CN105305756A - 凸极halbach复合永磁旋转电机 - Google Patents

Abstract

本发明属于电机与电器领域，具体涉及凸极halbach复合永磁旋转电机，包括转子和与转子对应的定子，转子由凸极halbach复合阵列组成，凸极halbach复合阵列包括单层凸极halbach复合阵列和或双层凸极halbach复合阵列，凸极磁体阵列表面紧贴halbach磁体阵列设置构成单层凸极halbach复合阵列，凸极磁体阵列两侧表面分别紧贴至少一组halbach磁体阵列设置，构成双层凸极halbach复合阵列。本发明利用halbach磁体阵列特点，将凸极磁体阵列布置于halbach磁体阵列强磁区或弱磁区，与定子绕组配合形成凸极halbach永磁电机，可将凸极磁体阵列漏磁大幅降低甚至完全消除，相同体积和制造成本下，可大幅增加电机功率和出力，或相同功率下，大幅降低电机体积和制造使用成本，特别适用于大功率永磁电机工程应用场合。

Description

凸极halbach复合永磁旋转电机

技术领域

本发明属于电机与电器领域，具体涉及凸极halbach复合永磁旋转电机。

背景技术

永磁电机已经广泛应用于各行各业，永磁电机有多种类型。按转子永磁体的布置方式可分为表面式（又分为表面凸出式、表面插入式）、内置式（又分为径向式、切向式、混合式等）等转子磁路结构，前者结构简单，但等效电磁气隙大，功率密度较低，不能自起动，后者功率密度较大，但漏磁也较大，需要设置专门的隔磁桥限制漏磁，结构复杂，都导致电机的功率密度低、永磁体利用率不高，电机体积大，制造和使用成本高等问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有永磁电机输出功率低、体积大、成本高等工程问题，为解决上述问题，采用凸极halbach复合永磁旋转电机新型结构。

为实现上述目的，采用以下技术方案：

凸极halbach复合永磁旋转电机，包括转子和与转子对应的定子，定子和转子之间具有气隙，所述的转子由凸极halbach复合阵列组成，凸极halbach复合阵列包括单层凸极halbach复合阵列和或双层凸极halbach复合阵列，不带轭部或带轭部的凸极磁体阵列表面紧贴带轭部或不带轭部的halbach磁体阵列设置构成单层凸极halbach复合阵列，凸极磁体阵列两侧表面分别紧贴至少一组halbach磁体阵列设置，构成双层凸极halbach复合阵列，凸极磁体阵列由导磁凸铁和周向磁体交替贴装而成，凸铁两侧的周向磁体在凸铁上形成聚磁的凸铁极，halbach磁体阵列由法向磁体和纵向磁体交替贴装组成，转子与对应的定子配合构成凸极halbach复合永磁旋转电机。

转子凸极磁体阵列中的凸铁、周向磁体的截面为矩形、梯形、三角形、“凸”字形、“工”字形、“中”字形或“十”字形，halbach磁体阵列中的法向磁体和纵向磁体的截面为矩形、梯形、三角形、“工”字形、“中”字形或“十”字形。

在转子凸极磁体阵列中的凸铁表面开设至少一个开口槽，开口槽中设置有凸槽磁体，凸槽磁体表面极性与相应凸铁表面极性一致。

转子凸铁上设置有至少一个导电体，导电体的横向端部通过导电环或导电片连成一体。

转子凸铁上设置有至少一个空腔，空腔内设置有导电体，各凸铁上的导电体横向端部通过导电环或导电片连成一体；或者在凸铁的表面铺设或连接一层连接薄片，将各凸铁彼此连接成一个整体，连接薄片为导磁薄片或导电薄片或导磁导电复合薄片或为带槽的导磁齿槽薄片，槽内嵌导电体，导电体横向端部通过导电环或导电片连成一体。

所述的周向磁体、法向磁体和纵向磁体为永磁体、超导磁体或者电励磁体。

凸极halbach复合永磁旋转电机转子凸极halbach复合阵列至少有一组凸铁或者凸铁和轭部的两横向端部通过连接件连接，形成统一的凸极halbach复合阵列。

所述的两组单层凸极halbach复合阵列构成的单边转子或两组单边定子面对面分开设置，两者中间设置对应的双定子或双边转子，构成双边型单层凸极halbach复合永磁旋转电机。

所述的双边型单层凸极halbach复合永磁旋转电机外侧两单边转子的横向端部连接件连接成一体，中间为定子，形成U型单层凸极halbach复合永磁旋转电机。

转子设置于定子外部，转子凸极halbach复合阵列面向定子绕组，两者保持间隙，成为外转子型凸极halbach复合永磁旋转电机。

转子和定子两者中的一个作为固定不动的定子部，另外一个作为可转动的转子部。

本发明利用halbach磁体阵列强磁区磁场很强、弱磁区磁场很弱（即漏磁很小）的特点，将凸极磁体阵列布置于halbach磁体阵列强磁区或弱磁区，与定子绕组配合形成凸极halbach永磁电机，可将凸极磁体阵列漏磁大幅降低甚至完全消除，相同体积和制造成本下，可大幅增加电机功率和出力，或相同功率下，大幅降低电机体积和制造使用成本，特别适用于大功率永磁电机工程应用场合。

