CN108282065A - 高效率、高功率密度Halbach阵列无刷直流电机 - Google Patents

高效率、高功率密度Halbach阵列无刷直流电机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高效率、高功率密度Halbach阵列无刷直流电机，包括定子铁心、电枢绕组、转子护套、转子永磁体、磁轭、磁轭支架和转轴，转子永磁体为分块式Halbach阵列，Halbach阵列采用每极大于等于两块的结构；磁轭支架采用不导磁材料，对磁轭支架进行打洞处理。采用此种电机结构可提高无刷直流电机效率和功率密度，使用Halbach阵列调整气隙磁密并降低转子铁心磁密，转子磁轭使用尽可能少导磁材料，以保证电机输出功率，配合密度低、不导磁材料的转子磁轭支架，来达到降低转子损耗并降低重量，增大电机效率和功率密度。

Description

高效率、高功率密度Halbach阵列无刷直流电机
技术领域
本发明属于无刷直流电机，涉及一种应用Halbach阵列的无刷直流电机，电机转子结构新颖并具有高效率和高功率密度。
背景技术
无刷直流电机因为控制简单，高功率密度，高效率等优良性能在航空航天航海、医疗器械、工业生产、交通运输、新能源等多领域中都得到广泛的应用。无刷直流电机采用永磁体励磁，每个磁极的充磁方向为平行充磁或径向充磁，电机气隙磁密波形接近方波。电机转子结构采用表贴式结构，转子磁轭降低磁阻，有利于增强电机气隙磁密。在电机的这种结构安排下，因为电机电枢磁场在永磁体和转子磁轭中旋转，在永磁体和转子磁轭中产生铁损，无刷直流电机因为电枢电流为方波性质，因此气隙场中的磁场谐波含量多，导致永磁体和转子磁轭中的铁损较大。
Halbach阵列是由美国物理学家Klaus Halbach提出的一种永磁体排列方式，每个磁极的充磁方向βi按照限制为βi＝(1-P)θi规律确定，其中θi为i块永磁体的位置角，P 为电机极对数。在这种Halbach永磁体排列方式下，具有在Halbach阵列一侧增强电机气隙磁密，在另一侧具有磁屏蔽作用，Halbach阵列因为改善电机气隙磁密波形和磁屏蔽作用在永磁同步电机中得到了广泛的应用，增大了永磁同步电机的功率密度和和效率，降低了转矩波动。Halbach阵列的特性结合Halbach阵列在永磁同步电机中的成功应用，为将Halbach阵列应用于无刷直流电机中提供了基础。在无刷直流电机中应用Halbach阵列来提高电机效率和功率密度，为最大化的开发Halbach阵列的优势，提出电机转子结构的优化。
发明内容
要解决的技术问题
为进一步提高无刷直流电机的效率和功率密度，本发明将Halbach阵列用于无刷直流电机磁极并优化电机转子结构，提出了一种高效率、高功率密度Halbach阵列无刷直流电机。
技术方案
一种高效率、高功率密度Halbach阵列无刷直流电机，包括定子铁心、电枢绕组、转子护套、转子永磁体、磁轭、磁轭支架和转轴，其特征在于定子铁心与转子护套之间存在气隙，磁轭表面有转子永磁体，转子永磁体外面为转子护套，磁轭下为磁轭支架；所述的转子永磁体为分块式Halbach阵列，Halbach阵列采用每极大于等于两块的结构；所述的转子护套采用不导磁高强度材料；所述的磁轭支架采用不导磁材料，对磁轭支架进行打洞处理。
当Halbach阵列采用每极两块的结构，性能最优时主磁钢弧角α＝75°～76°。
当Halbach阵列采用每极三块的结构，性能最优时主磁钢弧角65°<α<80°，辅磁钢充磁角β＝32～33°。
有益效果
本发明在无刷直流电机中使用Halbach阵列，配合相应的转子磁轭结构和材料，电机的效率得到提高，电机整体重量得到降低，相应的增大电机功率密度。
附图说明
图1为本发明的高效率、高功率密度Halbach阵列无刷直流电机；
