CN105119454A - Halbach阵列式永磁直流无刷电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Halbach阵列式永磁直流无刷电机，包括壳体、定子、转子以及换向电路,转子包括转盘体和呈Halbach环形阵列的4n个永磁块，定子包括用于构建Halbach阵列的磁轭和4n组线圈；换向电路与线圈连接，径向充磁的永磁块与正对其的线圈磁向同向时，线圈的电流方向换向；该电机的转子永磁块和定子线圈均采用Halbach阵列，线圈在做功极面产生的电磁场大于传统结构线圈，磁能利用率显著提高，永磁环和感应磁环之间的磁场强度大幅度提升，相比现有电机，相同体积下具有更大扭矩和功率密度，相同输出功率下具有更小体积和重量；且其还具有结构简单、高效节能、散热性好、故障率低的优点，属于新型的无刷电机。
Description
技术领域
本发明属于电机技术领域，尤其涉及一种Halbach阵列式永磁直流无刷电机。
背景技术
随着永磁电机向着高效、高速、高功率密度、微型化方向发展，传统的永磁电机表现出一定的局限性，转子永磁块和定子绕组的磁能利用率低，由于每个永磁块和通电线圈之间只能有一个极面和线圈极靴相对应，线圈的另一端和永磁块另一端的磁场不参与工作，通电时线圈始终处于单极电磁场做功的状态，另一端电磁场无法被利用，导致磁能利用率低；
目前，Halbach列永磁体的合成磁场以其优异的特点广泛应用于电机中，Halbach列此题具有以下几个优点：①Halbach列自屏蔽效应可产生单边磁场分布，不仅减小永磁体与线圈相背离的一侧的磁场强度，减少磁能损耗，且磁轭不需采用磁性材料为磁场提供通路，降低了转动惯量，提高了快速响应性能；②Halbach列分解后切向磁场与径向磁场的相互重叠，使得气隙一侧的磁场强度大幅度提高，有效地减小了电机的体积重量，提高了电机的功率密度；
但是，现有的Halbach列电机虽然永磁体采用Halbach列结构，但定子绕组磁能利用率仍旧较低，因其圆形定子绕组由于设计上的固有缺陷，每个线圈只能有一个极靴，线圈的另一端必然与转子相背，通电时线圈始终处于单极电磁场做功的工作状态，另一磁极的电磁场无法被利用，这直接导致了定子线圈的磁能利用率低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术中存在的不足，提供一种磁能利用率高、电机输出转矩和功率密度大、成本低、散热性能好、可靠性高的新型的Halbach阵列式永磁直流无刷电机。
本发明的一种Halbach阵列式永磁直流无刷电机，包括壳体、固定于壳体内的定子、与壳体轴承连接的转子以及换向电路；
其中，转子包括圆环状的转盘体和4n个沿圆周方向紧密排列并镶嵌于转盘体上的瓦片形永磁块，n为整数，并大于等于1，永磁块包括径向充磁永磁块和切向充磁永磁块，径向充磁的永磁块和切向充磁的永磁块依次交替设置并呈Halbach阵列；
其中，定子包括用于构建Halbach阵列的环形的磁轭和缠绕于磁轭上的4n组线圈，磁轭上环向阵列有2n个第一线圈安装区和2n个第二线圈安装区，第一线圈安装区和第一线圈安装区依次交替设置，第一线圈安装区沿径向方向设置有第一铁芯，第二线圈安装区沿切向方向设置有第二铁芯，线圈缠绕于所述第一铁芯和第二铁芯上，通电状态下，所述4n组线圈在环形的磁轭上呈Halbach列分布；
换向电路与所述4n组线圈分别电性连接，任意径向充磁的永磁块和与其正对的通电状态的线圈的充磁方向的磁向均为同向，换向电路输入线圈的电流方向发生换向。
