CN109660097A - 一种新型调磁轴向磁通切换Halbach电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型调磁轴向磁通切换Halbach电机，包含定子、第一转子、第二转子、第一调磁环和第二调磁环，第一转子和第二转子与定子同轴设置并且分别设置在定子两侧，第一调磁环设置在定子与第一转子之间，第二调磁环设置在定子与第二转子之间，第一调磁环和第二调磁环与定子同轴设置，第一转子和第二转子分别包含转子轭和若干转子永磁体，若干转子永磁体固定在转子轭侧面并且沿转子轭周向放置，若干转子永磁体采用Halbach充磁方式。本发明集中了轴向磁场永磁电机和磁通切换永磁电机的优点，轴向尺寸小、功率和转矩密度大、效率高。

Description

一种新型调磁轴向磁通切换Halbach电机

技术领域

本发明涉及一种Halbach电机，特别是一种新型调磁轴向磁通切换Halbach电机。

背景技术

随着环境污染和能源短缺问题的日益严重，纯电动汽车由于其零排放污染物质的特性逐渐成为未来新能源汽车发展的主流趋势。电动汽车轮毂电机技术是一种将动力、传动和制动装置全部整合到轮毂内的电机技术，它极大简化了电动车辆的机械部分，增加车内空间，提高整车效率，减少了加速时间。因此，轮毂电机已成为国内外学者、汽车生产厂商研究的热点。比利时学者C. Versele等人提出了一种适合于驱动电动车轮的双转子单定子轴向磁场永磁电机，该轴向磁场永磁电机与传统径向永磁电机相比，具有转矩密度大、重量轻等优点。20世纪80年代美国劳伦斯伯克利国家实验室的Klaus Halbach教授最先提出了Halbach型永磁体阵列概念，并在八、九十年代被许多研究机构相继应用于新一代的粒子加速器、自由电子激光装置、同步辐射装置等高能物理领域。近年来Halbach型永磁体阵列在电机中得到了应用，不仅增强电机的输出转矩，而且降低了损耗提高了效率。因此考虑电动汽车驱动电机的发展趋势，设计一种适用于电动汽车轮毂电机的调磁轴向磁通切换Halbach电机，可以增大电机的转矩/功率密度、拓宽运行范围、提高驱动效率、减小制造和维护成本,有利于推动电动汽车的发展。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种新型调磁轴向磁通切换Halbach电机，增强电机容错性，提高输出转矩及拓宽调速范围。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种新型调磁轴向磁通切换Halbach电机，其特征在于：包含定子、第一转子、第二转子、第一调磁环和第二调磁环，第一转子和第二转子与定子同轴设置并且分别设置在定子两侧，第一调磁环设置在定子与第一转子之间，第二调磁环设置在定子与第二转子之间，第一调磁环和第二调磁环与定子同轴设置，第一转子和第二转子分别包含转子轭和若干转子永磁体，若干转子永磁体固定在转子轭侧面并且沿转子轭周向放置，若干转子永磁体采用Halbach充磁方式。

进一步地，所述定子包含若干定子模块和不导磁隔离环，若干定子模块呈圆环形设置，不导磁隔离环设置在相邻的定子模块端部之间将相邻定子模块之间磁场隔离，每个定子模块包含两个H形定子铁芯、定子永磁体、两个电枢绕组和两组励磁绕组，两个H形定子铁芯首尾设置并且端部留有间隙，定子永磁体固定设置在两个H形定子铁芯间隙之间，两个电枢绕组对称设置在定子模块的两侧，并且每个电枢绕组缠绕在两个H形定子铁芯同一侧的电枢槽内，励磁绕组平行于电枢绕组设置在两个电枢绕组之间并且励磁绕组缠绕在每个H形定子铁芯外侧。

进一步地，所述H形定子铁芯包含铁芯本体和四个定子齿，定子齿齿形为扇形齿、平行齿或梯形齿中的一种，四个定子齿分成两组分别固定在铁芯本体两侧侧面的两端形成对称或不对称H形定子铁芯。

