CN110752728B - 一种L型双层Halbach磁通切换永磁电机 - Google Patents

一种L型双层Halbach磁通切换永磁电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种L型双层Halbach磁通切换永磁电机，包括同轴安装的第一转子、定子、第二转子、第一调磁环、第二调磁环。转子括转子轭以及在转子轭侧面沿圆周设置的若干永磁体单元，每个永磁体单元均由两块L型永磁体相对嵌合形成双层Halbach结构，其中一块L型永磁体径向充磁，另一块L型永磁体切向充磁。调磁环均包括沿圆周排列的若干Y型调磁齿以及分别由X型固定支架首尾相连形成的内圈固定环和外圈固定环，内圈固定环和外圈固定环用于固定所述Y型调磁齿。

Description

一种L型双层Halbach磁通切换永磁电机
技术领域
本发明涉及一种L型双层Halbach复合阵列的轴向磁通切换永磁电机，是对传统的轴向磁场永磁电机的改进，属于永磁电机技术领域。
背景技术
能源和环保已成为21世纪经济可持续发展两大瓶颈，大力发展新能源电动车是实现我国能源安全、环境保护及汽车工业可持续发展的重要方向。驱动电机是新能源汽车的核心部件之一，而轴向永磁电机因其具有高转矩/功率密度、优良散热性能和结构紧凑的优点受到广泛关注，且在空间限制要求高的电动汽车场合中，轴向电机具有很大的优势。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。近年来型永磁体阵列在高性能电机领域中的应用研究越来越受到重视，这主要是由于其具有利于提高电机运行性能。Halbach型永磁体阵列不仅可以提高电机的效率，降低空载损耗，而且可以降低电机的电磁力矩脉动，降低对电机轴承的要求，适合作为电动汽车的驱动电机。
中国发明专利2019100163637，一种新型调磁轴向磁通切换Halbach电机，采用同轴设置的单定子双转子结构，定转子之间还分别设有调磁环。其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。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。该电机的缺点为转子Halbach永磁阵列采用传统的单层设置于充磁方式，组合方式比较单一。且调磁齿的齿结构比较简单，可以起到调磁作用，但是不能很好的抑制齿槽转矩。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种L型双层Halbach磁通切换永磁电机，提高了聚磁性能，使其磁链和反电动势正弦度更高，幅值更大，同时减小了齿槽转矩和转矩脉动。
技术方案：一种L型双层Halbach磁通切换永磁电机，包括同轴安装的第一转子、定子、第二转子、第一调磁环、第二调磁环，所述定子位于第一转子和第二转子之间，所述第一调磁环位于第一转子和定子之间，所述第二调磁环位于所述定子与第二转子之间；所述第一转子和第二转子结构相同，均包括转子轭以及在转子轭侧面沿圆周设置的若干永磁体单元，每个永磁体单元均由两块L型永磁体相对嵌合形成双层Halbach结构，其中一块L型永磁体径向充磁，另一块L型永磁体切向充磁；所述第一调磁环和第二调磁环结构相同，均包括沿圆周排列的若干Y型调磁齿以及分别由X型固定支架首尾相连形成的内圈固定环和外圈固定环，所述内圈固定环和外圈固定环用于固定所述Y型调磁齿。
进一步的，所述第一调磁环和第二调磁环中，所述Y型调磁齿间隔设置，各Y型调磁齿开口朝向转子，且Y型调磁齿的中心轴线与电机转轴垂直。
进一步的，所述定子为双层结构，每层包括由H型定子铁心与不导磁隔离环以及定子永磁体依次交替设置构成的定子圆盘，所述定子永磁体沿圆周方向交替充磁，各定子永磁体与两侧的H型定子铁心形成三明治单元，所述三明治单元上跨绕有电枢绕组，所述双层结构之间还设有围绕所述H型定子铁心的励磁绕组；其中，所述H型定子铁心的每个齿上均开有辅助槽。
进一步的，所述定子永磁体为矫顽力不同的两块永磁体串联。
进一步的，所述第一转子和第二转子错开有一定角度安装。
进一步的，所述第一调磁环和第二调磁环错开有一定角度安装。
进一步的，所述Y型调磁齿的三个齿的横截面为梯形、矩形或扇形。
进一步的，所述Y型调磁齿的三个齿的夹角为不同角度。
有益效果：(1)调磁环结构简单，内外层“X”型固定支架使其结构轻盈和更加牢固，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；调磁齿通过定子与转子磁场耦合实现最终同步运行，发生过载时，调磁环与转子之间可随时切断传动关系，降低了损坏电机的风险。从图14的磁链波形可以明显看出，与现有技术相比，本结构可以相同尺寸匝数可以获取更大的磁链幅值。
(2)转子采用L型双层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，降低齿槽转矩和转矩脉动。
附图说明
图1为L型双层Halbach磁通切换永磁电机的整体结构示意图；