进一步地，定子位于转子的外部，所述永磁块为外磁场形式的Halbach阵列式，所述线圈为内磁场形式的Halbach阵列式，所述转盘体上穿设有输出轴，输出轴与所述壳体轴承连接。
进一步地，定子位于转子内部，所述永磁块为内磁场形式的Halbach阵列式，所述线圈为外磁场形式的Halbach阵列式，所述转子通过与转子连接盘输出动力，转子连接盘与壳体轴承连接。
进一步地，磁轭为数个环形硅钢片叠加固定组成，环形硅钢片上冲压成型形成沿环形硅钢片环形阵列的2n个“W”形结构和2n个“H”形结构。
进一步地，转子上环形阵列有2n个定位孔，换向电路包括电性连接的转子位置检测装置和电流换向器，当任意径向充磁的永磁块和与其正对的通电状态的线圈的充磁方向的磁向均为同向时，固定于定子上的转子位置传感器正对于定位孔，并发送换向信号使电流换向器改变线圈的电流方向。
本发明的一种Halbach阵列式永磁直流无刷电机的有益效果如下：
1.永磁块和线圈均采用Halbach阵列，永磁块形成的永磁环和线圈形成的感应磁环之间相互作用的磁场强度大幅度提升，永磁块的磁能得到充分利用，与现有电机相比，相同体积下拥有更大的扭矩和功率密度，相同的输出功率下拥有更小的体积和重量，即可有效减小电机的体积，提升电机的功率密度，降低电机成本和重量；
2.永磁环的外部和感应磁环的内部磁场几乎为零，电机可自我屏蔽，不需设置另外的屏蔽装置阻挡磁漏；
3.定子和转子组成的动力转化模块具有较小的厚度，可将多组此类动力转化模块进行串联叠加，可根据需要便捷的拓展电机的功率；
4.该电机还具有结构简单、运行可靠、高效节能、线圈散热性好、故障率低的优点，属于新一代永磁直流无刷电机。
附图说明
图1是本发明电机的实施例一的结构示意图；
图2是图1中磁轭的结构示意图；
图3是本图1中电机的纵截面结构示意图；
图4是本发明的电机的实施例二的结构示意图；
图5是图4中磁轭的结构示意图；
图6是图4中的电机的纵截面结构示意图。
图中：1.壳体，2.磁轭，21.第一线圈安装区，211.极靴，22.第二线圈安装区，3.切向充磁线圈，4.径向充磁线圈，5.永磁块，6.键，7.输出轴，8.转盘体，9.轴承，10.转子连接盘，11.轴承挡板，12.定子固定壳，13.堵头。
具体实施方式
为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和最佳实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1-7所示，本发明的Halbach阵列式永磁直流无刷电机，包括壳体1、固定于壳体内的定子、与壳体轴承连接的转子以及换向电路；
其中，转子包括圆环状的转盘体8和4n个沿圆周方向紧密排列并镶嵌于转盘体上的瓦片形永磁块5，n为整数，并大于等于1，永磁块包括径向充磁永磁块和切向充磁永磁块，径向充磁永磁块和切向充磁永磁块依次交替设置并呈Halbach阵列,如图1和图4所示，Halbach阵列的永磁块的磁向；
其中，定子包括用于构建Halbach阵列的环形的磁轭和缠绕于磁轭上的4n组线圈，磁轭优选为数个环形硅钢片叠加固定组成，环形硅钢片上冲压成型形成沿环形硅钢片环形阵列的2n个“W”形结构和2n个“H”形结构，数个硅钢片的“W”形结构相互叠加形成2n个第一线圈安装区21，数个硅钢片的“H”形结构的相互叠加形成2n个第二线圈安装区22，其中，“W”形结构的第一线圈安装区在靠近永磁块的一侧设置极靴211，如图2和5所示，极靴呈弧形；第一线圈安装区和第一线圈安装区依次交替设置，如图2和图5所示，第一线圈安装区沿径向方向形成一用于缠绕线圈的第一铁芯，第二线圈安装区沿切向方向形成一用于缠绕线圈的第二铁芯，线圈缠绕于第一铁芯和第二铁芯上，通电时，第一铁芯上的线圈的磁向沿磁轭的径向方向，第二铁芯上的线圈的磁向沿磁轭的切向方向，且4n组线圈绕组产生的磁场在环形的磁轭上呈Halbach列分布，如图1和4所示；
