CN110943557A - 一种Halbach阵列永磁同步电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了Halbach阵列永磁同步电机，包括定子(1)、转子(2)、Halbach阵列永磁体(4)、转轴(5)和电枢绕组(6)；所述转子(2)位于所述定子(1)内，固定在所述转轴(5)上，所述Halbach阵列永磁体(4)设置在所述转子(2)上，所述转子(2)与所述定子(1)之间，所述电枢绕组(6)设置在所述定子(1)上，所述Halbach阵列永磁体(4)的相邻两块永磁体之间设置有相同的隔断(7)。本发明能够降低Halbach阵列永磁体相邻永磁体块的空载气隙磁场畸变，减小电机的转矩脉动。

Description

一种Halbach阵列永磁同步电机

技术领域

本发明涉及电机，具体地，涉及一种Halbach阵列永磁同步电机。

背景技术

Halbach永磁体阵列是指将不同充磁方向的永磁体按照一定规律排列,能够在磁体的一侧汇聚磁力线,而在另一侧消弱磁力线,从而获得比较理想的单边磁场的永磁体排列。Halbach阵列电机是应用Halbach永磁体阵列形成工作磁场的永磁电机，能够减小空载气隙磁场的谐波含量，提高永磁体的利用率，提升电机的功率密度，因而在永磁电机中得到了广泛的应用。

目前的永磁同步电机中单层Halbach永磁体阵列的结构主要有两种，一种是相邻两块永磁体块紧密连接，形成如图1所示的无间隙Halbach永磁体阵列。该种Halbach永磁体阵列每极永磁体分块数越多，电机空载气隙谐波畸变率越小，气隙磁密的径向分量越接近正弦曲线，更有利于降低转矩脉动。另一种是极间隔断Halbach永磁体阵列，如图2所示，每极内部的永磁体块间紧密连接，极间永磁体块之间形成隔断。该种Halbach永磁体阵列通过单片磁钢角度与充磁夹角的配合降低电机空载气隙谐波畸变率，达到转矩性能最优。

现有的对永磁同步电机Halbach永磁体阵列的研究均没有考虑相邻两块永磁体充磁方向的夹角造成的气隙磁场畸变。而该畸变造成的谐波成为除了齿槽效应外的空载气隙磁场谐波的主要部分。永磁体分块越少、极弧宽度越大，该畸变造成的谐波含量越高。气隙磁密的谐波含量增大了转矩脉动，尤其是永磁体分块较少、极弧宽度较大时。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种Halbach阵列永磁同步电机，其永磁体气隙磁场畸变小，电机的转矩脉动小。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种Halbach阵列永磁同步电机，包括定子、转子、Halbach永磁体阵列、转轴和电枢绕组；所述转子位于所述定子内，且固定在所述转轴上，所述Halbach永磁体阵列设置在所述转子上且位于所述转子与所述定子之间，所述电枢绕组设置在所述定子上，所述Halbach永磁体阵列的周向相邻两块永磁体之间设置有相同的隔断间隙。

优选地，所述隔断间隙的隔断圆心角g在0.3°-0.7°之间。在该优选技术方案中，0.3°-0.7°之间的隔断圆心角g既能够降低Halbach永磁体阵列相邻两块永磁体充磁方向的夹角所造成的气隙磁场畸变，又不妨碍Halbach永磁体阵列中各永磁体磁场叠加所形成的单边磁场的磁场强度。

优选地，所述Halbach永磁体阵列的各永磁体均匀贴装在所述转子的表面。通过该优选技术方案，Halbach永磁体阵列的设置较为方便，所形成的单边磁场更接近定子上的电枢绕组，电枢绕组处的磁场强度更高。

优选地，其特征在于，所述Halbach永磁体阵列形成有4对极，所述定子上设置有36个电枢线槽。在该优选技术方案中，4对极的Halbach永磁体阵列与36个电枢线槽的定子相配合的结构，齿槽转矩更小，转矩脉动也就更小，转矩特性更优越，形成的电磁驱动也更稳定。

优选地，每个所述极包括在所述Halbach永磁体阵列中连续分布的3块以上永磁体。通过该优选技术方案，每极设置3块以上的永磁体能够降低所形成的磁场的谐波含量，使得气隙磁场分布接近正弦分布。

进一步优选地，每个所述极包括在所述Halbach永磁体阵列中连续分布的4块永磁体，相邻的两块永磁体的充磁夹角为β＝45°。在该优选技术方案中，每极永磁体数越多，所形成的磁场的谐波含量越少，但加工成本和精度要求越高。每极由4块永磁体形成，磁场中的谐波含量较少，且Halbach永磁体阵列的设置成本也较低。

