CN107634631B - 一种具有最优磁化角的两段式Halbach永磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有最优磁化角的两段式Halbach永磁电机，且N极第一段永磁的最优磁化角为磁化方向与顺时针圆周切向方向的夹角；N极第二段永磁的最优磁化角为磁化方向与逆时针圆周切向方向的夹角；S极第一段永磁的最优磁化角为磁化方向与逆时针圆周切向方向的夹角；S极第二段永磁的最优磁化角为磁化方向与顺时针圆周切向方向的夹角，转子与对应的定子配合构成具有最优磁化角的两段式Halbach永磁电机。本发明可以提高径向气隙磁密基波幅值，且减小气隙磁密的谐波分量，从而在相同的体积和成本下，可以提高输出转矩，因此可提高该类电机的转矩密度和功率密度，同样适用于无转子铁心电机和外转子电机。

Description

一种具有最优磁化角的两段式Halbach永磁电机

技术领域

本发明涉及永磁电机技术领域，尤其涉及一种具有最优磁化角的两段式Halbach永磁电机。

背景技术

永磁电机具有效率高、体积小以及高功率密度等优点，广泛地应用在航空航天、国防、交通运输、工农业生产和公共生活等领域。永磁电机根据转子永磁所处位置分为表贴式和内置式永磁电机。Halbach阵列永磁电机属于表贴式永磁电机，又可分为两段、三段、四段一直到n段。理论上来说，段数越多，径向气隙磁密越接近于正弦波。但是段数越多，增加了加工制作的复杂性。考虑到生产实际，所以研究的通常只有两段或三段Halbach阵列。

中国专利200910310623.8公开了复合结构永磁电机的Halbach阵列盘式转子。所述电机的转子是由转子铁心和两组Halbach阵列永磁组成，且使两组Halbach阵列永磁体的磁场减弱的面与转子铁心固定在一起。从而不管极数是否相同，都使转子内的磁通减少，根据实际工作的功率和转速等因素，灵活选择电机的极数。但是，由于转子有两组Halbach阵列，使得电机的结构过于复杂。

发明内容

本发明目的就是为了弥补已有技术永磁电机存在的转矩密度和功率密度较低等问题的缺陷，提供一种具有最优磁化角的两段式Halbach永磁电机。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种具有最优磁化角的两段式Halbach永磁电机，包括有转子和与转子对应的定子，所述的转子是由具有最优磁化角的两段式Halbach阵列构成，所述的两段式Halbach阵列的每极是由两段相邻且对称的永磁构成，对称轴为两段永磁的几何中心，两段永磁所有的磁化角Δθ都为锐角，且N极第一段永磁的最优磁化角为磁化方向与顺时针圆周切向方向的夹角；N极第二段永磁的最优磁化角为磁化方向与逆时针圆周切向方向的夹角；S极第一段永磁的最优磁化角为磁化方向与逆时针圆周切向方向的夹角；S极第二段永磁的最优磁化角为磁化方向与顺时针圆周切向方向的夹角，转子与对应的定子配合构成具有最优磁化角的两段式Halbach永磁电机。

所述的两段式Halbach阵列为单层的两段式Halbach阵列或双层的两段式Halbach阵列，所述的双层的两段式Halbach阵列是通过两层两段式Halbach阵列叠加而成的。

所述的单层的两段式Halbach阵列的最优磁化角通过解析方法计算求得：首先通过解析方法得到永磁电机空载径向气隙磁密的函数表达式，然后通过空载径向气隙磁密的基波函数对磁化角进行求导计算，从而得到空载径向气隙磁密的基波幅值最大时的最优磁化角。

以下是具体计算过程。

一个电周期内具有单层两段式Halbach陈列的磁化强度，可以写成分段函数如下：

式中：δ＝π/(4p)，p为极对数，B_r为永磁体剩磁，Δθ为每段永磁的磁化角，θ为转子的位置角。

对M_r和M_θ分别进行傅里叶分解，得到

根据磁场的拉普拉斯方程、准泊松方程以及边界条件，得到无槽电机空载径向气隙磁密为：

M_n＝M_rn+npM_θn

式中：r为某点与圆心的距离，R_s为定子内半径，R_m1为永磁的外半径，R_m2为永磁的内半径，R_r为转子外半径，对于单层结构，R_m2＝R_r，μ₀为真空的磁导率，μ_r为永磁的相对磁导率。

对于定子有槽结构，利用卡特系数，有槽电机空载径向气隙磁密基波为：

B′_r1(r,θ)＝K_c(θ)·B_r1(r,θ) (7)