换向电路与4n组线圈分别电性连接，任意径向充磁的永磁块和与其正对的通电状态的线圈的充磁方向的磁向均为同向，换向电路输入线圈的电流方向发生换向；
作为换向电路优选的技术方案，其包括转子上环形阵列有2n个定位孔，换向电路包括电性连接的转子位置检测装置和电流换向器，当任意径向充磁的永磁块和与其正对的通电状态的线圈的充磁方向的磁向均为同向时，固定于定子上的转子位置传感器正对于定位孔，触发转子位置传感器发送换向信号，使电流换向器同时改变4n组线圈的电流方向；换向电路还可通过在永磁体上缠绕励磁线圈，通过检测励磁线圈的电压判定转子的位置，并触发电流换向器切换电流方向；当然，换向电路还可使用现有技术中其他位置检测装置并实现换向的技术。
以实施例一中的电机结构进行Halbach阵列式永磁直流无刷电机的工作原理阐述，参照图1-3，永磁块和线圈均四个为一组进行等间距环形阵列，为了减少永磁块之间的间隙磁漏，永磁块为两端相互紧密贴合环形分布，一组内的永磁块(线圈)的磁向均不同，其中两个永磁块(线圈)的的充磁方向为径向且朝向相反，另两个永磁块(线圈)的充磁方向为切向且朝向相反，并且，内磁场式的Halbach阵列式的环形分布永磁块形成内部为强磁侧、外部为消磁侧，同时，通电后的线圈也为Halbach阵列式，环形分布的线圈形成外部为强磁侧、内部为消磁侧，因此，永磁块形成的永磁环和线圈形成的感应磁环之间相互作用的磁场强度大幅度提升，因此，与现有技术的电机相比，同一额定功率的电机，本技术方案的电机所需的永磁块和线圈数量少，可有效地减小电机的体积，提升电机的功率密度；且由于永磁环的外部和感应磁环的内部磁场几乎为零，电机可产生自我屏蔽，不需设置另外的屏蔽装置阻挡磁漏；
工作时，如图1所示的永磁块和线圈的磁场方向和相对位置时，永磁块和线圈产生与转子转动方向一致的磁斥力，推动转子发生旋转，当转子转过π/2n角度时，Halbach阵列式永磁块与Halbach阵列式线圈产生的磁场平行且同向，此时，磁斥力最小，换向电路触发改变线圈内的电流方向，因此，换向电路触发电流换向的相位角为π/2n，换向后磁斥力增大，继续推动转子旋转，依次换向不断推动转子转动；当需要停机时，换向电路的当下的相位角变成π/n，即取消一次换向触发，使得停机当下的相位角增大一倍，永磁块与线圈之间产生与转子转动方向相反的磁力，迫停电机；实施例二中电机与实施例一相似，在此不进行赘述；
因此，本发明的Halbach阵列式永磁直流无刷电机的永磁块和线圈均采用Halbach阵列，定子线圈在做功极面产生大于传统线圈结构的电磁场，使得永磁块形成的永磁环和线圈形成的感应磁环之间相互作用的磁场强度大幅度提升，线圈与永磁块的磁能得到充分利用，与现有电机相比，相同体积下拥有更大的扭矩和功率密度，相同的输出功率下拥有更小的体积和重量，即可有效减小电机的体积，提升电机的功率密度，降低电机成本和重量；且由于永磁环的外部和感应磁环的内部磁场几乎为零，定子线圈在做功极面的磁场强度大幅增强，在未做功极面的磁场强度几乎为零，磁场利用率显著提高，且电机可产生自我屏蔽，不需设置另外的屏蔽装置阻挡磁漏；同时，定子和转子组成的动力转化模块具有较小的厚度，可将多组该动力转化模块进行串联叠加，可根据需要便捷的拓展电机的功率；此外，该电机还具有结构简单、高效节能、线圈散热性好、故障率低的优点，属于新型的永磁直流无刷电机。
