CN112332573A - 减少漏磁的Halbach永磁阵列结构及其应用 - Google Patents

减少漏磁的Halbach永磁阵列结构及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种减少漏磁的Halbach永磁阵列结构，包括Halbach永磁阵列本体、碳纤维保护套和Fe基软磁复合材料；Halbach永磁阵列本体由多个径向充磁永磁体和多个切向充磁永磁体交替排列组合而成；Halbach永磁阵列本体的外表面由一个聚磁面和多个蔽磁面组成；聚磁面上包覆有碳纤维保护套；蔽磁面上包覆有碳纤维保护套，碳纤维保护套上固定有Fe基软磁复合材料。本发明采用碳纤维保护套和Fe基软磁复合材料包覆，大大减少了漏磁，甚至能够完全消除漏磁。Fe基软磁复合材料的设置能够使气隙区域处的磁感应强度增强。本发明Halbach永磁阵列结构能够应用在径向永磁轴承和盘式无铁芯双边永磁电机中。

Description

减少漏磁的Halbach永磁阵列结构及其应用
技术领域
本发明涉及动力装备的推进和驱动技术领域，尤其是涉及一种减少漏磁的Halbach永磁阵列结构及其应用。
背景技术
Halbach永磁阵列由径向充磁和切向充磁的永磁体交替排列组成，形成充磁方向连续均匀变化的阵列。通过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，而在另一侧减弱磁力线，从而使得永磁体的磁场能量最大的集中在所需要的气隙中。由于Halbach阵列具有以上显著优势，在径向永磁轴承、盘式永磁电机、磁悬浮列车等场合具有很好的应用前景。
径向永磁轴承是一种利用磁场力将转子与轴承承载表面分离的非接触式轴承，具有无摩擦、无磨损和无需润滑等优点，但单一方向充磁的永磁体易产生退磁，其构成的轴承所提供的磁力较弱，因此，将Halbach阵列应用于径向永磁轴承中能有效地增强永磁体的承载能力。盘式永磁电机功率密度高，体积小，结构紧凑，重量轻，振动噪声小，低速下运行平稳、高效，应用于航天飞行器、风力发电、电动汽车和手持电动工具等场合。Jacek F.Gieras等学者首先将Halbach型永磁体阵列应用于盘式无铁心永磁电机中，能够得到非常接近正弦的气隙磁密，明显提高了电机的效率和功率密度[见文献：J F Gieras，I AGieras.Performance Analysis of a Coreless Permanent Magnet Brushless Motor[C].Industry Applications Conference，37th IAS Annual Meeting，2002:2477-2482]。
综上，Halbach阵列的大部分磁力线集中在气隙中，可提高磁通利用率，但Halbach永磁阵列漏磁较多，导致永磁体利用率降低；在研究损耗和动态特性时，均忽略了其端部效应，导致计算结果精度不高，因此要降低损耗并提高动态特性就需要寻找高电阻率磁性材料；对于旋转部件，特别是高速运行下离心力对永磁体强度提出了更高的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种减少漏磁的Halbach永磁阵列结构，解决了现有Halbach永磁阵列结构在实际工业应用中结构强度差和漏磁严重的问题。
本发明的另一个目的是提供上述Halbach永磁阵列结构的应用。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
减少漏磁的Halbach永磁阵列结构，包括Halbach永磁阵列本体、碳纤维保护套和Fe基软磁复合材料；Halbach永磁阵列本体由多个径向充磁永磁体和多个切向充磁永磁体交替排列组合而成；Halbach永磁阵列本体的外表面由一个聚磁面和多个蔽磁面组成；聚磁面上包覆有碳纤维保护套；蔽磁面上包覆有碳纤维保护套，碳纤维保护套上固定有Fe基软磁复合材料。
当径向充磁永磁体和切向充磁永磁体为长方体时，Halbach永磁阵列本体为长方体；长方体Halbach永磁阵列本体的表面由上表面、下表面、左表面、右表面、前表面和后表面组成。Halbach永磁阵列本体的下表面为聚磁面，下表面包覆有碳纤维保护套；Halbach永磁阵列本体的其它五个表面为蔽磁面，其它五个表面上包覆有碳纤维保护套，碳纤维保护套上固定有Fe基软磁复合材料。或者，Halbach永磁阵列本体的上表面为聚磁面，上表面包覆有碳纤维保护套；Halbach永磁阵列本体的其它五个表面为蔽磁面，其它五个表面上包覆有碳纤维保护套，碳纤维保护套上固定有Fe基软磁复合材料。其中，径向充磁永磁体的径向充磁方向指向Halbach永磁阵列本体的上表面或下表面，切向充磁永磁体的切向充磁方向指向Halbach永磁阵列本体的左表面或右表面。