图2为定子结构图爆炸图；
图3为H型定子铁心结构示意图；
图4为Y型调磁齿结构示意图；
图5为X型固定支架结构示意图；
图6为L型永磁体结构示意图；
图7为转子Halbach永磁阵列结构示意图；
图8为电枢绕组和励磁绕组结构示意图；
图9为相绕组链接结构示意图；
图10为励磁绕组链接结构示意图；
图11为L型双层Halbach磁通切换永磁电机混合励磁磁路示意图；
图12为L型双层Halbach磁通切换永磁电机转子充磁方向示意图；
图13为永磁体单独作用下的磁场分布图；
图14为对比发明专利2019100163637中电机与本发明电机的磁链波形。
图中有：第一转子1、第一调磁环2、定子3、第二调磁环4、第二转子5、转子轭6、L型永磁体7、电枢绕组8、励磁绕组9、H型定子铁心10、定子齿11、不导磁隔离环12、不导磁隔离环13、定子永磁体14、定子永磁体15、Y型调磁齿16、X型固定支架、A1、A2、A3、A4为电枢绕组线圈、L1～L12为励磁线圈。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1-图7所示，一种L型双层Halbach磁通切换永磁电机，包括同轴安装的第一转子1、定子3、第二转子5、第一调磁环2、第二调磁环4，定子3位于第一转子1和第二转子5之间，第一调磁环2位于第一转子1和定子3之间，第二调磁环4位于所述定子3与第二转子5之间。
第一转子1和第二转子5结构相同，均为凸极结构，均包括转子轭6以及在转子轭6侧面沿圆周设置的若干永磁体7单元，每个永磁体单元均由两块L型永磁体相对嵌合形成双层Halbach结构，转子轭选择导磁材料。第一转子1和第二转子5对称安装或错开有一定角度安装。
第一调磁环2和第二调磁环4结构相同，均包括沿圆周排列的若干Y型调磁齿16以及分别由X型固定支架17首尾相连形成的内圈固定环和外圈固定环，内圈固定环和外圈固定环用于固定Y型调磁齿16。第一调磁环2和第二调磁环4中，Y型调磁齿16间隔设置，各Y型调磁齿16开口朝向转子，且Y型调磁齿16的中心轴线与电机转轴垂直。Y型调磁齿的三个齿可以设计成对称与不对称结构，齿与齿之间的角度也可以设计为不同角度，Y型调磁齿的三个齿的横截面为梯形、矩形或扇形。第一调磁环2和第二调磁环4对称安装或错开有一定角度安装。
定子3为双层结构，每层包括由H型定子铁心10与不导磁隔离环12、13以及定子永磁体14、15依次交替设置构成的定子圆盘，定子永磁体14、15沿圆周方向交替充磁，各定子永磁体14、15与两侧的H型定子铁心10形成三明治单元，三明治单元上跨绕有电枢绕组8。双层结构之间还设有围绕H型定子铁心10的励磁绕组9。其中，H型定子铁心10的每个齿上均开有辅助槽。定子永磁体14、15既可以使用一种永磁材料，也可以采用矫顽力不同的两块永磁体串联，在高矫顽力与低矫顽力永磁体串联的情况下，励磁绕组通过脉冲电流来控制低矫顽力永磁体的工作状态，可实现增磁和弱磁效果。不导磁隔离环选用与电机机壳相同的不导磁材料，且加工生产成与机壳一体，用来固定相邻H型定子铁心10，同时在电机装配过程便于标定。
本实施例中，L型双层Halbach磁通切换永磁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。对于三相电机，每一个定子都是由12个H形定子铁心10，12块定子永磁体14、15，12块不导磁隔离环12、13，12个电枢绕组8和12个励磁绕组9组成。H形定子铁心10上的4个定子齿11，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，同时定子齿上开设辅助槽。调磁齿数为13，转子永磁体单元数目为16。
本发明的电机齿槽转矩定义为电机内部磁能相对于定、转子相对位置角的负导数，表达式为：
Figure GDA0002965371790000041
式中：Tcog为齿槽转矩；W为电机磁场储能；θ为转子齿与永磁体中心线之间的夹角。
对永磁电机的磁动势和气隙磁导进行傅里叶分解，齿槽转矩可看成是场函数和磁动势函数相互作用的结果，其表达式为：
Figure GDA0002965371790000051
式中
Figure GDA0002965371790000052
为场函数，
Figure GDA0002965371790000053
为磁动势，θ为转子齿与永磁体中心线夹角。由上式可知削弱场函数
Figure GDA0002965371790000054
中的谐波分量，可有效减小永磁电机的齿槽转矩。本发明利用辅助槽所产生的谐波来抵消场函数中未开槽时的谐波含量，以此来削减永磁电机齿槽转矩。