图2为图1中转子采用每极两块永磁体的Halbach阵列充磁示意图；
图3为图1中转子采用每极三块永磁体的Halbach阵列充磁示意图；
图4为图1中磁轭支架结构示意图；
图中，1-定子铁心，2-电枢绕组，3-转子护套，4-转子永磁体，5-磁轭，6-磁轭支架，7-转轴，8-每极两块Halbach阵列主磁钢，9-每极两块Halbach阵列辅磁钢，10- 每极两块Halbach阵列主磁钢弧角，11-每极两块Halbach阵列辅磁钢充磁角，12-每极三块Halbach阵列主磁钢，13-每极三块Halbach阵列辅磁钢，14-每极三块Halbach阵列主磁钢弧角，15-每极三块Halbach阵列辅磁钢充磁角，16-磁轭支架通孔，17-磁轭支架主材。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本发明提供一种高效率、高功率密度Halbach阵列无刷直流电机，包括定子铁心、电枢绕组、转子护套、Halbach阵列磁极、磁轭、磁轭支架和转轴，定子铁心与转子护套之间有气隙。本发明为解决电机旋转时转子永磁体因离心力作用时的保护，转子外面有护套，护套采用不导磁的高强度材料。本发明转子磁极采用分块拼装式Halbach 阵列永磁体。每个磁极的永磁体块数至少为2。每极永磁体块数为2时，为实现无刷直流电机的高效率、高功率密度，主磁钢弧角α>75°，性能最优为α＝75～76°，主、辅磁钢充磁角βi＝(1-P)θi，θi为第i块永磁铁位置角。每极永磁体块数为3的Halbach阵列拼装结构，为保证无刷直流电机高效率、高功率密度，主磁钢弧角65°<α<80°，辅磁钢充磁角β＝32～33°。
本发明在无刷直流电机中使用Halbach阵列，有助于降低磁轭磁密，因此磁轭采用高性能和尽可能薄的导磁材料(例如硅钢片35W300型号)叠压而成，磁轭高度依据 Halbach阵列的参数以尽转子磁轭最大饱和磁密进行设计，保证磁轭磁密不超过磁轭材料的饱和磁密。
本发明在采用Halbach阵列和相应高度的磁轭后，采用非导磁材料制作磁轭支架，磁轭支架外装磁轭，磁轭支架套在转轴上，磁轭支架在满足磁轭与转轴的连接强度前提下，进行减重设计和尽可能采用轻质材料，以最大化降低转子重量。
如图1所示，本发明涉及高效率，高功率密度Halbach阵列无刷直流电机，包括定子铁心1、电枢绕组2、转子护套3、转子永磁体4、磁轭5、磁轭支架6和转轴7，定子铁心1与转子护套3之间存在气隙，磁轭5表面有转子永磁体4，转子永磁体为分块式Halbach阵列，Halbach阵列可以为每极两块、每极三块等类型。转子永磁体4 外面为转子护套3，转子护套3采用不导磁高强度材料，磁轭5下为磁轭支架6，磁轭支架6采用不导磁材料，为更大限度的降低磁轭支架的重量，对磁轭支架6进行打洞处理。
转子永磁体4采用分块式Halbach阵列，Halbach阵列可为每极两块结构、每极三块等结构。
在每极两块结构中，提供主要气隙磁密的永磁体为主磁钢，图2中8为主磁钢， 9为辅磁钢，10中的α为主磁钢弧角，在P对极电机中，α的取值范围为0～(π/P)，在主磁钢弧角确定的情况下，辅磁钢的弧角也确定为(π/P-α)。主磁钢因电机结构的限制，充磁为平行充磁或者径向充磁，辅磁钢因气隙磁密的对称性要求，充磁角11中的β限制为β＝(P-1)θ，θ为第永磁体的中心线的位置角。为实现无刷直流电机的高效率、高功率密度，充磁角尽可能选择主磁钢弧角α>75°，性能最优为α＝75～76°，主、辅充磁角固定。
如图3所示，在每极三块永磁结构中，居中的磁钢12为主磁钢，辅磁钢13为主磁钢两侧的两块磁钢，主磁钢同样有参数14的主磁钢弧角α，在P对极电机中，α的取值范围为0～(π/P)，在主磁钢弧角确定的情况下，每块辅磁钢的弧角也确定为 (π/P-α)/2。主磁钢充磁方向为平行充磁或径向充磁，辅磁钢的充磁角15，参数β具有大范围的可变范围。为保证无刷直流电机高效率、高功率密度，充磁角尽可能选择主磁钢弧角65°<α<80°，β＝32～33°。