当径向充磁永磁体和切向充磁永磁体为圆环体时，Halbach永磁阵列本体呈圆筒状；圆筒状Halbach永磁阵列本体的表面由外圆周面、内圆周面、左环形侧面和右环形侧面组成。Halbach永磁阵列本体的外圆周面为聚磁面，外圆周面上包覆有碳纤维保护套；Halbach永磁阵列本体的其它三个表面为蔽磁面，其它三个表面上包覆有碳纤维保护套，碳纤维保护套上固定有Fe基软磁复合材料。或者，Halbach永磁阵列本体的内圆周面为聚磁面，内圆周面上包覆有碳纤维保护套；Halbach永磁阵列本体的其它三个表面为蔽磁面，其它三个表面上包覆有碳纤维保护套，碳纤维保护套上固定有Fe基软磁复合材料。
当径向充磁永磁体和切向充磁永磁体为扇形体时，Halbach永磁阵列本体呈圆环状；圆环状Halbach永磁阵列本体的表面由上环形表面、下环形表面、外圆周面和内圆周面组成。Halbach永磁阵列本体的下环形表面为聚磁面，下环形表面包覆有碳纤维保护套；Halbach永磁阵列本体的其它三个表面为蔽磁面，其它三个表面上包覆有碳纤维保护套，碳纤维保护套上固定有Fe基软磁复合材料。或者，Halbach永磁阵列本体的上环形表面为聚磁面，上环形表面包覆有碳纤维保护套；Halbach永磁阵列本体的其它三个表面为蔽磁面，其它三个表面上包覆有碳纤维保护套，碳纤维保护套上固定有Fe基软磁复合材料。径向充磁永磁体的径向充磁方向指向Halbach永磁阵列本体的上环形表面或下环形表面。
其中，Fe基软磁复合材料的厚度为0.5～1mm。
再者，径向充磁永磁体和切向充磁永磁体为钕铁硼永磁材料。
进一步地，Halbach永磁阵列结构应用于径向永磁轴承上。
进一步地，Halbach永磁阵列结构应用于盘式无铁芯双边永磁电机上。
本发明的有益效果是:
1.本发明Halbach永磁阵列结构采用碳纤维保护套和Fe基软磁复合材料包覆，提高了Halbach永磁阵列结构的强度，同时大大减少了漏磁，甚至能够完全消除漏磁。
2.Fe基软磁复合材料的设置能够使两个Halbach永磁阵列结构之间气隙区域处的磁感应强度增强，且气隙区域处的磁感应强度较为稳定。
3.本发明Halbach永磁阵列结构能够应用在径向永磁轴承和盘式无铁芯双边永磁电机中。
附图说明
图1是本发明实施例1中，长方体Halbach永磁阵列本体的下表面为聚磁面时，Halbach永磁阵列结构的立体图；
图2是图1的A-A剖面图；
图3是图2所示Halbach永磁阵列结构的磁力线分布图；
图4是对比试验(一)第Ⅰ组中Halbach永磁阵列本体的结构示意图；
图5是图4所示Halbach永磁阵列本体的磁力线分布图；
图6是对比试验(一)第Ⅱ组中Halbach永磁阵列本体上仅包覆碳纤维保护套的结构示意图；
图7是图6所示Halbach永磁阵列结构的磁力线分布图；
图8是本发明实施例2中Halbach永磁阵列本体的结构示意图；
图9是本发明实施例2中第一圆筒状Halbach永磁阵列结构的结构示意图；
图10是图9的B-B剖面图；
图11是本发明实施例2中第二圆筒状Halbach永磁阵列结构的结构示意图；
图12是图11的C-C剖面图；
图13是本发明实施例2所述Halbach永磁阵列结构安装在第一转子上的主视图；
图14是图13的D向视图；
图15是图14的E-E剖面图；
图16是图15所示第一圆筒状Halbach永磁阵列结构和第二圆筒状Halbach永磁阵列结构安装在第一转子上时，第一圆筒状Halbach永磁阵列结构和第二圆筒状Halbach永磁阵列结构之间的磁力线分布图；
图17是对比试验(二)第Ⅴ组中，两个Halbach永磁阵列结构(对比Ⅴ)安装在第一转子上的结构示意图；
图18是对比试验(二)第Ⅴ组中，两个Halbach永磁阵列结构(对比Ⅴ)安装在第一转子上时，两个Halbach永磁阵列结构(对比Ⅴ)之间的磁力线分布图；
图19是对比试验(二)中，第Ⅳ组和第Ⅴ组的磁感应强度与聚磁距离的关系曲线图；
图20是本发明实施例3中Halbach永磁阵列本体的结构示意图；
图21是本发明实施例3中第一圆环状Halbach永磁阵列结构的结构示意图；
图22是图21的F-F剖面图；
图23是本发明实施例3中第二圆环状Halbach永磁阵列结构的结构示意图；
图24是图23的G-G剖面图；
图25是本发明实施例3所述Halbach永磁阵列结构安装在盘式无铁芯双边永磁电机上的结构示意图；
图26是本发明实施例3中Halbach永磁阵列结构安装在盘式无铁芯双边永磁电机上时，第一圆环状Halbach永磁阵列结构、两层线圈绕组和第二圆环状Halbach永磁阵列结构的立体图；
图27是图26的主视图；
