CN112863804B - 磁组单元、磁阵列、电机、发电机及行驶装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁组单元，其包括主磁源和作为辅磁源的第一辅磁源和第二辅磁源；主磁源和辅磁源均呈柱状；主磁源的横截面呈T状，主磁源具有较宽的头部和较窄的尾部，头部和尾部之间形成第一凹口和与第一凹口相对的第二凹口；沿主磁源的厚度方向，靠近头部一侧的端面为工作面，靠近尾部一侧的与工作面相对的端面为非工作面；第一辅磁源嵌于第一凹口，第二辅磁源嵌于第二凹口；磁组单元的充磁方向大致沿所述主磁源的厚度方向设置，辅磁源的充磁方向沿主磁源的充磁方向汇聚或发散；主磁源，沿其宽度方向具有连续变化的充磁方向。该方案可以保证工作面具有有效磁密分布的前提下提高磁场强度，从而提高永磁体的利用率。

Description

磁组单元、磁阵列、电机、发电机及行驶装置

技术领域

本发明涉及一种磁组单元、磁阵列、电机及发电机。

背景技术

电机一般由定子、转子、轴承、机壳等构成。有资料报道，当今全球各种电机消耗的电能占世界能源消耗的65%。随着对环境问题的关注，采用高效率电驱动被提到日程。因此，取代传统的感应电动机的永磁无刷电动机获得业内极大的关注。这是因为永磁无刷电动机有更高的效率和更高功率密度。永磁无刷直流电机的转子具有预定极对数的永磁体，永磁体多采用钕铁硼等高矫顽力的稀土永磁材料制作而成。

现代电机与控制技术以电流驱动模式的不同将永磁无刷直流电动机分为两大类：方波驱动电机和正弦波驱动电机。前者称为无刷直流电动机（BLDC）或电子换相直流电动机（Electronically Commutated Motor,ECM），后者曾有人称为无刷交流电动机（BLAC），现在已常常称为永磁同步电动机（PMSM）。

表面看来，BLDC和PMSM的基本结构是相同的：它们都是永磁电动机，转子由永磁体组成基本结构，定子安放有若干相交流绕组；都是由永磁体（PM）转子和定子的交流电流相互作用产生电机的转矩；在绕组中的驱动电流必须与转子位置反馈同步。转子位置反馈信号可以来自转子位置传感器，或者像在一些无传感器控制方式那样通过检测电机相绕组的反电动势（EMF）等方法得到。虽然永磁同步电动机和无刷直流电动机的基本构相同，但它们在实际的设计细节上的不同是由它们是如何驱动决定的。

永磁无刷直流电机还可以根据永磁体的固定方式分为内置式电机和表贴式电机，即IPM电机和SPM电机。IPM电机分为串联式、并联式和混联式，由于永磁体内置于铁芯之中，远离定子，永磁体利用率相对较低。SPM电机的永磁体贴近定子，有利于提高永磁体利用率，但是也容易产生谐波，限制了永磁体利用率的进一步提高。

引起永磁无刷直流电机转矩脉动的转矩包括齿槽转矩和纹波转矩。齿槽转矩是由定子齿槽引起的谐波转矩，纹波转矩是由电流和感应电动势波形偏差引起的谐波转矩。气隙磁密分布与感应电动势波形息息相关，通过调节气隙磁密分布可以调整感应电动势波形。因此通常通过调节气隙磁密分布来降低谐波含量，削弱转矩脉动，以降低损耗，减少电磁噪声，提高永磁体利用率和电机效率。

由于永磁体的材料成本较高，因此更加迫切希望尽量提高永磁体的利用率。常用的方法是提高气隙磁密波形正弦性，以减少谐波含量，降低畸变率，提高基波幅值，提高电机效率和转矩常数。其中转矩常数是指电机输出转矩与输入电流之商。但基波幅值的提高往往伴随着谐波含量和畸变率的增加。

