CN102315707A - 一种基于Halbach阵列的混合励磁高效电动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于Halbach阵列的混合励磁高效电动机，主要由Halbach阵列磁环，铁芯、绕组、转子轭、定子架、转轴、机壳、前端盖、后端盖、换向器和电刷组成。两个S极与N极相间排列的Halbach阵列永磁体磁环固定在转子轭上；4个或4个以上的铁芯绕组，设在两个磁环之间，固定在定子架或机壳上；或者，两个磁环固定在定子架或机壳上，设在两个磁环之间的铁芯绕组固定在转子轭上；磁环的磁极数量是铁芯绕组的磁极数量的1.5倍；转子每旋转一定的角度，铁芯绕组相邻的磁极就交替变换S极和N极的方向一次，铁芯绕组的S极和N极都分别与两个磁环产生吸力和斥力，实现将电磁能转换成机械能。

Description

一种基于Halbach阵列的混合励磁高效电动机

技术领域

本发明涉及一种动力系统，特别是一种基于Halbach阵列的混合励磁高效电动机。

技术背景

目前，现代永磁电机正向着高速、高效、高功率密度方向发展。但是当常规永磁电机处于高速或超高速运转时，铁芯损耗非常大，这就导致了电机的效率大大降低；另外常规永磁电机的脉动转矩也相对较大；同时受气隙磁场的影响，功率密度小，使得其在大功率密度的微型电机中的应用受到了限制。鉴于常规永磁电机的这些缺点，早在1979年，美国伯克利实验室的物理学家K.Halbach针对永磁体的构造，他提出了一种新奇的设计方法，即利用永久磁铁的分布来形成正弦磁场，以后他又不断的完善这一理论，从而形成了一种高效的永磁电机-Halbach电机。

磁铁都有两个磁极，电机的基本原理都是通过交变电磁铁的磁场，利用磁铁与磁铁之间相吸或相斥的力，将电能转换成机械能的。研究表明，多数常规电机只是利用一个电磁铁中的一个磁极与另一个电磁铁或永磁铁中的一个磁极相吸或相斥的力将电能转换成机械能的。

本发明利用了一个电磁铁中的两个磁极与两个永磁铁的磁极相吸或相斥的力将电能转换成机械能，同时采用Halbach阵列的永磁体，将可以大大提高电机的工作效率。

发明内容

本发明是这样实现的：一种基于Halbach阵列的混合励磁高效电动机，主要由Halbach阵列磁环(1)，铁芯(2)、绕组(3)、转子轭(4)、定子架(5)、转轴(6)、机壳(7)、前端盖(8)、后端盖(9)、换向器(10)和电刷(11)组成，其特征是：两个由径向永磁体与切向和/或斜向永磁体组成的S极与N极相间排列的Halbach阵列磁环固定在转子轭上，两个磁环的磁极排列方向相同，磁极的方向为径向或轴向；4个或4个以上平均分布成环状的磁极方向为径向或轴向的铁芯绕组，设在两个磁环之间，固定在定子架或机壳上；或者，两个磁环固定在定子架或机壳上，设在两个磁环之间的铁芯绕组固定在转子轭上；一个磁环的磁极数量为3对或3对以上，铁芯绕组的磁极数量为2对或2对以上，而且磁环的磁极数量是铁芯绕组的磁极数量的1.5倍；转轴上设有换向器和电刷，转子每旋转一定的角度，铁芯绕组相邻的磁极就交替变换S极和N极的方向一次，或者，转子每旋转一定的角度，铁芯绕组相邻的磁极就交替产生磁力及交替变换S极和N极一次，铁芯绕组的S极和N极都分别与两个磁环产生吸力和斥力，实现将电磁能转换成机械能。

由于铁芯绕组通电产生电磁场时，铁芯绕组的S极和N极分别对着一个磁环，两个磁环同时对铁芯绕组产生相吸和相斥的力，而且相吸、相斥的力都被转化成电动机旋转的动力，效率非常高。