附图说明

图1为本发明转子凸极halbach复合阵列结构示意图一；

图2为本发明转子凸极halbach复合阵列结构示意图二；

图3为本发明转子凸极halbach复合阵列结构示意三；

图4为本发明转子凸极halbach复合阵列结构示意四；

图5为本发明转子凸极halbach复合阵列结构示意图五；

图6为转子凸极磁体阵列结构结构示意图六；

图7为转子凸极磁体阵列结构结构示意图七；

图8为转子凸极磁体阵列结构结构示意图八；

图9为转子凸极磁体阵列结构结构示意图九；

图10为转子凸极磁体阵列结构结构示意图十；

图11为转子halbach磁体阵列结构示意图十一；

图12为转子halbach磁体阵列结构示意图十二；

图13为转子halbach磁体阵列结构示意图十三；

图14为转子halbach磁体阵列结构示意图十四；

图15为转子halbach磁体阵列结构示意图十五；

图16为转子凸极halbach复合阵列组成的旋转电机机构示意图十六；

图17为凸极halbach复合阵列组成的旋转电机机构示意图十七；

图18为凸极halbach复合阵列组成的旋转电机机构示意图十八；

图中，1.定子；2.转子；3.凸铁；4.法向磁体；5.周向磁体；6.纵向磁体；8.凸槽磁体；9.轭部；11.连接薄片；12.导电体。

具体实施方式

如图1-图14所示，图中所示的转子2半径为无限大。图1所示为本发明的转子凸极halbach复合阵列结构示意图一。图中，所述的凸极永磁halbach复合阵列由凸极磁体阵列和halbach磁体阵列组成，凸极磁体阵列由导磁凸铁3、周向磁体5交替贴装组成，相邻周向磁体5的充磁方向相对或背离，在相邻凸铁3上形成N、S极性交替的磁极，halbach磁体阵列由法向磁体4、纵向磁体6交替贴装组成，相邻法向磁体4或纵向磁体6的充磁方向相反，所述的凸极磁体阵列紧贴halbach磁体阵列强磁区表面，凸极磁体阵列中的凸铁3、周向磁体5与halbach磁体阵列中的法向磁体4、纵向磁体6一一对应。其中，纵向为凸铁3表面切线方向或运动方向，法向为凸铁3中心线方向或气隙方向，横向为垂直于纵向和法向的方向。

图2所示为本发明的转子凸极halbach复合阵列结构示意图二，图中，凸极磁体阵列紧贴带有磁性或非磁性轭部9的halbach磁体阵列强磁区表面设置构成单层凸极halbach复合阵列。其余结构与图1相同。

图3所示为本发明的转子凸极halbach复合阵列结构示意图三，图中，带有磁性或非磁性轭部9的凸极磁体阵列紧贴halbach磁体阵列弱磁区表面设置构成单层凸极halbach复合阵列。其余结构与图1相同。

图4所示为本发明的转子凸极halbach复合阵列结构示意图四，图中，所述的凸极磁体阵列两侧表面分别紧贴设置一组halbach磁体阵列，构成双层凸极halbach复合阵列。其余结构与图1相同。

图5所示为本发明的转子凸极halbach复合阵列结构示意图五，图中，所述的凸极磁体阵列中的凸铁3表面开设至少一个开口槽，槽中嵌放与凸铁3极性一致的凸槽磁体8。其余结构与图1相同。

图6-图10所示为本发明的转子凸极磁体阵列结构示意图六-图十，凸极磁体阵列中的凸铁3、周向磁体5的截面为矩形或等腰梯形或三角形或“凸”形或它们的组合结构，图11-图15为本发明的halbach磁体阵列中的磁体阵列结构示意图十一-图十五，图中，halbach磁体阵列中的法向磁体4、纵向磁体6的截面为矩形或等腰梯形或三角形结构。

图16所示为本发明的凸极halbach复合永磁旋转电机结构示意图十六，将旋转型凸极永磁halbach复合阵列作为转子，与定子绕组配合形成凸极halbach永磁旋转电机。

图17、图18所示为本发明的凸极halbach复合永磁旋转电机结构示意图十七、图十八，该旋转型凸极永磁halbach复合阵列中的凸铁3的表面铺设或连接一层连接薄片11，将周向磁体5和凸铁3包围在内，并将各凸铁3彼此连接成一个整体，连接薄片11为导磁薄片或导电薄片，或为槽内嵌导电体12的带开口槽或半闭口槽或闭口槽的导磁齿槽薄片，槽内各内嵌导电体12通过端部短路环连成一体。其中，图17连接薄片为槽内嵌导电体的导磁齿槽薄片示意图，图18连接薄片为导磁薄片或导电薄片示意图。