进一步地，所述定子包含若干定子模块和不导磁隔离环，若干定子模块呈圆环形设置，不导磁隔离环设置在相邻的定子模块端部之间将相邻定子模块之间磁场隔离，每个定子模块包含两个H形定子铁芯、定子永磁体、两个电枢绕组和两组励磁绕组，两个H形定子铁芯首尾设置并且端部留有间隙，定子永磁体固定设置在两个H形定子铁芯间隙之间。定子永磁体可以为一种材料或者多种永磁材料串联的组合，当定子永磁体由高矫顽力磁铁和低矫顽力磁铁构成时，励磁绕组变调磁绕组使用。高矫顽力磁铁一侧与低矫顽力磁铁一侧固定连接，高矫顽力磁铁另一侧固定在一个H型定子铁芯一端，低矫顽力磁铁另一侧固定在另一个H型定子铁芯一端，两个电枢绕组对称设置在定子模块的两侧，并且每个电枢绕组缠绕在两个H形定子铁芯同一侧的电枢槽内，调磁绕组平行于电枢绕组设置在两个电枢绕组之间并且励磁绕组缠绕在每个H形定子铁芯外侧。

进一步地，所述定子永磁体沿着定子周向交替充磁。

进一步地，所述若干定子模块的励磁绕组之间相互串联，并且相邻定子模块的两个励磁绕组的励磁方向相反。

进一步地，所述定子模块的数量为6个，不导磁隔离环12个，不导磁隔离环两个一组设置在定子模块之间，其中沿着定子径向相对的两个电枢绕组相互串联构成一相三相绕组，因此径向相对的四个电枢绕组可以构成两套相绕组。

进一步地，所述转子永磁体为12块，组成 Halbach 阵列，由径向充磁磁钢和切向充磁磁钢组成。

进一步地，所述第一调磁环和第二调磁环分别包含碳纤维架和若干调磁齿，碳纤维架为两个环形支架，每个调磁齿的两端分别固定在两个碳纤维架上，若干调磁齿沿碳纤维架周向等间距分布。

进一步地，所述调磁齿为13个。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：本发明的新型调磁轴向磁通切换Halbach电机，集中了轴向磁场永磁电机和磁通切换永磁电机的优点，轴向尺寸小、功率和转矩密度大、效率高；不导磁隔离环的设置对相与相之间的绕组进行了物理隔离、热隔离与磁隔离，降低了相绕组之间的互感，避免了相间短路故障,提高了电机的容错性能；转子采用Halbach充磁方式，增强了聚磁能力，同时可提供更大的扭矩和爬坡能力；放置于相邻H形定子模块和不导磁隔离环间的励磁绕组可对电机磁场进行调节，提高了转矩输出能力和调速范围。

附图说明

图1是本发明的一种新型调磁轴向磁通切换Halbach电机的示意图。

图2是本发明的定子分拆示意图。

图3是本发明的H型定子永磁体实施例1的示意图。

图4是本发明的H型定子永磁体实施例2的示意图。

图5是本发明的定子绕组和励磁绕组示意图。

图6是本发明的励磁绕组连接图。

图7是本发明的一种新型调磁轴向磁通切换Halbach电机的混合励磁磁路示意图。

图8是本发明的一种新型调磁轴向磁通切换Halbach电机的转子充磁方向二维展开示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

如图1和图2所示，本发明的一种新型调磁轴向磁通切换Halbach电机，包含定子3、第一转子1、第二转子5、第一调磁环2和第二调磁环4，第一转子1和第二转子5与定子3同轴设置并且分别设置在定子3两侧，第一调磁环2设置在定子3与第一转子1之间，第二调磁环4设置在定子3与第二转子5之间，第一调磁环2和第二调磁环4与定子3同轴设置，第一转子1和第二转子5分别包含转子轭6和若干转子永磁体7，若干转子永磁体7固定在转子轭6侧面并且沿转子轭6周向放置，若干转子永磁体7采用Halbach充磁方式。