本例中，定子位于转子的外部，永磁块为外磁场形式的Halbach阵列式，线圈为内磁场形式的Halbach阵列式，如图1和3所示，转盘体通过键6与输出轴7固定连接，输出轴与壳体通过轴承9连接；当然，定子也可设于转子内部，这样，永磁块为内磁场形式的Halbach阵列式，线圈为外磁场形式的Halbach阵列式，如图4和6所示，转子通过与转子连接盘10输出动力，定子套设于定子固定壳12的凸台上，为了增强转子连接盘的结构强度，其具有一伸出端，伸出端插入凸台中部的轴孔，并通过轴承与轴孔连接；该两种结构的电机可根据不同需要进行选择，相对而言，第一种可输出高速低扭矩动力，第二种可输出低速高扭矩动力，其中以第一种结构的电机散热性能最优，因线圈位于永磁铁外部，便于线圈进行散热。
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来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和优化，这些改进和优化也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种Halbach阵列式永磁直流无刷电机，其特征在于：包括壳体、固定于壳体内的定子、与壳体轴承连接的转子以及换向电路；
其中，转子包括圆环状的转盘体和4n个沿圆周方向紧密排列并镶嵌于转盘体上的瓦片形永磁块，n为整数，并大于等于1，永磁块包括径向充磁永磁块和切向充磁永磁块，径向充磁的永磁块和切向充磁的永磁块依次交替设置并呈Halbach阵列；
其中，定子包括用于构建Halbach阵列的环形的磁轭和缠绕于磁轭上的4n组线圈，磁轭上环向阵列有2n个第一线圈安装区和2n个第二线圈安装区，第一线圈安装区和第一线圈安装区依次交替设置，第一线圈安装区沿径向方向设置有第一铁芯，第二线圈安装区沿切向方向设置有第二铁芯，线圈缠绕于所述第一铁芯和第二铁芯上，通电状态下，所述4n组线圈在环形的磁轭上呈Halbach列分布；
换向电路与所述4n组线圈分别电性连接，任意径向充磁的永磁块和与其正对的通电状态的线圈的充磁方向的磁向均为同向时，换向电路输入线圈的电流方向发生换向。
2.根据权利要求1所述的一种Halbach阵列式永磁直流无刷电机，其特征在于：所述定子位于转子的外部，所述永磁块为外磁场形式的Halbach阵列式，所述线圈为内磁场形式的Halbach阵列式，所述转盘体上穿设有输出轴，输出轴与所述壳体轴承连接。
3.根据权利要求1所述的一种Halbach阵列式永磁直流无刷电机，其特征在于：所述定子位于转子内部，所述永磁块为内磁场形式的Halbach阵列式，所述线圈为外磁场形式的Halbach阵列式，所述转子通过与转子连接盘输出动力，转子连接盘与壳体轴承连接。
4.根据权利要求1所述的一种Halbach阵列式永磁直流无刷电机，其特征在于：所述磁轭为数个环形硅钢片叠加固定组成，环形硅钢片上冲压成型形成沿环形硅钢片环形阵列的2n个“W”形结构和2n个“H”形结构。
5.根据权利要求1所述的一种Halbach阵列式永磁直流无刷电机，其特征在于：所述转子上环形阵列有2n个定位孔，换向电路包括电性连接的转子位置检测装置和电流换向器，当任意径向充磁的永磁块和与其正对的通电状态的线圈的充磁方向的磁向均为同向时，固定于定子上的转子位置传感器正对于定位孔，并发送换向信号使电流换向器改变线圈的电流方向。
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