转子、定子和机壳用铁磁性材料或部份用铁磁性材料制成。由于Halbach阵列磁环的磁路从磁环内部通过，具有单极子的趋向，因此用于固定磁环的材料也可以采用非铁磁性材料制成，如铝合金等。

铁芯绕组和磁环的磁极径向排列，或者，铁芯绕组和磁环的磁极轴向排列。

铁芯绕组为茏型铁芯绕组或绕线型铁芯绕组。茏型铁芯绕组是由嵌在铁芯槽内的铜条或铝条以及与其两端短接的端环组成。绕线型铁芯绕组采用聚酯漆包线绕制而成。当铁芯绕组的磁极径向排列时，铁芯绕组一般不做成茏型。铁芯用硅钢片叠制而成。

当磁环的磁极径向排列时，两个磁环做成一大一小的外磁环和内磁环，磁极也是径向排列的铁芯绕组环设在内磁环和外磁环之间。当磁环的磁极轴向排列时，两个磁环的大小相同，磁极也是轴向排列的铁芯绕组环设在两个磁环之间，按磁环-铁芯绕组环-磁环的次序轴向排列。

有三对径向磁极的磁环相当于磁环有3个S极向外、3个N极向外和3个S极向内、3个N极向内。有两对径向磁极的铁芯绕组环相当于有2个S极向外、2个N极向外和2个S极向内、2个N极向内。

一个磁环的磁极的数量是铁芯绕组磁极数量的1.5倍。若铁芯绕组环有2对磁极，即有4个S极和4个N极，按照1.5倍的比例，那么磁环就是一个有6个S极和6个N极的三对极磁环。磁环的磁极的数量与铁芯绕组的磁极数量的比为6∶4，12∶8，18∶12等。这个比例很重要，由于磁环的S极和N极相间排列，磁环的磁极数为偶数，无论转子旋转了多少度，都可以保证至少有一半的铁芯绕组的磁极不是正对着磁环的磁极的。当铁芯绕组的一个磁极在磁环的两个相反的磁极之间的中间位置时，同时受到吸力和斥力的作用，可以实现功效的最大化。

铁芯绕组环内的磁极是平均分布的，当一个铁芯绕组环内有4相时，它们在相位上相差90度角，有6相时，它们在相位上相差60度角。

机器运转时，利用换向器使铁心绕组相邻的磁极交替变换磁极的方向。以磁环为三对极磁环、铁芯绕组有2对磁极为例，铁芯绕组相邻的磁极方向相反，一个磁极的S极对着轴心则其相邻的磁极的N极对着轴心，转子每旋转30度，则铁芯绕组的S极和N极方向变换一次。或者，利用换向器使铁芯绕组相邻的磁极交替产生磁力及交替变换S极和N极一次，一个磁极绕组通电，则相邻的磁极绕组断电，转子每旋转30度，则原通电的磁极绕组断电，原没有通电的磁极绕组通电，如此循环往复。

电动机可以采用单相交流电或单相直流电或三相交流电作为电源，当绕组相数较少或绕组相数是2的倍数时，宜采用单相电流，当绕组相数是3的倍数时，可以采用单相电源，也可以采用三相电源。根据电源的接线或通电方式的不同，又可分为串励式、并励式、复励式和它励式。多个铁芯绕组磁极用串联的方法通电为串励式，多个铁芯绕组磁极用并联的方法通电为并励式，既有串联又有并联为复励式。

电动机既可以是有刷的，也可以做成无刷的。无刷电机由电动机本体、转子位置传感器和电子换向控制电路三部份组成。转子位置传感器包括电磁式、光电式、磁敏式等。电子换向电路由位置信号处理单元和功率逻辑开关单元组成。