式中：B_r1为径向气隙磁密基波，由式(6)取n＝1得到；K_c为卡特系数。

已知定子为等厚齿尖结构，利用卡特系数，即用等效的气隙长度代替实际的气隙长度，即

式中：Q_s为定子槽数，α₀为槽开口对应的角度，α_s为定子齿宽对应的角度，m为小于Q_s的非负整数。

对式(8)进行傅里叶分解，可以得到：

式中：

再利用函数求极值的方法，于是得到单层两段式Halbach永磁电机径向气隙磁密基波幅值最大时的最优磁化角。

所述的双层的两段式Halbach阵列，每层的最优磁化角是不同的，首先得到每层的空载径向气隙磁密的函数表达式，求出每层的最优磁化角，然后运用叠加原理，两层合成的空载径向气隙磁密就是每层的空载径向气隙磁密的叠加，可得到每层的最优磁化角。

对于双层结构的两段式Halbach永磁电机，气隙磁密基波幅值最大时的最优磁化角的计算公式与单层Halbach永磁电机气隙磁密基波幅值最大时的最优磁化角求解方法类似。先计算上层的最优磁化角，把下层永磁区域看成空气，即在式(6)中，R_m1为上层永磁的外半径，R_m2为上层永磁的内半径，R_r为转子外半径。然后计算下层永磁的最优磁化角，把上层永磁区域看成空气，即在式(6)中R_m1为下层永磁的外半径，R_m2为下层永磁的内半径，R_r为转子外半径，取R_m2＝R_r。于是分别求得每层的最优磁化角，再利用叠加原理，得到双层Halbach永磁电机气隙磁密基波幅值的最大值。

本发明的优点是：本发明运用的是Halbach阵列的特点，使气隙磁密接近正弦分布，于是把传统的两段式Halbach陈列，设计成具有最优磁化角的两段式Halbach陈列，可以提高径向气隙磁密基波幅值，且减小气隙磁密的谐波分量，从而在相同的体积和成本下，可以提高输出转矩，因此可提高该类电机的转矩密度和功率密度，同样适用于无转子铁心电机和外转子电机。

附图说明

图1是本发明单层两段式Halbach阵列结构示意图。

图2是本发明双层两段式Halbach阵列结构示意图。

图3是本发明单层两段式Halbach永磁电机的结构示意图。

图4是本发明双层两段式Halbach永磁电机的结构示意图。

具体实施方式

如图1、2、3、4所示，一种具有最优磁化角的两段式Halbach永磁电机，包括有转子2和与转子2对应的定子1，所述的转子2是由具有最优磁化角的两段式Halbach阵列构成，所述的两段式Halbach阵列的每极是由两段相邻且对称的永磁构成，对称轴为两段永磁的几何中心，两段永磁所有的磁化角Δθ都为锐角，且N极第一段永磁4的最优磁化角为磁化方向与顺时针圆周切向方向的夹角；N极第二段永磁5的最优磁化角为磁化方向与逆时针圆周切向方向的夹角；S极第一段永磁6的最优磁化角为磁化方向与逆时针圆周切向方向的夹角；S极第二段永磁7的最优磁化角为磁化方向与顺时针圆周切向方向的夹角，转子2与对应的定子1配合构成具有最优磁化角的两段式Halbach永磁电机。

所述的两段式Halbach阵列为单层的两段式Halbach阵列或双层的两段式Halbach阵列，所述的双层的两段式Halbach阵列是通过两层两段式Halbach阵列叠加而成的。

所述的单层的两段式Halbach阵列的最优磁化角通过解析方法计算求得：首先通过解析方法得到永磁电机空载径向气隙磁密的函数表达式，然后通过空载径向气隙磁密的基波函数对磁化角进行求导计算，从而得到空载径向气隙磁密的基波幅值最大时的最优磁化角。

以下是具体计算过程。

一个电周期内具有单层两段式Halbach陈列的磁化强度，可以写成分段函数如下：

式中：δ＝π/(4p)，p为极对数，B_r为永磁体剩磁，Δθ为每段永磁的磁化角，θ为转子的位置角。

对M_r和M_θ分别进行傅里叶分解，得到

根据磁场的拉普拉斯方程、准泊松方程以及边界条件，得到无槽电机空载径向气隙磁密为：

M_n＝M_rn+npM_θn

式中：r为某点与圆心的距离，R_s为定子内半径，R_m1为永磁的外半径，R_m2为永磁的内半径，R_r为转子外半径，对于单层结构，R_m2＝R_r，μ₀为真空的磁导率，μ_r为永磁的相对磁导率。

对于定子有槽结构，利用卡特系数，有槽电机空载径向气隙磁密基波为：

B′_r1(r,θ)＝K_c(θ)·B_r1(r,θ) (7)