图28是图27所示第一圆环状Halbach永磁阵列结构、两层线圈绕组和第二圆环状Halbach永磁阵列结构之间的磁力线分布图；
图29是对比试验(三)第Ⅶ组中，两个Halbach永磁阵列结构(对比Ⅶ)安装在盘式无铁芯双边永磁电机上的结构示意图；
图30是对比试验(三)第Ⅶ组中，Halbach永磁阵列结构(对比Ⅶ)安装在盘式无铁芯双边永磁电机上时，两个Halbach永磁阵列结构(对比Ⅶ)充磁永磁体的排列方式图；
图31是图30所示两个Halbach永磁阵列结构(对比Ⅶ)与两层线圈绕组之间的磁力线分布图；
图32是对比试验(三)中，第Ⅵ组和第Ⅶ组的磁感应强度与聚磁距离的关系曲线图。
图中，1.Halbach永磁阵列本体；2.碳纤维保护套；3.Fe基软磁复合材料；4.径向充磁永磁体；5.切向充磁永磁体；6.第一圆筒状Halbach永磁阵列结构；7.第二圆筒状Halbach永磁阵列结构；8.第一转子；9.气隙；10.第一圆环状Halbach永磁阵列结构；11.第二圆环状Halbach永磁阵列结构；12.转轴；13.第二转子；14.第三转子；15.套筒；16.线圈绕组；17.环氧树脂环。
具体实施方式
本发明提供一种减少漏磁的Halbach永磁阵列结构，包括Halbach永磁阵列本体1、碳纤维保护套2和Fe基软磁复合材料3。Halbach永磁阵列本体1由多个径向充磁永磁体4和多个切向充磁永磁体5交替排列组合而成。Halbach永磁阵列本体1的外表面由一个聚磁面和多个蔽磁面组成；聚磁面上包覆有碳纤维保护套2；蔽磁面上包覆有碳纤维保护套2，碳纤维保护套2上固定有Fe基软磁复合材料3。
其中，Fe基软磁复合材料3的厚度为0.5～1mm；径向充磁永磁体4和切向充磁永磁体5为钕铁硼永磁材料。
Fe基软磁复合材料3的制备方法详见发明专利ZL201510621353.8，《高强度软磁复合材料的制备方法及应用》，该发明专利的公开号为CN105132786A，公开日为2015年12月09日，专利权人为：西安科技大学。本发明所提到的Fe基软磁复合材料3与ZL201510621353.8专利所记载的高强度软磁复合材料为同一物质。
下面通过具体实施例对本发明Halbach永磁阵列结构进行详细说明：
实施例1
如图1和图2所示，本发明提供一种减少漏磁的Halbach永磁阵列结构，包括Halbach永磁阵列本体1、碳纤维保护套2和Fe基软磁复合材料3。Halbach永磁阵列本体1由4个长方体径向充磁永磁体4和5个长方体切向充磁永磁体5交替排列组合而成；Halbach永磁阵列本体1为长方体；Halbach永磁阵列本体1的表面由上表面、下表面、左表面、右表面、前表面和后表面组成；径向充磁永磁体4和切向充磁永磁体5为钕铁硼永磁材料。
Fe基软磁复合材料3设置在长方体Halbach永磁阵列本体1上有两种情况：(1)如图1和图2所示，Halbach永磁阵列本体1的下表面为聚磁面，下表面包覆有碳纤维保护套2；Halbach永磁阵列本体1的其它五个表面为蔽磁面，其它五个表面包覆有碳纤维保护套2，碳纤维保护套2上固定有Fe基软磁复合材料3。也就是说，Halbach永磁阵列本体1的六个表面都包覆有碳纤维保护套2；Halbach永磁阵列本体1下表面的碳纤维保护套2上没有固定Fe基软磁复合材料3，而其它五个表面的碳纤维保护套2上固定有Fe基软磁复合材料3。(2)Halbach永磁阵列本体1的上表面为聚磁面，上表面包覆有碳纤维保护套2；Halbach永磁阵列本体1的其它五个表面为蔽磁面，其它五个表面上包覆有碳纤维保护套2，碳纤维保护套2上固定有Fe基软磁复合材料3。也就是说，Halbach永磁阵列本体1的六个表面都包覆有碳纤维保护套2；Halbach永磁阵列本体1上表面的碳纤维保护套2上没有固定Fe基软磁复合材料3，而其它五个表面的碳纤维保护套2上固定有Fe基软磁复合材料3。
其中，径向充磁永磁体4向上的径向充磁方向(图2中向上的纵向箭头)指向Halbach永磁阵列本体1的上表面；径向充磁永磁体4向下的径向充磁方向(图2中向下的纵向箭头)指向Halbach永磁阵列本体1的下表面；切向充磁永磁体5向左的切向充磁方向(图2中向左的横向箭头)指向Halbach永磁阵列本体1的左表面；切向充磁永磁体5向右的切向充磁方向(图2中向右的横向箭头)指向Halbach永磁阵列本体1的右表面。
Fe基软磁复合材料3的厚度为0.5～1mm。碳纤维采用的是日本东丽公司生产的类型为T700G产品。
实施例1中图1和图2所示Halbach永磁阵列结构的磁力线分布如图3所示，可以看出：该Halbach永磁阵列结构下侧的磁力线增强，上侧、左侧及右侧没有漏磁。
实施例2