电动机可以是单段式的，也可以做成多段式的。单段式的电动机的磁环为两个、环状铁芯绕组有一个，多段式电动机的磁环有4个或4个以上、环状铁芯绕组有2个或两个以上。多段式电动机的磁环和铁芯绕组的磁极方向一般为径向排列。

电动机按保护形式分为开启式、防护式、封闭式及特殊保护式等。开启式电动机的转动部分及绕组没有专门的防护而与外界空气直接接触，散热性能好、结构简单，适用于干燥无尘无污染的场合。防护式电动机设有通风罩，可以防水滴、尘土等。封闭式电动机的外壳完全封闭，依靠风扇或液体散热器降温，适用于有灰尘、水滴的场合。

电动机的启动方式分为全压启动、变阻器启动、降压启动三种。全压启动不需要其它设备，操作简单，但启动的电流大、转矩大，工作机械冲击较大，适用于小型电动机。变阻启动需要一个变阻器，以限制启动电流。降压启动就是启动时通过暂时降低供电电压的方法，以限制启动电流，需要有一套可变电压的电源，可采用晶闸管电路作为可调电源。

在某些场合要求电动机既能正转，又能反转，可以通过使绕组的导线反接、电流反向的方法实现电动机的反转。

电动机的调速方法有电阻调速、电压调速、变极调速、变频调速等。在铁芯绕组的回路中串联一个可变电阻即可实现调速，如果采用滑动变阻器，还可以实现无级调速。通过提高或降低铁芯绕组的电压也可以相应地提高或降低电动机的转速。

根据Halbach阵列，3对极的磁环至少由12块磁钢组成，通常3对极的磁环由12块、18块、24块、30块或36块磁钢组成，都是6的倍数。这种Halbach阵列磁环，磁场增强的一边对着气隙，磁场减弱的一边对着转子轭或定子架，这样气隙磁通得到增加，转子轭或机架中的磁通减少，使磁环的功率密度相对得到了提高。正是由于Halbach阵列磁环存在以上优点，使转子轭或定子架采用铁磁性以外的材料制造成为可能。

所述径向永磁体、切向永磁体和斜向永磁体指的是磁力线方向在圆环中为径向或切向或倾斜一定角度排列的永磁体。需要注意的是，磁环在电动机中的磁极排列方向分为径向和轴向两种，组成两种磁环的永磁体在磁环中的排列方向是交错90度的。

根据相关Halbach阵列的资料显示，Halbach阵列磁环是一个圆形的环。除了采用Halbach阵列的圆形磁环外，还可以采用直线形径向永磁体与切向和/或斜向永磁体组成的三对极或三对极以上的永磁体分布形式的多边形阵列磁环。多边形磁环以正多边形为基础，充许在磁极对称或平均分布于磁环的前提下，做成非正多边形，即组成磁环的部份磁铁做大一点，部份磁铁做小一点。

由于高性能磁铁，如汝铁硼等永磁体材料的尺寸较小(受充磁机械及技术的限制，目前希土磁性材料厂家普遍不能生产尺寸过大的希土高性能磁性材料)，如果要做功能强大的电动机，往往需要把磁环做成多段再接合起来。多段磁环可采用同极对接或异极对接的方式接合起来，或相邻段磁环之间有一定的间隔，两段之间的相对位置可以错开一定的角度。由于同极对接的斥力较大，需要专门的夹具才能对接，也可以通过加大两段磁铁或磁环之间的距离的方式安装，使安装不受斥力的影响，但会使机器的尺寸加大。铁芯绕组也可以因应多段磁环做成多段环状铁芯绕组。相邻段定子、转子之间的相对位置可以错开一定的角度。