海尔贝克磁阵列，即“Halbach Array”，可以有效抑制气隙磁密谐波，提高气隙磁密基波幅值。但是海尔贝克磁阵列通常是由横向充磁和切向充磁的永磁体交替拼接成圆环，每块永磁体的的尺寸公差要求极高，否则不能拼接成满足设计直径需求的圆环。由于海尔贝克磁阵列的每个永磁体之间具有排斥力，拼装时需要特制工装，因此传统的海尔贝克磁阵列工艺成本非常高，且永磁体容易松脱，得不偿失。再者，永磁体的导热系数一般低于转子轭铁的导热系数，海尔贝克磁阵列布满一整圈，不利于散热，导致电机温升较高。

有学者提出极间隔断的海尔贝克磁阵列，以避免将永磁体拼接为整个圆环，简化加工工艺，但是谐波随之增加，气隙磁密也降低，失去海尔贝克磁阵列原有的优势。

海尔贝克磁阵列每个磁极通常由若干子永磁体构成，每个子永磁体都具有面向定子的工作面以及与该工作面相对的用于和转子基体粘接固定的安装面，每个子永磁体都具有不同的充磁方向。当每极的子磁体数量越多时，相邻的子磁体之间的充磁方向的夹角越小，气隙磁密正弦性越佳，谐波越少。但是每极的子磁体数量越多，工艺成本越高，实用性越差。

调节气隙磁密的常用手段：

每极永磁体为单片永磁体，调节每极永磁体的横截面形状，如“面包形”永磁体、长方形永磁体、永磁体工作面圆弧偏心设置等。在同样磁用量的前提下，随着磁体变薄，气隙磁密的谐波迅速增加。这些调节气隙磁密的常用手段不利于永磁体的薄型化设计，以至于不利于提高永磁体的利用率。

由若干子永磁体构成一个磁极，每个子永磁体都具有面向定子的工作面以及与该工作面相对的用于和转子基体粘接固定的安装面，调节每个子永磁体的充磁方向。由于子磁体之间充磁方向存在突变，永磁体的薄型化设计时，在同样磁用量的前提下，气隙磁密的谐波含量仍然较高。

由若干子永磁体构成一个磁极，每个子永磁体都具有面向定子的工作面以及与该工作面相对的用于和转子基体粘接固定的安装面，每个子永磁体由不同材质的永磁体制成，由于子磁体之间充磁方向存在突变，即便改变子永磁体材质，永磁体的薄型化设计时，在同样磁用量的前提下，气隙磁密的谐波含量仍然较高。

永磁体价格相对于电机中的其他部分，比如硅钢片、铜线更贵，对电机的性能影响也更直接。因此提高永磁体利用率，简化制造工艺，优化电机性能十分重要。

发明内容

本发明第一目的在于提供一种磁组单元，其可有效调节工作面的磁密分布，有利于降低谐波含量且提高气隙磁密，而提高永磁体的利用率。

本发明第二目的在于提供一种磁阵列，其可有效调节磁组单元工作面的磁密分布，有利于降低谐波含量且提高气隙磁密，而提高永磁体的利用率。

本发明第三目的在于提供一种电机或发电机，其可有效调节磁组单元的工作面的磁密分布，其有利于降低谐波含量且提高气隙磁密，而提高永磁体的利用率，提升电机或发电机质功比。

本发明第四目的在于提供一种行驶装置，其可有效调节磁组单元的工作面的磁密分布，其有利于降低谐波含量且提高气隙磁密，而提高永磁体的利用率，提高行驶装置的续航能力。

为实现第一目的，本发明提供一种磁组单元，其包括主磁源和作为辅磁源的第一辅磁源和第二辅磁源；主磁源和辅磁源均呈柱状；主磁源的横截面呈T状，主磁源具有较宽的头部和较窄的尾部，头部和尾部之间形成第一凹口和与第一凹口相对的第二凹口；沿主磁源的厚度方向，靠近头部一侧的端面为工作面，靠近尾部一侧的与工作面相对的端面为非工作面；第一辅磁源嵌于第一凹口，第二辅磁源嵌于第二凹口；磁组单元的充磁方向大致沿所述主磁源的厚度方向设置，辅磁源的充磁方向沿主磁源的充磁方向汇聚或发散；主磁源，沿其宽度方向具有连续变化的充磁方向。