本发明提供一种减少漏磁的Halbach永磁阵列结构，包括Halbach永磁阵列本体1、碳纤维保护套2和Fe基软磁复合材料3。Halbach永磁阵列本体1由4个圆环体径向充磁永磁体4和5个圆环体切向充磁永磁体5交替排列组合而成；Halbach永磁阵列本体1呈圆筒状，如图8所示；径向充磁永磁体4和切向充磁永磁体5为钕铁硼永磁材料。圆筒状Halbach永磁阵列本体1的表面由外圆周面、内圆周面、左环形侧面和右环形侧面组成。
本实施例Halbach永磁阵列结构有两种，分别是第一圆筒状Halbach永磁阵列结构6和第二圆筒状Halbach永磁阵列结构7。
第一圆筒状Halbach永磁阵列结构6的具体结构为：如图9和图10所示，圆筒状Halbach永磁阵列本体1的内圆周面为聚磁面，内圆周面上包覆有碳纤维保护套2；Halbach永磁阵列本体1的其它三个表面为蔽磁面，其它三个表面上包覆有碳纤维保护套2，碳纤维保护套2上固定有Fe基软磁复合材料3；也就是说，Halbach永磁阵列本体1的四个表面都包覆有碳纤维保护套2；Halbach永磁阵列本体1内圆周面上的碳纤维保护套2上没有固定Fe基软磁复合材料3，而其它三个表面的碳纤维保护套2上固定有Fe基软磁复合材料3。
第二圆筒状Halbach永磁阵列结构7的具体结构为：如图11和图12所示，圆筒状Halbach永磁阵列本体1的外圆周面为聚磁面，外圆周面上包覆有碳纤维保护套2；Halbach永磁阵列本体1的其它三个表面为蔽磁面，其它三个表面上包覆有碳纤维保护套2，碳纤维保护套2上固定有Fe基软磁复合材料3；也就是说，Halbach永磁阵列本体1的四个表面都包覆有碳纤维保护套2；Halbach永磁阵列本体1外圆周面上的碳纤维保护套2上没有固定Fe基软磁复合材料3，而其它三个表面的碳纤维保护套2上固定有Fe基软磁复合材料3。
Fe基软磁复合材料3的厚度为0.5～1mm。碳纤维采用的是日本东丽公司生产的类型为T700G产品。
如图13、图14和图15所示，将本发明实施例2所述的Halbach永磁阵列结构安装在径向永磁轴承上，具体结构如下：
径向永磁轴承包括第一转子8，第一转子8上套有第二圆筒状Halbach永磁阵列结构7，且第一转子8与第二圆筒状Halbach永磁阵列结构7的内圆周面固定粘接；第二圆筒状Halbach永磁阵列结构7的外侧还套有第一圆筒状Halbach永磁阵列结构6，第一圆筒状Halbach永磁阵列结构6的聚磁面朝向第二圆筒状Halbach永磁阵列结构7的聚磁面；第一圆筒状Halbach永磁阵列结构6与第二圆筒状Halbach永磁阵列结构7之间留有气隙9。当第一转子8转动时，第二圆筒状Halbach永磁阵列结构7随着第一转子8一起转动，第一圆筒状Halbach永磁阵列结构6不随第一转子8转动。
如图15所示，第一圆筒状Halbach永磁阵列结构6和第二圆筒状Halbach永磁阵列结构7安装在第一转子8上时，第一圆筒状Halbach永磁阵列结构6的径向充磁永磁体4与第二圆筒状Halbach永磁阵列结构7的径向充磁永磁体4纵向对齐，且第一圆筒状Halbach永磁阵列结构6径向充磁永磁体4的充磁方向(图15中纵向箭头所指)与第二圆筒状Halbach永磁阵列结构7径向充磁永磁体4的充磁方向(图15中纵向箭头所指)相反。第一圆筒状Halbach永磁阵列结构6的切向充磁永磁体5与第二圆筒状Halbach永磁阵列结构7的切向充磁永磁体5纵向对齐，且第一圆筒状Halbach永磁阵列结构6切向充磁永磁体5的充磁方向(图15中横向箭头所指)与第二圆筒状Halbach永磁阵列结构7切向充磁永磁体5的充磁方向(图15中横向箭头所指)一致。
第一圆筒状Halbach永磁阵列结构6和第二圆筒状Halbach永磁阵列结构7安装在第一转子8上得到的磁力线分布如图16所示，可以看出：第一圆筒状Halbach永磁阵列结构6的三个蔽磁面处没有漏磁；第二圆筒状Halbach永磁阵列结构7的三个蔽磁面处没有漏磁。
实施例3
本发明提供一种减少漏磁的Halbach永磁阵列结构，包括Halbach永磁阵列本体1、碳纤维保护套2和Fe基软磁复合材料3。Halbach永磁阵列本体1由8个扇形体径向充磁永磁体4和8个扇形体切向充磁永磁体5交替排列组合而成；Halbach永磁阵列本体1呈圆环状，如图20所示；径向充磁永磁体4和切向充磁永磁体5为钕铁硼永磁材料。圆环状Halbach永磁阵列本体1的表面由上环形表面、下环形表面、外圆周面和内圆周面组成。
本实施例Halbach永磁阵列结构有两种，分别是第一圆环状Halbach永磁阵列结构10和第二圆环状Halbach永磁阵列结构11。