针对磁轭的厚度选择，需要结合转子Halbach阵列的充磁参数确定，在每极永磁体块数较少时，选用较厚的磁轭厚度，块数增多，相应的磁轭厚度可以适当降低。同时，磁轭的厚度和充磁参数的配置也有关，采用主磁钢弧度较大，辅磁钢充磁角较大时，磁轭厚度相应可以适当减小，具体数值为了设计方便，可以使用有限元软件仿真确定。
磁轭支架的设计依据转子旋转时转子强度进行设计，依据材料的不同设计相应的磁轭支架的结构参数，当磁轭材料强度高时，可在磁轭支架中打孔，如图4中16为通孔，17为磁轭支架主材。
具体实施例一：
本实施例所述的高效率、高功率密度Halbach阵列无刷直流电机，其包括定子铁心、电枢绕组、转子护套、每极两块永磁体Halbach阵列、磁轭、磁轭支架和转轴。本实施例中定子槽数为24，极对数为2，每极两块Halbach阵列，主磁钢弧角为75.6°，磁轭厚度为5mm，铁心垫块厚度为6mm，图4磁轭支架为铸铝，垫块中孔1的厚度为 3mm，弧角为45°。
具体实施例二：
本实施例所述的高效率、高功率密度Halbach阵列无刷直流电机，其包括定子铁心、电枢绕组、转子护套、每极三块永磁体Halbach阵列、磁轭、磁轭支架和转轴。本实施例中定子槽数为12，极对数为2，每极三块Halbach阵列，主磁钢弧角为63°，辅磁钢充磁角为14.4°，磁轭厚度为5mm，铁心垫块厚度为6mm，图4磁轭支架为铸铝，垫块中孔1的厚度为3mm，弧角为45°。
具体实施例三：
本实施例所述的高效率、高功率密度Halbach阵列无刷直流电机，其包括定子铁心、电枢绕组、转子护套、每极三块永磁体Halbach阵列、磁轭、磁轭支架和转轴。本实施例中定子槽数为24，极对数为2，每极三块Halbach阵列，主磁钢弧角为70°，辅磁钢充磁角为32.4°，磁轭厚度为4mm，铁心垫块厚度为7mm，图4磁轭支架为铸铝，垫块中孔1的厚度为3mm，弧角为45°。
具体实施例四：
本实施例所述的高效率、高功率密度Halbach阵列无刷直流电机，其包括定子铁心、电枢绕组、转子护套、每极三块永磁体Halbach阵列、磁轭、磁轭支架和转轴。本实施例中定子槽数为12，极对数为2，每极三块Halbach阵列，主磁钢弧角为30°，辅磁钢充磁角为15°，磁轭厚度为4mm，铁心垫块厚度为7mm，图4磁轭支架为铸铝，垫块中孔1的厚度为3mm，弧角为45°。

Claims (3)

1.一种高效率、高功率密度Halbach阵列无刷直流电机，包括定子铁心(1)、电枢绕组(2)、转子护套(3)、转子永磁体(4)、磁轭(5)、磁轭支架(6)和转轴(7)，其特征在于定子铁心(1)与转子护套(3)之间存在气隙，磁轭(5)表面有转子永磁体(4)，转子永磁体(4)外面为转子护套(3)，磁轭(5)下为磁轭支架(6)；所述的转子永磁体(4)为分块式Halbach阵列，Halbach阵列采用每极大于等于两块的结构；所述的转子护套(3)采用不导磁高强度材料；所述的磁轭支架(6)采用不导磁材料，对磁轭支架(6)进行打洞处理。
2.根据权利要求1所述的一种高效率、高功率密度Halbach阵列无刷直流电机，其特征在于：当Halbach阵列采用每极两块的结构，性能最优时主磁钢弧角α＝75°～76°。
3.根据权利要求1所述的一种高效率、高功率密度Halbach阵列无刷直流电机，其特征在于：当Halbach阵列采用每极三块的结构，性能最优时主磁钢弧角65°<α<80°，辅磁钢充磁角β＝32～33°。
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