本发明的定子永磁体具有两种实施例，下面分别进行阐述：

实施例1：

如图3所示，定子3包含若干定子模块和不导磁隔离环，若干定子模块呈圆环形设置，不导磁隔离环设置在相邻的定子模块端部之间将相邻定子模块之间磁场隔离，相邻定子模块之间的不导磁隔离环包含左不导磁隔离环11和右不导磁隔离环12，左不导磁隔离环11和右不导磁隔离环12分别设置在间隙的两侧。每个定子模块包含两个H形定子铁芯10、定子永磁体16、17、两组电枢绕组8和励磁绕组9，两个H形定子铁芯10首尾设置并且端部留有间隙，定子永磁体固定设置在两个H形定子铁芯10间隙之间，定子永磁体包含定子左永磁体16和定子右永磁体17，定子左永磁体16和定子右永磁体17分别设置在两个H型定子铁芯10间隙的两侧。两组电枢绕组8对称设置在定子模块的两侧，并且每个电枢绕组8缠绕在两个H形定子铁芯10同一侧的电枢槽18内，励磁绕组9平行于电枢绕组8设置在两个电枢绕组之间并且励磁绕组9缠绕在每个H形定子铁芯外侧。

H形定子铁芯10包含铁芯本体和四个定子齿14，定子齿14齿形为扇形齿、平行齿或梯形齿中的一种，四个定子齿14分成两组分别固定在铁芯本体两侧侧面的两端形成对称或不对称H形定子铁芯。

实施例2：

如图4所示，定子3包含若干定子模块和不导磁隔离环，若干定子模块呈圆环形设置，不导磁隔离环设置在相邻的定子模块端部之间将相邻定子模块之间磁场隔离，相邻定子模块之间的不导磁隔离环包含左不导磁隔离环11和右不导磁隔离环12，左不导磁隔离环11和右不导磁隔离环12分别设置在间隙的两侧。每个定子模块包含两个H形定子铁芯10、定子永磁体、两组电枢绕组8和调磁绕组9，两个H形定子铁芯首尾设置并且端部留有间隙，定子永磁体固定设置在两个H形定子铁芯间隙之间，定子永磁体包含定子左永磁体16和定子右永磁体17，定子左永磁体16和定子右永磁体17分别设置在两个H型定子铁芯10间隙的两侧。定子永磁体由高矫顽力磁铁20和低矫顽力磁铁19构成，高矫顽力磁铁一侧与低矫顽力磁铁一侧固定连接，高矫顽力磁铁另一侧固定在一个H型定子铁芯一端，低矫顽力磁铁另一侧固定在另一个H型定子铁芯一端，两组电枢绕组对称设置在定子模块的两侧，并且每组电枢绕组缠绕在两个H形定子铁芯同一侧的电枢槽18内，调磁绕组平行于电枢绕组设置在两个电枢绕组之间并且励磁绕组缠绕在两个H形定子铁芯外侧。在此种模式下，励磁线圈变为调磁绕组，通过调磁绕组的电流脉冲来改变低矫顽力永磁体的工作特性来实现磁场增强和削弱。

本发明保证磁通切换永磁电机功率密度大、效率高的优点下，提出了适合于直接驱动电动汽车的输出转矩大、转速范围宽和容错能力强的新型调磁轴向磁通切换Halbach电机。定子铁心模块的设计便于安装和大量生产。

不导磁隔离环的设计，增加了相间磁路磁导，减小了电机电枢绕组相邻线圈之间的互感。不导磁隔离环的设计,与相邻定子模块之间的空间可以放置励磁绕组，通过调节励磁电流可以增大输出转矩和拓宽调速范围。

定子永磁体沿着定子周向交替充磁。若干定子模块的励磁绕组9之间相互串联，并且相邻定子模块的两个励磁绕组的励磁方向相反。

定子模块的数量为6个，不导磁隔离环12个，不导磁隔离环两个一组设置在定子模块之间，其中沿着定子径向相对的两个电枢绕组相互串联构成一相三相绕组，因此径向相对的四个电枢绕组可以构成两套相绕组。转子永磁体为12块，组成 Halbach 阵列，由径向充磁磁钢和切向充磁磁钢组成。