第一圆环状Halbach永磁阵列结构10的具体结构为：如图21和图22所示，圆环状Halbach永磁阵列本体1的下环形表面为聚磁面，下环形表面上包覆有碳纤维保护套2；Halbach永磁阵列本体1的其它三个表面为蔽磁面，其它三个表面上包覆有碳纤维保护套2，碳纤维保护套2上固定有Fe基软磁复合材料3。也就是说，Halbach永磁阵列本体1的四个表面都包覆有碳纤维保护套2；Halbach永磁阵列本体1下环形表面的碳纤维保护套2上没有固定Fe基软磁复合材料3，而其它三个表面的碳纤维保护套2上固定有Fe基软磁复合材料3。
第二圆环状Halbach永磁阵列结构11的具体结构为：如图23和图24所示，圆环状Halbach永磁阵列本体1的上环形表面为聚磁面，上环形表面上包覆有碳纤维保护套2；Halbach永磁阵列本体1的其它三个表面为蔽磁面，其它三个表面上包覆有碳纤维保护套2，碳纤维保护套2上固定有Fe基软磁复合材料3。也就是说，Halbach永磁阵列本体1的四个表面都包覆有碳纤维保护套2；Halbach永磁阵列本体1上环形表面的碳纤维保护套2上没有固定Fe基软磁复合材料3，而其它三个表面的碳纤维保护套2上固定有Fe基软磁复合材料3。
其中，径向充磁永磁体4向上的径向充磁方向(图20中向上的纵向箭头)指向Halbach永磁阵列本体1的上环形表面；径向充磁永磁体4向下的径向充磁方向(图20中向下的纵向箭头)指向Halbach永磁阵列本体1的下环形表面。切向充磁永磁体5向左或向右的切向充磁方向指向Halbach永磁阵列本体1的圆周方向，如图20所示。
Fe基软磁复合材料3的厚度为0.5～1mm。碳纤维采用的是日本东丽公司生产的类型为T700G产品。
如图25所示，将本发明实施例3所述的Halbach永磁阵列结构安装在盘式无铁芯双边永磁电机上，具体结构为：
盘式无铁芯双边永磁电机包括转轴12、第二转子13、第三转子14、套筒15、两层线圈绕组16和环氧树脂环17。转轴12上套有第二转子13、第三转子14和套筒15；第二转子13与转轴12为过盈配合，第三转子14与转轴12为过盈配合，套筒15空套在转轴12上。第二转子13和第三转子14呈上下结构套在转轴12上，套筒15位于第二转子13和第三转子14之间。套筒15与盘式无铁芯双边永磁电机的外壳为一体结构，套筒15上套有环氧树脂环17，环氧树脂环17固定在套筒15上，环氧树脂环17的上表面固定有上层线圈绕组16，环氧树脂环17的下表面固定有下层线圈绕组16。本发明第一圆环状Halbach永磁阵列结构10粘接在第二转子13的下表面，本发明第二圆环状Halbach永磁阵列结构11粘接在第三转子14的上表面。两层线圈绕组16位于第一圆环状Halbach永磁阵列结构10和第二圆环状Halbach永磁阵列结构11之间，如图25和图26所示。第一圆环状Halbach永磁阵列结构10的聚磁面朝向上层线圈绕组16，第一圆环状Halbach永磁阵列结构10与上层线圈绕组16之间形成上层气隙9；第二圆环状Halbach永磁阵列结构11的聚磁面朝向下层线圈绕组16，第二圆环状Halbach永磁阵列结构11与下层线圈绕组16之间形成下层气隙9。转轴12转动时带动第二转子13、第一圆环状Halbach永磁阵列结构10、第三转子14和第二圆环状Halbach永磁阵列结构11一起转动，而环氧树脂环17和两层线圈绕组16是不动的。
如图27所示，第一圆环状Halbach永磁阵列结构10和第二圆环状Halbach永磁阵列结构11安装在盘式无铁芯双边永磁电机上时，第一圆环状Halbach永磁阵列结构10的径向充磁永磁体4与第二圆环状Halbach永磁阵列结构11的径向充磁永磁体4纵向对齐，且第一圆环状Halbach永磁阵列结构10径向充磁永磁体4的充磁方向(图27中纵向箭头所指)与第二圆环状Halbach永磁阵列结构11径向充磁永磁体4的充磁方向(图27中纵向箭头所指)相反。第一圆环状Halbach永磁阵列结构10的切向充磁永磁体5与第二圆环状Halbach永磁阵列结构11的切向充磁永磁体5纵向对齐，且第一圆环状Halbach永磁阵列结构10切向充磁永磁体5的充磁方向(图27中横向箭头所指)与第二圆环状Halbach永磁阵列结构11切向充磁永磁体5的充磁方向(图27中横向箭头所指)一致。
第一圆环状Halbach永磁阵列结构10和第二圆环状Halbach永磁阵列结构11安装在盘式无铁芯双边永磁电机上时，给线圈通电，电流方向由内向外或由外向内，绕组设计为3相Y接法的单层波绕组，额定电流为22A，得到的磁力线分布如图28所示，可以看出：第一圆环状Halbach永磁阵列结构10的上侧没有漏磁；第二圆环状Halbach永磁阵列结构11的下侧没有漏磁；第一圆环状Halbach永磁阵列结构10左侧和第二圆环状Halbach永磁阵列结构11左侧有少量的漏磁；第一圆环状Halbach永磁阵列结构10右侧和第二圆环状Halbach永磁阵列结构11右侧有少量的漏磁。