式中：B_r1为径向气隙磁密基波，由式(6)取n＝1得到；K_c为卡特系数。

已知定子为等厚齿尖结构，利用卡特系数，即用等效的气隙长度代替实际的气隙长度，即

式中：Q_s为定子槽数，α₀为槽开口对应的角度，α_s为定子齿宽对应的角度，m为小于Q_s的非负整数。

对式(8)进行傅里叶分解，可以得到：

式中：

再利用函数求极值的方法，于是得到单层两段式Halbach永磁电机径向气隙磁密基波幅值最大时的最优磁化角。

所述的双层的两段式Halbach阵列，每层的最优磁化角是不同的，首先得到每层的空载径向气隙磁密的函数表达式，求出每层的最优磁化角，然后运用叠加原理，两层合成的空载径向气隙磁密就是每层的空载径向气隙磁密的叠加，可得到每层的最优磁化角。

对于双层结构的两段式Halbach永磁电机，气隙磁密基波幅值最大时的最优磁化角的计算公式与单层Halbach永磁电机气隙磁密基波幅值最大时的最优磁化角求解方法类似。先计算上层的最优磁化角，把下层永磁区域看成空气，即在式(6)中，R_m1为上层永磁的外半径，R_m2为上层永磁的内半径，R_r为转子外半径。然后计算下层永磁的最优磁化角，把上层永磁区域看成空气，即在式(6)中R_m1为下层永磁的外半径，R_m2为下层永磁的内半径，R_r为转子外半径，取R_m2＝R_r。于是分别求得每层的最优磁化角，再利用叠加原理，得到双层Halbach永磁电机气隙磁密基波幅值的最大值。

所述的双层的两段式Halbach阵列，每层的最优磁化角是不同的，首先得到每层的空载径向气隙磁密的函数表达式，求出每层的最优磁化角，然后运用叠加原理，两层合成的空载径向气隙磁密就是每层的空载径向气隙磁密的叠加，可得到每层的最优磁化角。

图1为本发明具有最优磁化角的单层两段式Halbach阵列结构示意图。每极由两段相邻且对称的永磁构成，对称轴为两段永磁的几何中心。所有的磁化角Δθ都为锐角，且定义为：N极第一段永磁4的磁化角为磁化方向与顺时针圆周切向方向的夹角；N极第二段永磁5的磁化角为磁化方向与逆时针圆周切向方向的夹角；S极第一段永磁6的磁化角为磁化方向与逆时针圆周切向方向的夹角；S极第二段永磁7的磁化角为磁化方向与顺时针圆周切向方向的夹角。于是形成了N、S极相交替的磁极。图2为本发明具有最优磁化角的双层两段式Halbach阵列结构示意图。与单层两段式Halbach阵列的结构类似，但是分为两层，每层也是由两段相邻且对称的永磁构成，对称轴也为两段永磁的几何中心。每层磁化角的定义与单层相同，上层的磁化角为Δθ₁，下层的磁化角为Δθ₂。于是形成了N、S极相交替的磁极。并且每层都各自具有最优磁化角。

图3是本发明具有最优磁化角的单层两段式Halbach阵列永磁电机的结构示意图。为了进行比较，给出实例一电机。该实例电机是8极9槽结构，额定转速为3000r/min。定子铁心和转子铁心均采用50W470硅钢片，永磁体采用的是钕铁硼N35H。该实例电机的主要结构参数为：定子外径为80mm，内径为46mm，定子轭高为7.62mm，转子外径为43.2mm，轴长为30mm，转子轭高为8mm，永磁高度为4.6mm。且该实例电机为平行齿，齿宽为6mm，槽口宽度为1.8mm。每相绕组串联匝数为120。通过解析方法计算得到最优磁化角为63.4°。从而得到该电机空载径向气隙磁密的基波幅值为1.15T，THD为9.84％。对三相绕组施加有效值为32V的三相对称交流电压，得到电磁转矩的平均值为1.49Nm。而传统的两段式Halbach阵列永磁电机空载径向气隙磁密的基波幅值为1.12T，THD为16.54％，电磁转矩平均值为1.23Nm。与传统的两段式Halbach阵列永磁电机相比，发明的电机提高了径向气隙磁密的基波幅值，降低了谐波比例，提高了电机的电磁转矩。