Halllach阵列磁环的制造方法：(1)、根据阵列的拓扑结构，使用磁体胶将预先已充磁的磁体段粘连在一起。因各磁体段之间的互斥力很强，所以在粘连的时候要使用模具进行夹紧。该方法制造效率较低，但较容易实现，比较适合实验室研究阶段使用。(2)、首先利用充模或压模的方法制造一个完整的磁环，然后在一个特制的夹具中进行充磁，采用该方法加工出的阵列结构。这种方法加工效率高，比较容易实现批量化生产，但需要专门设计充磁夹具和制定充磁工艺。(3)、根据阵列的拓扑结构，利用预制的定位卡环将预先已充磁的磁体段连接起来，磁体和卡环作为一个整体一起装进电动机中。卡环按磁环的尺寸制造，将整个磁环镶嵌进去，镶嵌的办法有包边镶嵌、凹凸镶嵌、螺丝固定等。

附图说明

图1为本发明第一实施例结构示意图。

图2为本发明第二实施例结构示意图。

图3为本发明第三实施例结构示意图。

图4和图5为本发明第四实施例结构示意图。

图6和图7为本发明第五实施例结构示意图。

图8为本发明第六实施例结构示意图。

图9为本发明第七实施例结构示意图。

图10为本发明第八实施例结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。

第一实施例

参见图1，一种基于Halbach阵列的径向混合励磁高效电动机，主要由Halbach阵列外磁环(1)、Halbach阵列内磁环(1.1)、铁芯(2)、绕组(3)、转子轭(4)、定子架(5)、转轴(6)、机壳(7)、前端盖(8)、后端盖(9)、换向器(10)、电刷(11)、轴承(12)、接线盒(13)、风扇(14)组成，其特征是：Halbach阵列磁环由径向永磁体与切向和/或斜向永磁体组成，磁环的S极与N极相间排列，磁极方向为径向的外磁环和内磁环的磁极排列方向相同，磁环固定在转子轭上；4个或4个以上平均分布成环状的磁极方向为径向的铁芯绕组，设在外磁环和内磁环之间，固定在定子架上，定子架固定在后端盖上；一个磁环的磁极数量为3对或3对以上，铁芯绕组的磁极数量为2对或2对以上，而且磁环的磁极数量是铁芯绕组的磁极数量的1.5倍；转子轭固定在转轴上，转轴通过轴承定位于前端盖。电刷设在换向器上，换向器设在转轴上。接线盒设在机壳上。转子轭的周边设有若干风扇叶片。电机运转时，转子每旋转一定的角度，铁芯绕组相邻的磁极就交替变换S极和N极的方向一次，或者，转子每旋转一定的角度，铁芯绕组相邻的磁极就交替产生磁力及变换S极和N极一次，铁芯绕组的S极和N极都分别与两个磁环产生吸力和斥力，实现将电磁能转换成机械能。

第二实施例

参见图2，一种基于Halbach阵列的多段式径向混合励磁高效电动机，主要由Halbach阵列外磁环(1)、Halbach阵列内磁环(1.1)、铁芯(2)、绕组(3)、转子轭(4)、定子架(5)、转轴(6)、机壳(7)、前端盖(8)、后端盖(9)、换向器(10)、电刷(11)轴承(12)、接线盒(13)、风扇(14)组成。磁极方向为径向的外磁环有两段(个)，磁极方向为径向的内磁环有两段(个)，平均分布成环状的磁极方向为径向的铁芯绕组有两段。外磁环固定在机壳上，内磁环固定在定子架上，定子架固定在后端盖上。设在外磁环和内磁环之间的铁芯绕组固定在转子轭上，转轴通过轴承定位于前端盖。电刷设在换向器上，换向器设在转轴上。接线盒设在机壳上。转子轭的周边设有若干风扇叶片。其余未述部分同第一实施例，不再重复。