通过上述三个实施例我们对本发明Halbach永磁阵列的结构及应用有了详细的了解，下面我们介绍下碳纤维保护套2和Fe基软磁复合材料3覆在Halbach永磁阵列本体1上所起到的作用：
因为Halbach永磁阵列本体1为脆性材料，本发明Halbach永磁阵列安装在高速电机转子上，在高速旋转时转子受径向应力较大，而充磁永磁体强度较低，约100MP。碳纤维保护套2质量轻，拉伸强度高，包覆在Halbach永磁阵列本体1表面能够提高整个转子的抗拉强度；并且用碳纤维保护套2还能够提高Halbach永磁阵列本体1的抗拉强度。
Fe基软磁复合材料3的特点是：电阻率大，孔洞数量少，强度高，相对磁导率可根据材料成分进行调节，目前情况下最大能达到650，电阻率大约在1×10-4Ω*m-1。而碳钢材料电阻率大约在1×10-7Ω*m-1，与碳钢材料相比，Fe基软磁复合材料3的电阻率大了三个数量级。电阻率大的特性使得Fe基软磁复合材料3覆在Halbach永磁阵列本体1上能够大大减少Halbach永磁阵列本体1的漏磁甚至在某些情况下能够完全消除漏磁，并且还能提高气隙区域处的磁感应强度。另外，Fe基软磁复合材料3孔洞数量少、强度高，覆在Halbach永磁阵列本体1上能够大大提高整个Halbach永磁阵列结构的抗拉强度。
下面通过对比试验对本发明Halbach永磁阵列结构的性能作进一步详细说明。
对比试验(一)
试验分为三组，分别是：
第Ⅰ组：如图4所示，Halbach永磁阵列本体1由4个长方体径向充磁永磁体4和5个长方体切向充磁永磁体5交替排列组合而成；Halbach永磁阵列本体1为长方体。径向充磁永磁体4和切向充磁永磁体5为钕铁硼永磁材料。Halbach永磁阵列结构本体1上没有设置碳纤维保护套2和Fe基软磁复合材料3。
第Ⅱ组：如图6所示，Halbach永磁阵列本体1由4个长方体径向充磁永磁体4和5个长方体切向充磁永磁体5交替排列组合而成；Halbach永磁阵列本体1为长方体；径向充磁永磁体4和切向充磁永磁体5为钕铁硼永磁材料。Halbach永磁阵列本体1的六个表面上包覆有碳纤维保护套2。具体的，Halbach永磁阵列本体1的六个表面上仅包覆有碳纤维保护套2，没有设置Fe基软磁复合材料3。碳纤维采用的是日本东丽公司生产的类型为T700G产品。
第Ⅲ组：本发明实施例1中图1和图2所示的Halbach永磁阵列结构，具体结构描述详见本发明实施例1。
以上三组Halbach永磁阵列结构的磁力线分布结果如下：
第Ⅰ组Halbach永磁阵列本体的磁力线分布如图5所示，可以看出：Halbach永磁阵列本体1上面的磁力线数量比下面要少的多，Halbach永磁阵列本体1上侧磁场相互抵消，具有磁自屏蔽特性，下侧磁场增强；即具有上侧磁场削弱，而下侧磁场加强的特点。
第Ⅱ组Halbach永磁阵列结构的磁力线分布如图7所示，可以看出：上侧磁场虽然大部分相互抵消了，但仍存在一些漏磁；左右两侧漏磁较严重，这将会导致Halbach永磁阵列结构磁场的空间分布趋于复杂，影响电磁力的大小和方向；下侧磁场得到加强，磁力线更多更密。
第Ⅲ组Halbach永磁阵列结构的磁力线分布图如图3所示，可以看出：Halbach永磁阵列结构下侧的磁力线增强，上侧、左侧及右侧都没有漏磁。
对比试验(二)
试验分为二组，分别是：
第Ⅳ组：本发明实施例2所述的Halbach永磁阵列结构安装在径向永磁轴承的第一转子8上，如图13、图14和图15所示，具体结构描述详见本发明实施例2；其中，该Halbach永磁阵列结构的聚磁距离为L1，如图15所示。
第Ⅴ组：Halbach永磁阵列本体1由4个环形体径向充磁永磁体4和5个环形体切向充磁永磁体5交替排列组合而成；Halbach永磁阵列本体1呈圆筒状；径向充磁永磁体4和切向充磁永磁体5为钕铁硼永磁材料。碳纤维保护套2包覆在圆筒状Halbach永磁阵列本体1的四个表面上，得到Halbach永磁阵列结构(对比Ⅴ)。第Ⅴ组与第Ⅳ组唯一不同是：第Ⅴ组Halbach永磁阵列本体1的四个表面(外圆周面、内圆周面、左环形侧面和右环形侧面)上仅包覆有碳纤维保护套2，没有设置Fe基软磁复合材料3。如图17所示，将两个Halbach永磁阵列结构(对比Ⅴ)安装在径向永磁轴承的第一转子8上，其安装结构与第Ⅳ组完全相同，具体为：两个Halbach永磁阵列结构(对比Ⅴ)呈内外结构同时套在第一转子8上，内圈Halbach永磁阵列结构(对比Ⅴ)固定粘接在第一转子8上，外圈Halbach永磁阵列结构(对比Ⅴ)套在内圈Halbach永磁阵列结构(对比Ⅴ)的外侧；外圈Halbach永磁阵列结构(对比Ⅴ)与内圈Halbach永磁阵列结构(对比Ⅴ)之间留有气隙9。并且，两个Halbach永磁阵列结构(对比Ⅴ)充磁永磁体的排列方式也与第Ⅳ组完全相同，在此不做赘述，如图17所示。第一转子8转动时，内圈Halbach永磁阵列结构(对比Ⅴ)随着第一转子8一起转动，外圈Halbach永磁阵列结构(对比Ⅴ)不随第一转子8转动。再者，Halbach永磁阵列结构(对比Ⅴ)的聚磁距离为L2，如图17所示。
