CN102064658A - 一种高正弦气隙磁密的低功耗无刷直流电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种高正弦气隙磁密的低功耗无刷直流电机，包括Halbach磁体、转子铁心、转子轴以及由绕组和骨架构成的空心杯定子。转子铁心通过套筒连接到转子轴上，使转子铁心同转子轴一同旋转，Halbach磁体通过隔磁材料安装在套筒上，空心杯定子安装在机壳上。永磁体产生的磁通经过Halbach磁体、空心杯定子、转子铁心以及它们之间的气隙构成闭合的磁路。本发明通过预磁化的各向异性磁块制成磁环，每个磁块具有Halbach场分布的磁化方向，得到高正弦化的磁密分布，同时由于切向磁场和径向磁场的相互叠加和抵消使永磁体一侧的磁感应强度增加，而另一侧的磁感应强度减小，因此减小了体积和重量，降低了电机的损耗。

Description

一种高正弦气隙磁密的低功耗无刷直流电机

技术领域

本发明涉及一种永磁无刷直流电机，特别是涉及一种基于Halbach磁体结构的高正弦气隙磁密的低功耗无刷直流电机，可应用于高速、低功耗等场合。

背景技术

无齿槽电机由于没有齿部铁耗、齿槽转矩及齿谐波而为高速永磁无刷直流电机所广泛采用，但电机无齿槽，加大了电机的有效气隙，降低了电机的气隙磁密，因而降低了电机的功率密度和转矩密度；同时，作为正弦波驱动的永磁无刷直流电机，在采用常规磁体结构时不能得到理想的正弦波气隙磁密分布，只有通过电机绕组的短距和分布来获得需要的正弦波分布的电势，这无疑又降低了电机的功率密度和转矩密度。所以，如何在转子高速旋转时获得接近正弦的气隙磁密分布，降低在定子铁心上产生的巨大损耗是扩展无刷直流电机应用场合的关键问题。

发明目的：

本发明的目的是提供一种高正弦气隙磁密的低功耗无刷直流电机，与现有技术相比，有着重量轻、气隙磁密大且功耗低等优点。

发明内容：

本发明为实现上述发明目的，采用如下技术方案：

本发明提供的一种基于Halbach磁体的高正弦气隙磁密的低功耗无刷直流电机，其中Halbach磁体产生正弦磁场的原理为：采用如图4所示的充磁方式，径向磁场分量为

为正弦磁场分布。

本发明提供的一种基于Halbach磁体的高正弦气隙磁密的低功耗无刷直流电机，包括转子铁心、转子轴、Halbach磁体以及由绕组和骨架构成的空心杯定子。转子铁心通过套筒连接到转子轴上，Halbach磁体通过隔磁材料安装在套筒的内表面，使得转子铁心和Halbach磁体同转子轴旋转，永磁磁路经过Halbach磁体、转子铁心以及它们之间的气隙构成闭合回路，空心杯定子安装固定在机壳上。

本发明提供的一种高正弦气隙磁密的低功耗无刷直流电机，转子铁心固定在转子轴上，Halbach磁体固定在套筒上，转子铁心和Halbach磁体与转轴一起旋转，因为永磁体相对于转子铁心没有相对运动，从而不会在转子铁心中产生损耗。空心杯定子绕组中的霍尔元件检测永磁体磁极的位置，根据霍尔元件的输出信号，在相应的绕组中通入电流，这样绕组中就会产生磁场，该磁场与永磁体产生的磁场相互作用，产生磁场力，使得内转子铁心随转子轴一同旋转。空心杯定子没有铁心，因此无论转子以多大速度旋转都不会在定子中产生铁心损耗，故本发明提供的一种基于Halbach磁体的高正弦气隙磁密的低功耗无刷直流电机，可以极大降低功耗。

有益效果：

与现有技术相比的优点在于：本发明采用了新型的Halbach磁体和转子铁心结构，使得无刷直流电机的损耗大大减小，这是因为：(1)与传统无刷直流电机相比，没有齿槽，因此可以消除传统无刷直流电机的齿槽效应，使得转子转矩平稳，同时有利于散热，由于该种结构无刷直流电机的电枢反应弱，有利于无传感器等各种控制方法的实现。(2)与无齿槽无刷直流电机相比，本发明提供的高正弦气隙磁密的无刷直流电机取消了定子铁心，使得空心杯绕组独立于电机铁心，从而使得不管转子以多大的转速旋转都不会在定子上产生铁心损耗，从根本上解决了定子铁心损耗问题；(3)由于Halbach磁体本身的充磁特点，会使得气隙磁密大大提高，每极Halbach磁体的数量越多气隙磁密的正弦度越高；(4)同时由于转子铁心和Halbach磁体无相对运动，所以消除了转子铁心和转子轴中的涡流损耗；(5)绕组采用整距，绕组线选用利兹线，减小由于集肤效应引起的损耗。