上述凸极永磁halbach复合阵列，可将凸铁3的两个横向端部通过相应侧的连接件与磁性或非磁性轭部相连接，形成坚固统一的凸极永磁halbach复合阵列。

上述实施例中，所述的磁体可以采用永磁体，或者超导磁体，或者电励磁体，根据具体的需要而定。一般来说，优先采用钕铁硼材料制成的强磁性永磁体。

由于本发明所述的凸极halbach永磁电机充分利用了halbach磁体阵列和凸铁极阵列的特点和优势，转子2轭部区域的漏磁得到有效抑制，除了转子2与气隙表面附近区域不可避免的漏磁外，转子2内部区域理论上没有漏磁或漏磁非常小，因此，永磁体利用率和电机力能指标可大幅提高。较好解决了现有永磁电机出力小、成本高、体积大等制约工程应用瓶颈问题。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.凸极halbach复合永磁旋转电机，包括转子和与转子对应的定子，定子和转子之间具有气隙，其特征在于：所述的转子由凸极halbach复合阵列组成，凸极halbach复合阵列包括单层凸极halbach复合阵列和或双层凸极halbach复合阵列，不带轭部或带轭部的凸极磁体阵列表面紧贴带轭部或不带轭部的halbach磁体阵列设置构成单层凸极halbach复合阵列，凸极磁体阵列两侧表面分别紧贴至少一组halbach磁体阵列设置，构成双层凸极halbach复合阵列，凸极磁体阵列由导磁凸铁和周向磁体交替贴装而成，凸铁两侧的周向磁体在凸铁上形成聚磁的凸铁极，halbach磁体阵列由法向磁体和纵向磁体交替贴装组成，转子与对应的定子配合构成凸极halbach复合永磁旋转电机。

2.根据权利要求1所述的凸极halbach复合永磁旋转电机，其特征在于：转子凸极磁体阵列中的凸铁、周向磁体的截面为矩形、梯形、三角形、“凸”字形、“工”字形、“中”字形或“十”字形，halbach磁体阵列中的法向磁体和纵向磁体的截面为矩形、梯形、三角形、“工”字形、“中”字形或“十”字形。

3.根据权利要求2所述的凸极halbach复合永磁旋转电机，其特征在于：在转子凸极磁体阵列中的凸铁表面开设至少一个开口槽，开口槽中设置有凸槽磁体，凸槽磁体表面极性与相应凸铁表面极性一致。

4.根据权利要求3所述的凸极halbach复合永磁旋转电机，其特征在于：转子凸铁上设置有至少一个导电体，导电体的横向端部通过导电环或导电片连成一体。

5.根据权利要求4所述的凸极halbach复合永磁旋转电机，其特征在于：转子凸铁上设置有至少一个空腔，空腔内设置有导电体，各凸铁上的导电体横向端部通过导电环或导电片连成一体；或者在凸铁的表面铺设或连接一层连接薄片，将各凸铁彼此连接成一个整体，连接薄片为导磁薄片或导电薄片或导磁导电复合薄片或为带槽的导磁齿槽薄片，槽内嵌导电体，导电体横向端部通过导电环或导电片连成一体。

6.根据权利要求4中所述的凸极halbach复合永磁旋转电机，其特征在于：所述的周向磁体、法向磁体和纵向磁体为永磁体、超导磁体或者电励磁体。

7.根据权利要求1-6中任一权利要求所述的凸极halbach复合永磁旋转电机，其特征在于：转子凸极halbach复合阵列至少有一组凸铁或者凸铁和轭部的两横向端部通过连接件连接，形成统一的凸极halbach复合阵列。

8.据权利要求7所述的凸极halbach复合永磁旋转电机，其特征在于：所述的两组单层凸极halbach复合阵列构成的单边转子或两组单边定子面对面分开设置，两者中间设置对应的双定子或双边转子，构成双边型单层凸极halbach复合永磁旋转电机。

9.根据权利要求8所述的凸极halbach复合永磁旋转电机，其特征在于：所述的双边型单层凸极halbach复合永磁旋转电机外侧两单边转子的横向端部连接件连接成一体，中间为定子，形成U型单层凸极halbach复合永磁旋转电机。

10.根据权利要求7所述的凸极halbach复合永磁旋转电机，其特征在于：转子设置于定子外部，转子凸极halbach复合阵列面向定子绕组，两者保持间隙，成为外转子型凸极halbach复合永磁旋转电机。

11.根据权利要求10所述的凸极halbach复合永磁旋转电机，其特征在于：转子和定子两者中的一个作为固定不动的定子部，另外一个作为可转动的转子部。