图4是本发明具有最优磁化角的双层两段式Halbach永磁电机的结构示意图。为了进行比较，给出实例二电机。该电机两层永磁高度之和与实例一单层永磁高度相同，即永磁使用量相等。并且两层高度相等，但每层的最优磁化角不相等。除了永磁之外，实例二电机的其它参数与实例一电机的参数完全相同。通过解析方法计算获得，上层的最优磁化角为55.95°，下层的最优磁化角为73.14°。经过计算，得到实例二电机的空载径向气隙磁密基波幅值为1.17T，THD为6.32％。对三相绕组施加相等的电压，计算得到，电磁转矩平均值为1.62Nm。显然，实例二电机的气隙磁密和电磁转矩都优于实例一电机，但是结构较复杂。

本发明所述的具有最优磁化角的两段式Halbach永磁电机，充分利用了Halbach陈列的特点，可以增大电机径向气隙磁密的基波幅值，同时减小径向气隙磁密的THD，从而能够提高电机的输出转矩。因此本发明在电机体积和生产成本不变的前提下，提高了电机的输出转矩，从而提高了转矩密度和功率密度。

以上的实例只是用来阐述本发明的思想、结构特点和效果，是为了让本领域的人更好了解和知道本发明的内容从而方便的运用实际，但是不能限制本发明的保护范围，只要是按照本发明的技术构思所作的变换或者修改，都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种具有最优磁化角的两段式Halbach永磁电机，包括有转子和与转子对应的定子，其特征在于：所述的转子是由具有最优磁化角的两段式Halbach阵列构成，所述的两段式Halbach阵列的每极是由两段相邻且对称的永磁构成，对称轴为两段永磁的几何中心，两段永磁所有的磁化角Δθ都为锐角，且N极第一段永磁的最优磁化角为磁化方向与顺时针圆周切向方向的夹角；N极第二段永磁的最优磁化角为磁化方向与逆时针圆周切向方向的夹角；S极第一段永磁的最优磁化角为磁化方向与逆时针圆周切向方向的夹角；S极第二段永磁的最优磁化角为磁化方向与顺时针圆周切向方向的夹角，转子与对应的定子配合构成具有最优磁化角的两段式Halbach永磁电机；

所述的两段式Halbach阵列为单层的两段式Halbach阵列或双层的两段式Halbach阵列，所述的双层的两段式Halbach阵列是通过两层两段式Halbach阵列叠加而成的；

所述的单层的两段式Halbach阵列的最优磁化角通过解析方法计算求得：首先通过解析方法得到永磁电机空载径向气隙磁密的函数表达式，然后通过空载径向气隙磁密的基波函数对磁化角进行求导计算，从而得到空载径向气隙磁密的基波幅值最大时的最优磁化角；具体计算过程如下：

一个电周期内具有单层两段式Halbach陈列的磁化强度，写成分段函数如下：

式中：δ＝π/(4p)，p为极对数，B_r为永磁体剩磁，Δθ为每段永磁的磁化角，θ为转子的位置角，

对M_r和M_θ分别进行傅里叶分解，得到

根据磁场的拉普拉斯方程、准泊松方程以及边界条件，得到无槽电机空载径向气隙磁密为：

M_n＝M_rn+npM_θn

式中：r为某点与圆心的距离，R_s为定子内半径，R_m1为永磁的外半径，R_m2为永磁的内半径，R_r为转子外半径，对于单层结构，R_m2＝R_r，μ₀为真空的磁导率，μ_r为永磁的相对磁导率；

对于定子有槽结构，利用卡特系数，有槽电机空载径向气隙磁密基波为：

B′_r1(r,θ)＝K_c(θ)·B_r1(r,θ) (7)

式中：B_r1为径向气隙磁密基波，由式(6)取n＝1得到；K_c为卡特系数，

已知定子为等厚齿尖结构，利用卡特系数，即用等效的气隙长度代替实际的气隙长度，即

式中：Q_s为定子槽数，α₀为槽开口对应的角度，α_s为定子齿宽对应的角度，m为小于Q_s的非负整数；

对式(8)进行傅里叶分解，可以得到：

式中：

再利用函数求极值的方法，于是得到单层两段式Halbach永磁电机径向气隙磁密基波幅值最大时的最优磁化角；

所述的双层的两段式Halbach阵列，每层的最优磁化角是不同的，先计算上层的最优磁化角，把下层永磁区域看成空气，即在式(6)中，R_m1为上层永磁的外半径，R_m2为上层永磁的内半径，R_r为转子外半径，然后计算下层永磁的最优磁化角，把上层永磁区域看成空气，即在式(6)中R_m1为下层永磁的外半径，R_m2为下层永磁的内半径，R_r为转子外半径，取R_m2＝R_r，于是分别求得每层的最优磁化角，再利用叠加原理，从而得到双层Halbach永磁电机气隙磁密基波幅值的最大值。