第三实施例

参见图3，一种基于Halbach阵列的轴向混合励磁高效电动机，主要由Halbach阵列右磁环(1.2)、Halbach阵列左磁环(1.3)、铁芯(2)、绕组(3)、转子轭(4)、定子架(5)、转轴(6)、机壳(7)、前端盖(8)、后端盖(9)、换向器(10)、电刷(11)、轴承(12)、接线盒(13)、风扇(14)组成。Halbach阵列磁环由径向永磁体与切向和/或斜向永磁体组成，磁环的S极与N极相间排列，磁极方向为轴向的左磁环和右磁环的磁极排列方向相同，磁环固定在定子架上，定子架固定在机壳上；4个或4个平均分布成环状的磁极方向为轴向的铁芯绕组，设在左磁环和右磁环之间，固定在转子轭上；一个磁环的磁极数量为3对或3对以上，铁芯绕组的磁极数量为2对或2对以上，而且磁环的磁极数量。是铁芯绕组的磁极数量的1.5倍；转子轭固定在转轴上，转轴通过轴承定位于前端盖。电刷设在换向器上，换向器设在转轴上。接线盒设在机壳上。风扇设在后端盖上。电机运转时，转子每旋转一定的角度，铁芯绕组相邻的磁极就交替变换S极和N极的方向一次，或者，转子每旋转一定的角度，铁芯绕组相邻的磁极就交替产生磁力及变换S极和N极一次，铁芯绕组的S极和N极都分别与两个磁环产生吸力和斥力，实现将电磁能转换成机械能。

第四实施例

参见图4和图5，一种基于Halbach阵列的径向混合励磁高效电动机。其Halbach阵列磁环有两个，磁环的磁极按S极和N极相间的方式径向排列，一个磁环由6块径向永磁体和12块斜向永磁体组成，一个磁环有3个S极向内、3个N极向内和3个S极向外、3个N极向外，是一种三对极磁环。两个磁环一大一小，大的为外磁环(1)，小的为内磁环(1.1)，两个磁环都设在转子轭(4)上。4组径向磁极的铁芯绕组(2、3)平均分布和固定在定子架(5)的凸环上，位于外磁环和内磁环之间，4组径向磁极的铁芯绕组是2对极铁芯绕组，有4个S极和4个N极。图4表示组成Halbach阵列磁环的各块永磁体的磁力线方向。其余未述部分同第一实施例，不再重复。

第五实施例

参见图6和图7，一种基于Halbach阵列的径向混合励磁高效电动机，其Halbach阵列磁环有两个，一个磁环由6块径向永磁体、6块切向永磁体和24块斜向永磁体组成。图7表示组成Halbach阵列磁环的各块永磁体的磁力线方向。其余未述部分同第四实施例，不再重复。

第六实施例

参见图8，一种基于Halbach阵列的径向混合励磁高效电动机的原理示意图。电动机利用换向器使相邻的铁芯绕组交替变换磁极的方向。在左上图中，上面的铁芯绕组的S极对着外磁环的S极、N极对着内磁环的N极，下面的铁芯绕组的N极对着外磁环的N极、S极对着内磁环的S极，左边的铁芯绕组的N极在外磁环的S极和N极之间、S极在内磁环的N极和S极之间，左边的铁芯绕组的S极在外磁环的N极和S极之间、S极在内磁环的S极和N极之间，转子顺时针旋转。在右上图中，转子已经顺时针旋转了30度角，此时左边的铁芯绕组和右边的铁芯绕组正对着外面环和内磁环的磁极，左边的铁芯绕组变换磁极为S极对着外磁环的S极、N极对着内磁环的N极，右边的铁芯绕组的变换磁极为N极对着外磁环的N极、S极对着内磁环的S极，上面的铁芯绕组和下面的铁心绕组的磁极不变，此时上面的铁芯绕组和下面的铁心绕组的磁极都在磁环的两个磁极之间，转子继续顺时针旋转。左下图和右下图同理。其余未述部分同第四实施例，不再重复。