第一调磁环和第二调磁环分别包含碳纤维架13和若干调磁齿15，碳纤维架13为两个环形支架，每个调磁齿15的两端分别固定在两个碳纤维架13上，若干调磁齿15沿碳纤维架13周向等间距分布。调磁齿为13个。

新型调磁轴向磁通切换Halbach电机是由两个转子和两个调磁环和一个定子构成的四气隙轴向磁场磁通切换永磁电机，定子如图2所示。每一个定子都是由12个H形定子铁心模块10，12块定子永磁体16、17，12块不导磁隔离环11、12，12个电枢绕组8和12个励磁绕组9组成。H形定子铁心模块10上的4个定子齿14齿形可设计为扇形齿、平行齿或梯形齿，形成对称或不对称H形定子铁心。12个电枢绕组8分别绕在12个永磁体16、17和与之相邻的定子铁心模块10定子齿14上组成2套三相电枢绕组，每套三相电枢绕组中径向相对的两个线圈串联构成一相绕组。这里以A相绕组为例，如图5所示A1和A3是定子左侧径向相对的A相线圈，A2和A4是右侧径向相对的A相线圈，分别将A1和A3相串联、A2和A4相串联，得到电机两套A相绕组，同理得到B相和C相的两套绕组。永磁体16、17沿着圆周方向交替充磁。左永磁体16和右永磁体17之间的空间与相邻左不导磁隔离环11和右不导磁隔离环之间的空间放置励磁绕组9，励磁绕组9围绕定子铁心模块10绕置，12个励磁绕组分别为L1-L12，如图6所示。

调磁环上既没有永磁体又没有线圈，调磁环仅由13个调磁齿和两边的碳纤维钢组成，调磁环齿形设计可为扇形齿、平行齿或梯形齿结构，并且可以采用三次谐波齿来减小齿槽转矩。

如图7所示新型调磁轴向磁通切换Halbach电机主磁路结构和磁场路径。在不导磁隔离环和相邻H形定子铁心模块中放置励磁绕组可调节电机的磁场，图7中实线为永磁磁场方向，虚线为励磁磁场方向，由图7所示当在励磁绕组通入正向励磁电流时，励磁磁场的方向与永磁磁场的方向一致，实现增磁；在励磁绕组中通入反向励磁电流，励磁磁场的方向与永磁磁场的方向相反，实现弱磁。因此，该结构电机可见实现混合励磁。

如图8所示，转子永磁体采用Halbach充磁方式，由径向充磁和切向充磁的12块磁钢组成。

本发明的新型调磁轴向磁通切换Halbach电机，集中了轴向磁场永磁电机和磁通切换永磁电机的优点，轴向尺寸小、功率和转矩密度大、效率高；调磁环结构简单，其上既无永磁体又无绕组，转动惯量小，提高了电机的动态性能；通过加入调磁环结构，避免接触式的传动，减少摩擦和能量损耗；不导磁隔离环的设置对相与相之间的绕组进行了物理隔离、热隔离与磁隔离，降低了相绕组之间的互感，避免了相间短路故障,提高了电机的容错性能；转子采用Halbach充磁方式，增强了聚磁能力，同时可提供更大的扭矩和爬坡能力；放置于相邻H形定子模块和不导磁隔离环间的励磁绕组可对电机磁场进行调节，提高了转矩输出能力和调速范围。

本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种新型调磁轴向磁通切换Halbach电机，其特征在于：包含定子、第一转子、第二转子、第一调磁环和第二调磁环，第一转子和第二转子与定子同轴设置并且分别设置在定子两侧，第一调磁环设置在定子与第一转子之间，第二调磁环设置在定子与第二转子之间，第一调磁环和第二调磁环与定子同轴设置，第一转子和第二转子分别包含转子轭和若干转子永磁体，若干转子永磁体固定在转子轭侧面并且沿转子轭周向放置，若干转子永磁体采用Halbach充磁方式。

