内转子，其特征是：所述之霍尔巴克磁阵列的切向充磁的磁体的形状为瓦形。
6.根据权利要求1所述的利用霍尔巴克磁阵列的永磁发电机内转子，其特征是：所述之霍尔巴克磁阵列的辐向充磁的磁体的形状为能和多棱柱转筒相配的其中一面为柱面的四棱柱。
7.根据权利要求1所述的利用霍尔巴克磁阵列的永磁发电机内转子，其特征是：所述之霍尔巴克磁阵列的切向充磁的磁体的形状为梯形截面四棱柱。
8.根据权利要求1所述的利用霍尔巴克磁阵列的永磁发电机内转子，其特征是：所述之霍尔巴克磁阵列的切向充磁的磁体的辐向厚度与辐向充磁的磁体的辐向厚度之比的范围为0.1至1.0。
9.根据权利要求1所述的利用霍尔巴克磁阵列的永磁发电机内转子，其特征是：所述之霍尔巴克磁阵列的切向充磁的磁体的辐向厚度与辐向充磁的磁体的辐向厚度之比的范围为0.3至1.0。
10.根据权利要求1所述的利用霍尔巴克磁阵列的永磁发电机内转子，其特征是：所述之霍尔巴克磁阵列的切向充磁的磁体的弧向宽度与辐向充磁的磁体的弧向宽度之比的范围为0.1至10.0。
11.根据权利要求1所述的利用霍尔巴克磁阵列的永磁发电机内转子之切向充磁的磁体的弧向宽度与辐向充磁的磁体的弧向宽度之比的范围为0.3至3.0。
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