第七实施例

参见图9，一种基于Halbach阵列的径向混合励磁高效电动机的原理示意图。转子每旋转一定的角度，利用换向器使铁芯绕组相邻的磁极就交替产生磁力及变换S极和N极一次。在左上图中，上面和下面的绕组铁芯不通电，左边和右边的绕组铁芯通电，左边的绕组铁芯的N极对着外磁环的S极和N极的中间、S极对着内磁环的N极和S极的中间，转子顺时针旋转30度角后，上面和下面的绕组铁芯通电，左边和右边的绕组铁芯断电，转子继续顺时针旋转。其余未述部分同第四实施例，不再重复。

第八实施例

参见图10，一种磁极方向为轴向的Halbach阵列磁环。磁环由6块径向永磁体和12块斜向永磁体组成，磁环的正面有3个S极和3个N极，磁环的背面有3个S极和3个N极，是一种三对极磁环。

Claims (10)

1.一种基于Halbach阵列的混合励磁高效电动机，主要由Halbach阵列磁环(1)，铁芯(2)、绕组(3)、转子轭(4)、定子架(5)、转轴(6)、机壳(7)、前端盖(8)、后端盖(9)、换向器(10)和电刷(11)组成，其特征是：两个由径向永磁体与切向和/或斜向永磁体组成的S极与N极相间排列的Halbach阵列磁环固定在转子轭上，两个磁环的磁极排列方向相同，磁极的方向为径向或轴向；4个或4个以上平均分布成环状的磁极方向为径向或轴向的铁芯绕组，设在两个磁环之间，固定在定子架或机壳上；或者，两个磁环固定在定子架或机壳上，设在两个磁环之间的铁芯绕组固定在转子轭上；一个磁环的磁极数量为3对或3对以上，铁芯绕组的磁极数量为2对或2对以上，而且磁环的磁极数量是铁芯绕组的磁极数量的1.5倍；转轴上设有换向器和电刷，转子每旋转一定的角度，铁芯绕组相邻的磁极就交替变换S极和N极的方向一次，或者，转子每旋转一定的角度，铁芯绕组相邻的磁极就交替产生磁力及交替变换S极和N极一次，铁芯绕组的S极和N极都分别与两个磁环产生吸力和斥力，实现将电磁能转换成机械能。

2.根据权利要求1所述一种基于Halbach阵列的混合励磁高效电动机，其特征是所述铁芯绕组是磁极方向为轴向的茏型铁芯绕组，或者，铁芯绕组是磁极方向为轴向或径向的绕线型铁芯绕组。

3.根据权利要求1所述一种基于Halbach阵列的混合励磁高效电动机，其特征是Halbach阵列磁环是磁极方向为径向或轴向的圆形磁环，或者，Halbach阵列磁环是磁极方向为径向或轴向的多边形磁环。

4.根据权利要求1所述一种基于Halbach阵列的混合励磁高效电动机，其特征是电动机按保护形式分为开启式、防护式、封闭式及特殊保护式。

5.根据权利要求1所述一种基于Halbach阵列的混合励磁高效电动机，其特征是电动机的启动方式为全压启动式或变阻器启动式或降压启动式。

6.根据权利要求1所述一种基于Halbach阵列的混合励磁高效电动机，其特征是通过使绕组的导线反接、电流反向的方法实现电动机的反转。

7.根据权利要求1所述一种基于Halbach阵列的混合励磁高效电动机，其特征是电动机采用电阻调速或电压调速或变极调速或变频调速的方法调速。

8.根据权利要求1所述一种基于Halbach阵列的混合励磁高效电动机，其特征是电动机是采用单相交流电或单相直流电或三相交流电作为电源的串励式或并励式或复励式或它励式电动机。

9.根据权利要求1所述一种基于Halbach阵列的混合励磁高效电动机，其特征是电动机的磁环有一段或一段以上，铁芯绕组有一段或一段以上。

10.根据权利要求1至9任一要求所述一种基于Halbach阵列的混合励磁高效电动机，其特征是电动机为有刷电动机或无刷电动机。

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