2.按照权利要求1所述的一种新型调磁轴向磁通切换Halbach电机，其特征在于：所述定子包含若干定子模块和不导磁隔离环，若干定子模块呈圆环形设置，不导磁隔离环设置在相邻的定子模块端部之间将相邻定子模块之间磁场隔离，每个定子模块包含两个H形定子铁芯、定子永磁体、两个电枢绕组和两组励磁绕组，两个H形定子铁芯首尾设置并且端部留有间隙，定子永磁体固定设置在两个H形定子铁芯间隙之间，两个电枢绕组对称设置在定子模块的两侧，并且每个电枢绕组缠绕在两个H形定子铁芯同一侧的电枢槽内，励磁绕组平行于电枢绕组设置在两个电枢绕组之间并且励磁绕组缠绕在每个H形定子铁芯外侧。

3.按照权利要求2所述的一种新型调磁轴向磁通切换Halbach电机，其特征在于：所述H形定子铁芯包含铁芯本体和四个定子齿，定子齿齿形为扇形齿、平行齿或梯形齿中的一种，四个定子齿分成两组分别固定在铁芯本体两侧侧面的两端形成对称或不对称H形定子铁芯。

4.按照权利要求1所述的一种新型调磁轴向磁通切换Halbach电机，其特征在于：所述定子包含若干定子模块和不导磁隔离环，若干定子模块呈圆环形设置，不导磁隔离环设置在相邻的定子模块端部之间将相邻定子模块之间磁场隔离，每个定子模块包含两个H形定子铁芯、定子永磁体、两个电枢绕组和两组励磁绕组，两个H形定子铁芯首尾设置并且端部留有间隙，定子永磁体固定设置在两个H形定子铁芯间隙之间，定子永磁体可以为一种材料或者多种永磁材料串联的组合，当定子永磁体由高矫顽力磁铁和低矫顽力磁铁构成时，励磁绕组变为调磁绕组使用，高矫顽力磁铁一侧与低矫顽力磁铁一侧固定连接，高矫顽力磁铁另一侧固定在一个H型定子铁芯一端，低矫顽力磁铁另一侧固定在另一个H型定子铁芯一端，两个电枢绕组对称设置在定子模块的两侧，并且每个电枢绕组缠绕在两个H形定子铁芯同一侧的电枢槽内，调磁绕组平行于电枢绕组设置在两个电枢绕组之间并且励磁绕组缠绕在每个H形定子铁芯外侧。

5.按照权利要求2所述的一种新型调磁轴向磁通切换Halbach电机，其特征在于：所述定子永磁体沿着定子周向交替充磁。

6.按照权利要求2所述的一种新型调磁轴向磁通切换Halbach电机，其特征在于：所述若干定子模块的励磁绕组之间相互串联，并且相邻定子模块的两个励磁绕组的励磁方向相反。

7.按照权利要求2所述的一种新型调磁轴向磁通切换Halbach电机，其特征在于：所述定子模块的数量为6个，不导磁隔离环12个，不导磁隔离环两个一组设置在定子模块之间，其中沿着定子径向相对的两个电枢绕组相互串联构成一相三相绕组，因此径向相对的四个电枢绕组可以构成两套相绕组。

8.按照权利要求1所述的一种新型调磁轴向磁通切换Halbach电机，其特征在于：所述转子永磁体为12块，组成 Halbach 阵列，由径向充磁磁钢和切向充磁磁钢组成。

9.按照权利要求1所述的一种新型调磁轴向磁通切换Halbach电机，其特征在于：所述第一调磁环和第二调磁环分别包含碳纤维架和若干调磁齿，碳纤维架为两个环形支架，每个调磁齿的两端分别固定在两个碳纤维架上，若干调磁齿沿碳纤维架周向等间距分布。

10.按照权利要求9所述的一种新型调磁轴向磁通切换Halbach电机，其特征在于：所述调磁齿为13个。