1.将以上两组Halbach永磁阵列结构安装在径向永磁轴承转子上所得到的磁力线分布结果如下：
第Ⅳ组：如图16所示，可以看出：第一圆筒状Halbach永磁阵列结构6的三个蔽磁面处没有漏磁；第二圆筒状Halbach永磁阵列结构7的三个蔽磁面处没有漏磁。
第Ⅴ组：如图18所示，可以看出：外圈Halbach永磁阵列结构(对比Ⅴ)的外圆周面、左环形侧面和右环形侧面都有漏磁；内圈Halbach永磁阵列结构(对比Ⅴ)的内圆周面、左环形侧面和右环形侧面都有漏磁。
2.以上两组Halbach永磁阵列结构安装在径向永磁轴承转子上时，磁感应强度与聚磁距离之间的关系如图19所示：
聚磁距离L1为0～5mm时，第Ⅳ组磁感应强度(图19中的实曲线)峰值的平均值为A1＝143.29mT；其中，第Ⅳ组的磁感应强度(图19中的实曲线)具体指：在气隙区域内且距离Halbach永磁阵列结构(实施例2所述)外表面0.02mm处的磁感应强度。
聚磁距离L2为0～5mm时，第Ⅴ组的磁感应强度(图19中的虚曲线)峰值的平均值为A2＝141.37mT；其中，第Ⅴ组的磁感应强度(图19中的虚曲线)具体指：在气隙区域内且距离Halbach永磁阵列结构(对比Ⅴ)外表面0.02mm处的磁感应强度。
结论：第Ⅳ组气隙区域处的磁感应强度比第Ⅴ组气隙区域处的磁感应强度要强。
对比试验(三)
第Ⅵ组：本发明实施例3所述的Halbach永磁阵列结构安装在盘式无铁芯双边永磁电机上，如图25、图26和图27所示，具体结构描述详见本发明实施例3；其中，该Halbach永磁阵列结构的聚磁距离为L3，如图25所示。
第Ⅶ组：Halbach永磁阵列本体1由8个扇形体径向充磁永磁体4和8个扇形体切向充磁永磁体5交替排列组合而成；Halbach永磁阵列本体1呈圆环状；径向充磁永磁体4和切向充磁永磁体5为钕铁硼永磁材料。碳纤维保护套2包覆在圆环状Halbach永磁阵列本体1的四个表面上，得到Halbach永磁阵列结构(对比Ⅶ)。第Ⅶ组与第Ⅵ组唯一不同是：第Ⅶ组Halbach永磁阵列本体1的四个表面(上环形表面、下环形表面、外圆周面和内圆周面)上仅包覆有碳纤维保护套2，没有设置Fe基软磁复合材料3。将两个Halbach永磁阵列结构(对比Ⅶ)安装在盘式无铁芯双边永磁电机上，其安装结构与第Ⅵ组完全相同，如图29所示；上层Halbach永磁阵列结构(对比Ⅶ)与上层线圈绕组16之间形成上层气隙9，下层Halbach永磁阵列结构(对比Ⅶ)与下层线圈绕组16之间形成下层气隙9。并且两个Halbach永磁阵列结构(对比Ⅶ)充磁永磁体的排列方式也与第Ⅵ组完全相同，如图30所示，在此不做赘述。其中，Halbach永磁阵列结构(对比Ⅶ)的聚磁距离为L4，如图29所示。
1.将以上两组Halbach永磁阵列结构安装在盘式无铁芯双边永磁电机上，给线圈通电，电流方向由内向外或由外向内，绕组设计为3相Y接法的单层波绕组，额定电流为22A，所得到的磁力线分布结果如下：
第Ⅵ组：如图28所示，可以看出：第一圆环状Halbach永磁阵列结构10和第二圆环状Halbach永磁阵列结构11安装在盘式无铁芯双边永磁电机上时，第一圆环状Halbach永磁阵列结构10的上侧没有漏磁；第二圆环状Halbach永磁阵列结构11的下侧没有漏磁；第一圆环状Halbach永磁阵列结构10左侧和第二圆环状Halbach永磁阵列结构11左侧有少量的漏磁；第一圆环状Halbach永磁阵列结构10右侧和第二圆环状Halbach永磁阵列结构11右侧有少量的漏磁。
第Ⅶ组：如图31所示，可以看出：两个Halbach永磁阵列结构(对比Ⅶ)安装在盘式无铁芯双边永磁电机上时，上层Halbach永磁阵列结构(对比Ⅶ)上侧、左侧和右侧有较多的漏磁；下层Halbach永磁阵列结构(对比Ⅶ)下侧、左侧和右侧有较多的漏磁。
2.以上两组Halbach永磁阵列结构安装在盘式无铁芯双边永磁电机上时，磁感应强度与聚磁距离之间的关系如图32所示：
聚磁距离L3为0～5mm时，第Ⅵ组磁感应强度(图32中的实曲线)峰值的平均值为A3＝125.3475mT；其中，第Ⅵ组的磁感应强度(图32中的实曲线)具体指：在气隙区域内且距离Halbach永磁阵列结构(实施例3所述)外表面0.02mm处的磁感应强度。