由此可见：主磁源的头部沿宽度方向具有连续变化的充磁方向，辅磁源位于凹口上靠近非工作面。辅磁源充磁方向与主磁源的充磁方向之间即便存在突变，即存在不连续变化，主磁源的头部也可以作为良好的缓冲区，削弱工作面的磁密分布突变程度，使从工作面发出的磁力线趋于相对缓和的连续变化，从而有效调节磁组单元工作面的磁密分布。该技术手段不依赖于磁组单元的工作面修型，有利于降低磁组单元的整体厚度，保证工作面具有有效磁密分布的前提下提高磁场强度，从而提高永磁体的利用率。此外，相对于传统的沿厚度方向平行充磁或辐射充磁的一体化永磁体，该方案还可以减少工作面边缘处的漏磁。

进一步的方案为，磁组单元靠近非工作面一端的两侧分别设置有一个切角；切角关于垂直于磁组单元的宽度方向的中平面对称分布。有利于非工作面外侧的磁力线偏离前述中平，当多个磁组单元构成环形磁阵列时，有利于缩短磁回路，减少磁压降。

进一步的方案为，辅磁源的磁能积大于主磁源的磁能积。有利于辅磁源的小型化，降低成本，提高主磁源的结构强度。

进一步的方案为，辅磁源的宽度之和小于主磁源宽度的一半。有利于提高主磁源的结构强度，提高磁组单元工作面中部的磁场强度。

进一步的方案为，辅磁源的厚度大于主磁源厚度的一半。有利于提升辅磁源对主磁源的磁力线指向的调节能力。

进一步的方案为，尾部靠近工作面一侧的宽度大于其靠近非工作面一侧的宽度。有利于提高主磁体的结构强度，抗震能力，降低主磁源与辅磁源之间的排斥力。

为实现前述第二目的，本发明提供一种磁阵列，其由上述磁组单元组成。磁组单元包括第一磁组单元和第二磁组单元，第一磁组单元和第二磁组单元的充磁方向大致相反，第一磁组单元和第二磁组单元交错间隔设置，第一磁组单元和第二磁组单元之间设置有间隙。有利于磁阵列表面磁密的正弦化，降低谐波含量。还有利于提高磁阵列的基波幅值，提高永磁体的利用率。

进一步的方案为，磁阵列为圆筒形磁阵列、圆盘形磁阵列或直线形磁阵列。

为实现前述第三目的，本发明提供一种电机或发电机，其将上述磁阵列作为电机或发电机用于产生磁场的永磁体。有利于电机或发电机气隙磁密的正弦化，降低谐波含量，从而降低转矩波动提高转动的稳定性，减小噪音，提高永磁体的利用率，提高输出功率，提高质功比，提升节能效果。