如图1、图8所示，12个电枢绕组8分别绕在12个定子永磁体14、15和与之相邻的定子铁心10的定子齿11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。如图9所示，这里以A相绕组为例，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，A相中四个线圈连接二位图如图7所示。定子永磁体14、15沿着圆周方向交替充磁。左永磁体14和右永磁体15之间的空间与相邻左不导磁隔离环12和右不导磁隔离环13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-L12，12个励磁线圈二维展开图的连接方式如图10。
如图11所示，L型双层Halbach磁通切换永磁电机的主磁路结构和磁场路径。在不导磁隔离环和相邻H形定子铁心中放置励磁绕组可调节电机的磁场，图11中实线为永磁磁场方向，虚线为励磁磁场方向，由图11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。
图12所示，转子永磁体采用L型双层Halbach充磁方式，采用两段组合式Halbach阵列，由L型径向充磁磁钢和切向充磁磁钢组成，两种磁钢用量相同。图13为永磁体单独作用下L型双层Halbach磁通切换永磁电机二维展开图的磁力线分布。
本发明L型双层Halbach磁通切换永磁电机，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；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。调磁齿通过定子与转子磁场耦合实现最终同步运行，发生过载时，调磁环与转子之间可随时切断传动关系，降低了损坏电机的风险。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，当电机发生故障时能继续正常工作，提高了电机的容错性能。设计加工时不导磁隔离环可以选择与机壳同种不导磁材料且与机壳加工成一个整体，在安装其他定子部件时起到标定的作用，减少装配过程中的错误。放置于相邻H形定子铁芯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。双转子的传动结构，有利于直驱电动汽车，两个转子直接驱动双轮，减少了传动机构，降低了成本和维修率。
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润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种L型双层Halbach磁通切换永磁电机，其特征在于：包括同轴安装的第一转子(1)、定子(3)、第二转子(5)、第一调磁环(2)、第二调磁环(4)，所述定子(3)位于第一转子(1)和第二转子(5)之间，所述第一调磁环(2)位于第一转子(1)和定子(3)之间，所述第二调磁环(4)位于所述定子(3)与第二转子(5)之间；所述第一转子(1)和第二转子(5)结构相同，均包括转子轭(6)以及在转子轭(6)侧面沿圆周设置的若干永磁体(7)单元，每个永磁体单元均由两块L型永磁体相对嵌合形成双层Halbach结构，其中一块L型永磁体径向充磁，另一块L型永磁体切向充磁；所述第一调磁环(2)和第二调磁环(4)结构相同，均包括沿圆周排列的若干Y型调磁齿(16)以及分别由X型固定支架(17)首尾相连形成的内圈固定环和外圈固定环，所述内圈固定环和外圈固定环用于固定所述Y型调磁齿(16)。
2.根据权利要求1所述的L型双层Halbach磁通切换永磁电机，其特征在于：所述第一调磁环(2)和第二调磁环(4)中，所述Y型调磁齿(16)间隔设置，各Y型调磁齿(16)开口朝向转子，且Y型调磁齿(16)的中心轴线与电机转轴垂直。
3.根据权利要求1或2所述的L型双层Halbach磁通切换永磁电机，其特征在于：所述定子(3)为双层结构，每层包括由H型定子铁心(10)与不导磁隔离环(12、13)以及定子永磁体(14、15)依次交替设置构成的定子圆盘，所述定子永磁体(14、15)沿圆周方向交替充磁，各定子永磁体(14、15)与两侧的H型定子铁心(10)形成三明治单元，所述三明治单元上跨绕有电枢绕组(8)，所述双层结构之间还设有围绕所述H型定子铁心(10)的励磁绕组(9)；其中，所述H型定子铁心(10)的每个齿上均开有辅助槽。
4.根据权利要求3所述的L型双层Halbach磁通切换永磁电机，其特征在于：所述定子永磁体(14、15)为矫顽力不同的两块永磁体串联。
5.根据权利要求1或2所述的L型双层Halbach磁通切换永磁电机，其特征在于：所述第一转子(1)和第二转子(5)错开有一定角度安装。
6.根据权利要求1或2所述的L型双层Halbach磁通切换永磁电机，其特征在于：所述第一调磁环(2)和第二调磁环(4)错开有一定角度安装。
7.根据权利要求1或2所述的L型双层Halbach磁通切换永磁电机，其特征在于：所述Y型调磁齿的三个齿的横截面为梯形、矩形或扇形。
8.根据权利要求1或2所述的L型双层Halbach磁通切换永磁电机，其特征在于：所述Y型调磁齿的三个齿的夹角为不同角度。
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