附图说明：

图1一种高正弦气隙磁密的的低功耗无刷直流电机结构示意图；

图2一种高正弦气隙磁密的低功耗无刷直流电机的空心杯定子结构示意图；

图3本发明电机中Halbach磁体所采用的充磁方式；

图4Halbach磁体的展开图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

本发明提供的一种基于Halbach磁体的高正弦气隙磁密的低功耗无刷直流电机，其中Halbach磁体产生正弦磁场的原理为：采用如图4所示的充磁方式，径向磁场分量为

为正弦磁场分布。

本发明提供的一种高正弦气隙磁密的低功耗无刷直流电机(如图1所示)，包括转子轴(101)、机壳(102)、套筒(103)、隔磁材料(104)、Halbach磁体(105)、空心杯定子(106)、转子铁心(107)以及轴承(108)。转子铁心(107)连接到转子轴(101)上，使得转子铁心(107)同转子轴(101)一同旋转，考虑到转子在高速旋转时会产生巨大的离心力，Halbach磁体(105)安装在套筒上，空心杯(106)定子安装固定在机壳(102)上。永磁体磁路经过Halbach磁体(105)、空心杯(106)定子、转子铁心(107)以及它们之间的气隙构成闭合的磁路。

在转子铁心(107)需要通过隔磁材料(如铜、铝、钛合金等)连接到套筒(103)和转子轴(101)上，以减小漏磁。

本发明提供的一种高正弦气隙磁密的低功耗无刷直流电机，其空心杯(106)的结构示意如图2所示。所述空心杯定子由绕组(201)和骨架(202)组成，骨架(202)上开有槽，放置霍尔传感器(204)之用。共需要三个霍尔元件(204)，分别放置在电角度为120°的槽内，用于检测转子位置。绕组(201)绕为链式缠绕在骨架(202)上，并用环氧树脂(203)灌封。

图3所示的是4极电机，每个磁极分为3块Halbach磁体时的情况。Halbach磁体(105)结构置于外转子，如果电机的极对数为p，则极坐标下磁场的分布可以表示为：

$\stackrel{\→}{M}=M\cos \left(\mathrm{p\θ}\right){\stackrel{\→}{e}}_r+M\sin \left(\mathrm{p\θ}\right){\stackrel{\→}{e}}_{\mathrm{\θ}}.$

本发明提供的一种高正弦气隙磁密的低功耗无刷直流电机，所用的内转子铁心(107)采用导磁性能良好的电工薄片钢板，如电工纯铁、电工硅钢板或硅钢薄带等磁性材料冲压叠制而成，转子轴(101)采用非导磁材料的铝、钛合金等制成。空心杯上的绕组(201)用导电良好的利兹线绕制后浸漆烘干而成。

Claims (6)

1.一种高正弦气隙磁密的低损耗无刷直流电机，其特征在于包括转子轴(101)、Halbach磁体(105)、转子铁心(107)以及由绕组和骨架构成的空心杯定子(106)，为防止磁通从套筒流过，在转子轴(101)和套筒(103)之间加隔磁材料(104)，以减小漏磁。

2.根据权利要求1所述的转子铁心(107)连接到转子轴(101)上，使得转子铁心(107)同转子轴(101)一起旋转，Halbach磁体(105)安装在套筒的内表面，空心杯(106)定子安装固定在机壳(102)上。

3.根据权利要求1所述的Halbach磁体(105)置于套筒的内壁，磁通经过Halbach磁体(105)、转子铁心(107)以及它们之间的气隙构成闭合的磁路。

4.根据权利1所述高正弦气隙磁密的低功耗无刷直流电机，其特征在于所述的Halbach磁体(105)结构通过隔磁材料置于套筒上，如果电机的极对数为p，则极坐标下Halbach磁体的磁化强度为：

5.根据权利要求1所述的高正弦气隙磁密的低功耗无刷直流电机其特征在于：定子无铁心，转子铁心(107)和Halbach磁体(105)与转子轴(101)一同旋转。

6.根据权利要求1所述的高正弦气隙磁密的低功耗无刷直流电机其特征在于：绕组线圈选用利兹线。

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