为实现前述第四目的，本发明提供一种行驶装置，其安装有上述电机或发电机。有利于永磁体利用率的提升，输出功率的提升，质功比的提升，更加节能，续航更长。

附图说明

图1 为磁组单元第一实施例的俯视图；

图2为图1的立体图；

图3为图1的另一立体图；

图4为磁组单元第一实施例的充磁方式的示意图；

图5为磁组单元第一实施例的另一充磁方式的示意图；

图6为磁组单元第二实施例的充磁方式的示意图；

图7为磁组单元第二实施例的另一充磁方式的示意图；

图8为磁组单元第三实施例的俯视图；

图9为磁组单元第四实施例的俯视图；

图10为磁阵列实施例及电机或发电机第一实施例示意图；

图11为电机或发电机的改进实施例示意图；

图12为电机或发电机的第二实施例示意图。

具体实施方式

磁组单元第一实施例

如图1至3所示，磁组单元100包括主磁源110和作为辅磁源120的第一辅磁源121和第二辅磁源122；主磁源110和辅磁源120均呈柱状；主磁源110的横截面呈T状，主磁源110具有较宽的头部111和较窄的尾部112，头部111和尾部112之间形成第一凹口113和与第一凹口113相对的第二凹口114；沿主磁源110的厚度方向001，靠近头部111一侧的端面为工作面101，靠近尾部112一侧的与工作面101相对的端面为非工作面102；第一辅磁源121嵌于第一凹口113，第二辅磁源122嵌于第二凹口114。主磁源110、第一辅磁源121和第二辅磁源122优选通过粘接固定为一体的磁组单元100。主磁源110和辅磁源120可以先分别充磁后粘接为一体的磁组单元100。主磁源110和辅磁源120也可以先粘接为一体的磁组单元100后，再对磁组单元100进行充磁。显然，主磁源110、第一辅磁源121和第二辅磁源122不限于通过粘接固定为一体的磁组单元100，主磁源110、第一辅磁源121和第二辅磁源122还可以焊接等方式固定为一体的磁组单元100。

如图4所示，箭头方向代表充磁方向，磁组单元100的充磁方向大致沿所述主磁源110的厚度方向设置，辅磁源120的充磁方向沿主磁源110的充磁方向汇聚；主磁源，平行充磁，沿其宽度方向002具有连续变化的充磁方向。

如图5所示，箭头方向代表充磁方向，磁组单元100的充磁方向大致沿所述主磁源110的厚度方向设置，辅磁源120的充磁方向沿主磁源110的充磁方向发散；主磁源，平行充磁，沿其宽度方向002具有连续变化的充磁方向。

如图4和图5所示，磁组单元100靠近非工作面102一端的两侧分别设置有一个切角123；切角123关于垂直于磁组单元100的宽度方向002的中平面103对称分布。

作为一种改进，辅磁源120的磁能积大于主磁源110的磁能积。

作为一种改进，辅磁源120的宽度之和小于主磁源110宽度的一半。主磁源110的宽度是指其最大宽度。

作为一种改进，辅磁源120的厚度大于主磁源110厚度的一半。主磁源110的厚度是指其最大厚度。

参见图5和图6，作为一种改进，主磁源110的头部111和尾部112之间的交接处设置有圆弧角125，辅磁源120的相应位置也设置有匹配的圆弧角。圆弧角设置有利于增加主磁源110的结构强度，减少磁场变化的突变性，有利于工作面101表面磁场分布的正弦化，提升圆弧角处的抗退磁能力。

磁组单元第二实施例

如图6所示，该实施例与第一实施例的区别在于，主磁源210的充磁方式为辐射充磁，主磁源210沿其宽度方向具有连续变化的充磁方向。辅磁源220的充磁方向沿主磁源210的充磁方向发汇聚；如图7所示，辅磁源220的充磁方向沿主磁源210的充磁方向发散。

磁组单元第三实施例

如图8所示，该实施例与第一实施例的区别在于，磁组单元300的主磁源310包括头部311和尾部312，尾部312靠近工作面301一侧的宽度大于其靠近非工作面302一侧的宽度。

磁组单元第四实施例

如图9所示，该实施例与第一实施例的区别在于，每一侧的辅磁源420包括子辅磁源421和子辅磁源422。

进一步的，每一侧的辅磁源420不限于包括两个子辅磁源，还可以包含3个或更多的子辅磁源。

磁阵列实施例

如图10所示，磁阵列1000，其由磁组单元1100组成。磁组单元1100包括第一磁组单元1101和第二磁组单元1102，第一磁组单元1101和第二磁组单元1102的充磁方向大致相反，第一磁组单元1101和第二磁组单元1102交错间隔设置，第一磁组单元1101和第二磁组单元1102之间设置有间隙1103。间隙1103有利于磁阵列表面磁密的正弦化，降低谐波含量。还有利于提高磁阵列的基波幅值，提高永磁体的利用率。

电机或发电机第一实施例

如图10所示，电机或发电机10000，包括转子11000和定子12000，上述磁阵列1000作为电机或发电机10000用于产生磁场的永磁体。转子11000上设置有用于固定永磁体的磁轭11100。设置在定子12000上的绕组未示出。该方案有利于电机或发电机气隙磁密的正弦化，降低谐波含量，从而降低转矩波动提高转动的稳定性，减小噪音，提高永磁体的利用率，提高输出功率，提高质功比，提升节能效果。