优选地，所述Halbach永磁体阵列的各永磁体均为钕铁硼永磁体。在该优选技术方案中，钕铁硼永磁体的磁能积在27-50MGOe之间，是目前磁性最高的永磁材料。使用钕铁硼永磁体能够形成更高的磁场强度。

通过上述技术方案，本发明的Halbach阵列永磁同步电机，Halbach永磁体阵列的相邻永磁体之间设置有隔断间隙，降低了由永磁体充磁方向的夹角造成的气隙磁场畸变，降低磁场的谐波含量，使得电机的转矩脉动明显减小。相邻永磁体之间留有隔断间隙，还减小了相邻永磁体之间相互作用的磁力，降低了永磁体的设置难度。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

图1是现有的永磁体块紧密连接的Halbach永磁体阵列示意图；

图2是现有的极间隔断Halbach永磁体阵列示意图；

图3是本发明一个实施例的结构示意图；

图4是本发明一个实施例的气隙磁密径向分量波形图；

图5是本发明一个实施例的永磁体设置示意图。

附图标记说明

1 定子 2 转子

3 气隙 4 Halbach永磁体阵列

5 转轴 6 电枢绕组

7 隔断间隙

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明，应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，本发明的保护范围并不局限于下述的具体实施方式。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的,并不是旨在限制本发明的保护范围。

如图3所示，本发明的Halbach阵列永磁同步电机的一个实施例包括定子1、转子2、Halbach永磁体阵列4、转轴5和电枢绕组6。转子2固定在转轴5上，能够随转轴5一起在定子1内转动。Halbach永磁体阵列4设置在转子2上，且位于转子2与定子1之间。当转子2在定子1内转动时，能够带动Halbach永磁体阵列4在定子1内转动。在Halbach永磁体阵列4和定子1之间留有气隙3，方便Halbach永磁体阵列4与定子1之间的相对转动。Halbach永磁体阵列4包括多个充磁方向不同的永磁体，多个永磁体组成分段式内转子结构Halbach阵列，以使得Halbach永磁体阵列4磁场在Halbach永磁体阵列4内侧相互抵消，而在Halbach永磁体阵列4的外侧相互加强。与传统的Halbach阵列的相邻两块永磁体块紧密连接或者仅在极间永磁体块之间形成隔断不同，在本发明的Halbach阵列永磁同步电机中，Halbach永磁体阵列4的各周向相邻的永磁体之间设置有隔断间隙7。隔断间隙7使得Halbach永磁体阵列4的各个永磁体不再紧密连接。因而降低了因相邻两块永磁体充磁方向的夹角造成的气隙磁场畸变。Halbach永磁体阵列4可以通过粘贴、镶嵌或者夹持等多种可能的方式设置在转子2上，各相邻永磁体之间的隔断间隙7也降低了相邻永磁体之间的作用力，使得各永磁体的设置更加容易。定子1上开设有多个电枢线槽，多组电枢绕组6设置在电枢线槽内，以驱动转子2转动。

在本发明的一些实施例中，如图5所示，隔断间隙7的隔断圆心角g在0.3°-0.7°之间。隔断间隙7的设置降低了Halbach永磁体阵列4的相邻两块永磁体充磁方向夹角所造成的气隙磁场畸变，使得Halbach永磁体阵列4的强侧磁场更接近理想的正弦分布，但隔断间隙7的存在又占用了Halbach永磁体阵列4中永磁体的分布空间，会对永磁体的磁场叠加所形成的单边磁场的磁场强度产生影响。隔断圆心角g的大小还与本发明的Halbach永磁同步电机的体积有关，额定功率较大的电机体积相对较大，可采用更大的隔断圆心角g。隔断间隙7采用0.3°-0.7°的隔断圆心角g时能够在抑制气隙磁场畸变的同时减少对磁场强度的影响。

在本发明的一些实施例中，Halbach永磁体阵列4的安装方式为使用磁体胶将Halbach永磁体阵列4的各永磁体均匀贴装在转子2的表面。磁体胶可以使用HR-518、QIS-3008L等氰基丙稀酸酯胶水。该安装方式形成的表贴式电机气隙磁场可控性好，转矩平顺。各永磁体的大小相同，永磁体之间的隔断间隙的隔断圆心角g相等，Halbach永磁体阵列4外侧的磁场强度分别也更均匀。