聚磁距离L4为0～5mm时，第Ⅶ组的磁感应强度(图32中的虚曲线)峰值的平均值为A4＝120.9051mT；其中，第Ⅶ组的磁感应强度(图32中的虚曲线)具体指：在气隙区域内且距离Halbach永磁阵列结构(对比Ⅶ)外表面0.02mm处的磁感应强度。
结论：第Ⅵ组气隙区域处的磁感应强度比第Ⅶ组气隙区域处的磁感应强度要强。

Claims (8)

1.减少漏磁的Halbach永磁阵列结构，其特征在于：包括Halbach永磁阵列本体(1)、碳纤维保护套(2)和Fe基软磁复合材料(3)；所述Halbach永磁阵列本体(1)由多个径向充磁永磁体(4)和多个切向充磁永磁体(5)交替排列组合而成；所述Halbach永磁阵列本体(1)的外表面由一个聚磁面和多个蔽磁面组成；所述聚磁面上包覆有碳纤维保护套(2)；所述蔽磁面上包覆有碳纤维保护套(2)，碳纤维保护套(2)上固定有Fe基软磁复合材料(3)。
2.根据权利要求1所述减少漏磁的Halbach永磁阵列结构，其特征在于：当径向充磁永磁体(4)和切向充磁永磁体(5)为长方体时，Halbach永磁阵列本体(1)为长方体；所述长方体Halbach永磁阵列本体(1)的表面由上表面、下表面、左表面、右表面、前表面和后表面组成；
Halbach永磁阵列本体(1)的下表面为聚磁面，下表面包覆有碳纤维保护套(2)；Halbach永磁阵列本体(1)的其它五个表面为蔽磁面，其它五个表面上包覆有碳纤维保护套(2)，碳纤维保护套(2)上固定有Fe基软磁复合材料(3)；
或者，Halbach永磁阵列本体(1)的上表面为聚磁面，上表面包覆有碳纤维保护套(2)；Halbach永磁阵列本体(1)的其它五个表面为蔽磁面，其它五个表面上包覆有碳纤维保护套(2)，碳纤维保护套(2)上固定有Fe基软磁复合材料(3)；
其中，径向充磁永磁体(4)的径向充磁方向指向Halbach永磁阵列本体(1)的上表面或下表面，切向充磁永磁体(5)的切向充磁方向指向Halbach永磁阵列本体(1)的左表面或右表面。
3.根据权利要求1所述减少漏磁的Halbach永磁阵列结构，其特征在于：当径向充磁永磁体(4)和切向充磁永磁体(5)为圆环体时，Halbach永磁阵列本体(1)呈圆筒状；所述圆筒状Halbach永磁阵列本体(1)的表面由外圆周面、内圆周面、左环形侧面和右环形侧面组成；
Halbach永磁阵列本体(1)的外圆周面为聚磁面，外圆周面上包覆有碳纤维保护套(2)；Halbach永磁阵列本体(1)的其它三个表面为蔽磁面，其它三个表面上包覆有碳纤维保护套(2)，碳纤维保护套(2)上固定有Fe基软磁复合材料(3)；
或者，Halbach永磁阵列本体(1)的内圆周面为聚磁面，内圆周面上包覆有碳纤维保护套(2)；Halbach永磁阵列本体(1)的其它三个表面为蔽磁面，其它三个表面上包覆有碳纤维保护套(2)，碳纤维保护套(2)上固定有Fe基软磁复合材料(3)。
4.根据权利要求1所述减少漏磁的Halbach永磁阵列结构，其特征在于：当径向充磁永磁体(4)和切向充磁永磁体(5)为扇形体时，Halbach永磁阵列本体(1)呈圆环状；所述圆环状Halbach永磁阵列本体(1)的表面由上环形表面、下环形表面、外圆周面和内圆周面组成；
Halbach永磁阵列本体(1)的下环形表面为聚磁面，下环形表面包覆有碳纤维保护套(2)；Halbach永磁阵列本体(1)的其它三个表面为蔽磁面，其它三个表面上包覆有碳纤维保护套(2)，碳纤维保护套(2)上固定有Fe基软磁复合材料(3)；
或者，Halbach永磁阵列本体(1)的上环形表面为聚磁面，上环形表面包覆有碳纤维保护套(2)；Halbach永磁阵列本体(1)的其它三个表面为蔽磁面，其它三个表面上包覆有碳纤维保护套(2)，碳纤维保护套(2)上固定有Fe基软磁复合材料(3)；
径向充磁永磁体(4)的径向充磁方向指向Halbach永磁阵列本体(1)的上环形表面或下环形表面。
5.根据权利要求1、2、3或4所述减少漏磁的Halbach永磁阵列结构，其特征在于：所述Fe基软磁复合材料(3)的厚度为0.5～1mm。
6.根据权利要求1、2、3或4所述减少漏磁的Halbach永磁阵列结构，其特征在于：所述径向充磁永磁体(4)和切向充磁永磁体(5)为钕铁硼永磁材料。
7.一种如权利要求3所述Halbach永磁阵列结构的应用，其特征在于：所述Halbach永磁阵列结构应用于径向永磁轴承上。
8.一种如权利要求4所述Halbach永磁阵列结构的应用，其特征在于：所述Halbach永磁阵列结构应用于盘式无铁芯双边永磁电机上。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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