作为一种改进，如图11所示，第一磁组单元1101和第二磁组单元1102之间设置有由非导磁材料制成的楔块1104。楔块1104用于将第一磁组单元1101和第二磁组单元1102固定在磁轭11100，以提高永磁体安装固定的可靠性。

磁组单元由至少3片永磁体拼装而成，可以削弱永磁体内的涡流，降低涡流损耗。

由于本发明的磁组单元具有较好的聚磁效果，永磁体的利用率较高，可以使用较低的牌号获得较高的气隙磁密，有利于使用更高耐温等级的永磁体，提高电机的耐温能力。

本发明的磁阵列可以获得更高的气隙磁密及更低的谐波含量，大幅减少电机运行过程中的振动，降低噪声。

电机或发电机第二实施例

如图12所示，本实施例与电机或发电机第一实施例区别在于，电机或发电机20000为内转子电机或发电机。电机或发电机20000，包括转子21000和定子22000，磁阵列2000作为电机或发电机20000用于产生磁场的永磁体。转子21000上设置有用于固定永磁体的磁轭21100。定子22000上设置有绕组22200。磁阵列2000，其由磁组单元2100组成。磁组单元2100包括第一磁组单元2101和第二磁组单元2102

本发明的磁阵列不但适用于伺服电机，还可以适用于动力电机。

行驶装置实施例

一种行驶装置，其安装有上述电机或发电机10000或20000。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术构思的前提下做出的若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明所提交的权利要求书所确定的专利保护范围。

Claims (10)

1.磁组单元，其特征在于：

所述磁组单元包括主磁源和作为辅磁源的第一辅磁源和第二辅磁源；

所述主磁源和所述辅磁源均呈柱状；

所述主磁源的横截面呈T状，所述主磁源具有较宽的头部和较窄的尾部，

所述头部和所述尾部之间形成第一凹口和与所述第一凹口相对的第二凹口；

沿所述主磁源的厚度方向，靠近所述头部一侧的端面为工作面，靠近所述尾部一侧的与所述工作面相对的端面为非工作面；

所述第一辅磁源嵌于所述第一凹口，所述第二辅磁源嵌于所述第二凹口；

所述磁组单元的充磁方向大致沿所述主磁源的厚度方向设置，所述辅磁源的充磁方向沿所述主磁源的充磁方向汇聚或发散；

所述主磁源，沿其宽度方向具有连续变化的充磁方向。

2.根据权利要求1所述磁组单元，其特征在于：

所述磁组单元靠近所述非工作面一端的两侧分别设置有一个切角；

所述切角关于垂直于所述磁组单元的宽度方向的中平面对称分布。

3.根据权利要求1所述磁组单元，其特征在于：

所述辅磁源的磁能积大于所述主磁源的磁能积。

4.根据权利要求1所述磁组单元，其特征在于：

所述辅磁源的宽度之和小于所述主磁源宽度的一半。

5.根据权利要求1所述磁组单元，其特征在于：

所述辅磁源的厚度大于所述主磁源厚度的一半。

6.根据权利要求1所述磁组单元，其特征在于：

所述尾部靠近所述工作面一侧的宽度大于其靠近所述非工作面一侧的宽度。

7.磁阵列，其特征在于：

所述磁阵列由权利要求1至6任一所述磁组单元构成；

所述磁组单元包括第一磁组单元和第二磁组单元；

所述第一磁组单元和所述第二磁组单元的充磁方向大致相反；

所述第一磁组单元和所述第二磁组单元交错间隔设置；

所述第一磁组单元和所述第二磁组单元之间设置有间隙。

8.根据权利要求7所述磁阵列，其特征在于：

所述磁阵列为圆筒形磁阵列、圆盘形磁阵列或直线形磁阵列。

9.电机或发电机，其特征在于：

将权利要求8所述磁阵列作为所述电机或发电机用于产生磁场的永磁体。

10.行驶装置，其特征在于：

所述行驶装置安装有权利要求9所述的电机或发电机。

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