在本发明的一些实施例中，如图5所示，Halbach永磁体阵列4形成有4对、8个极。每个极由充磁方向按相同方向、相同角度旋转的一组永磁体组成，形成Halbach永磁体阵列4外侧磁场正弦分布的半个波长。与4对极的Halbach永磁体阵列4相对应，定子1上设置了36个电枢线槽。36个电枢线槽在定子1上均匀分布。当然，在本发明的Halbach永磁同步电机中可以采用2、4、6、8、10等不同的极对数的Halbach永磁体阵列4，不同的极对数可以与定子1上不同数目的电枢线槽相对应形成稳定的电磁驱动。其中4对极的Halbach永磁体阵列4与36个电枢线槽的定子相配合，电机的转矩脉动更小，转矩特性也更优越。

在本发明的一些实施例中，每个极包括由在Halbach永磁体阵列4中连续分布的3块以上永磁体形成。Halbach永磁体阵列4中形成每个极的永磁体数量越多，所形成的外侧磁场的谐波含量越低，气隙磁场分布也越接近理想的正弦分布。同样，Halbach永磁体阵列4中形成每个极的永磁体数量越多，Halbach永磁体阵列4的设置也越困难，永磁体的加工和设置成本也越高。3块以上永磁体已经能够形成可以接受的气隙磁场分布。

作为本发明的一种实施方式，如图5所示，Halbach永磁体阵列4中的每个极包括在Halbach永磁体阵列4中连续分布的4块永磁体形成，其中相邻的两块永磁体的充磁夹角为β＝45°。在本发明的Halbach永磁同步电机的实施例中，Halbach永磁体阵列4通常采用3至6块连续分布的永磁体形成一个极，其中，每个极由4块永磁体组成的实施方式设置简单，形成的较为接近正弦的气隙磁场分布，实施效果也更好。同样，相邻的两块永磁体之间的充磁夹角β也可以有所差别，但各相邻的两块永磁体之间具有相同的充磁夹角β时Halbach永磁体阵列4产生的外侧磁场更接近正弦分布，电机的旋转稳定性也更高。本实施方式所形成的气隙磁密的径向分量的波形如图4所示。

在本发明的一些实施例中，组成Halbach永磁体阵列4的各永磁体均采用钕铁硼永磁体。形状、大小相同的钕铁硼永磁体形成不同的充磁方向，按设计顺序设置在转子2上，形成符合要求的Halbach永磁体阵列4。钕铁硼永磁体以其超高的磁能积在Halbach永磁体阵列4的外侧形成更高的磁场强度。

通过上述技术方案，本发明的Halbach阵列永磁同步电机，Halbach永磁体阵列的永磁体之间隔断间隙的设置，降低了由永磁体充磁方向的夹角造成的气隙磁场畸变，降低磁场的谐波含量，使得Halbach永磁体阵列外侧的气隙磁场分布更接近正弦分布(如图4所示)，电机的转矩脉动明显减小。Halbach永磁体阵列的永磁体之间设置有隔断间隙，减小了永磁体之间的磁力作用，降低了永磁体的安装难度。Halbach永磁体阵列的永磁体的优选设置方式在控制Halbach永磁体阵列设置成本的基础上进一步减小了气隙磁场畸变，保证了电机的平稳运行。

在本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“一种实施方式”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本发明中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种Halbach阵列永磁同步电机，包括定子(1)、转子(2)、Halbach永磁体阵列(4)、转轴(5)和电枢绕组(6)；所述转子(2)位于所述定子(1)内，且固定在所述转轴(5)上，所述Halbach永磁体阵列(4)设置在所述转子(2)上且位于所述转子(2)与所述定子(1)之间，所述电枢绕组(6)设置在所述定子(1)上，其特征在于，所述Halbach永磁体阵列(4)的周向相邻两块永磁体之间设置有隔断间隙(7)。

2.根据权利要求1所述的Halbach阵列永磁同步电机，其特征在于，所述隔断间隙(7)的隔断圆心角g在0.3°-0.7°之间。

3.根据权利要求1所述的Halbach阵列永磁同步电机，其特征在于，所述Halbach永磁体阵列(4)的各永磁体均匀贴装在所述转子(2)的表面。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的Halbach阵列永磁同步电机，其特征在于，所述Halbach永磁体阵列(4)形成有4对极，所述定子(1)上设置有36个电枢线槽。

5.根据权利要求4所述的Halbach阵列永磁同步电机，其特征在于，每个所述极包括在所述Halbach永磁体阵列(4)中连续分布的3块以上永磁体。

6.根据权利要求5所述的Halbach阵列永磁同步电机，其特征在于，每个所述极包括在所述Halbach永磁体阵列(4)中连续分布的4块永磁体。

7.根据权利要求4所述的Halbach阵列永磁同步电机，其特征在于，所述Halbach永磁体阵列(4)的各永磁体均为钕铁硼永磁体。

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