CN114024383B - 一种用于永磁电机的任意块对称型Halbach阵列 - Google Patents

一种用于永磁电机的任意块对称型Halbach阵列 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于永磁电机的任意块对称型Halbach阵列，所述Halbach阵列分为每极奇数块和每极偶数块两种结构。奇数块Halbach阵列中每极由一块主磁极永磁体(5)和以主磁极永磁体中心线为对称轴依次对称的若干辅助磁极永磁体(6)组成，偶数块Halbach阵列中除了上述永磁体外，还具有一块切向充磁永磁体(7)，且两种结构中都存在极间隔断(8)。本发明的Halbach阵列结构在适当的永磁体宽度和充磁角度的组合下，可提高气隙磁密基波幅值和正弦度，从而提高电机的功率密度，降低电机的转矩脉动；极间隔断能减少永磁体的使用量，降低成本，也利于永磁体的定位安装。

Description

一种用于永磁电机的任意块对称型Halbach阵列
技术领域
本发明属于永磁电机领域，涉及一种用于永磁电机的Halbach阵列。
背景技术
早在1979年，美国学者Klaus Halbach在利用各种永磁体结构产生的磁场做电子加速实验时，就发现了一种特殊的永磁体结构—Halbach阵列，这种阵列可使一侧磁场增强，另一侧产生自屏蔽效应。近些年来，随着高性能永磁材料的问世与发展，永磁同步电机的应用变得越来越广泛，在某些领域，如伺服系统中，高功率密度、低转矩脉动的特征成为衡量电机设计好坏的重要指标。这要求我们在设计电机时，在保持质量/体积一定甚至减小的条件下，获得更大的气隙磁密基波分量，较高的气隙磁密正弦性，针对以上需求，Halbach阵列被广泛应用于永磁电机设计中。
目前，永磁电机中使用的Halbach阵列主要分为等厚和不等厚两种结构，等厚阵列作为主流的阵列结构也衍生出了很多不同的结构，比如常见的每极三块永磁体Halbach阵列中，有的是在主磁极永磁体和一对辅助磁极永磁体等宽的条件下，对永磁体宽度和辅助磁极永磁体充磁角度的进行组合优化(范坚坚,吴建华.计及齿槽极间隔断Halbach型磁钢的PMSM气隙磁场解析分析[J].中国电机工程学报,2010,30(12):98-105.)，而永磁体宽度相等的默认条件未能充分考虑宽度变量对气隙磁密的影响；有的三块结构也综合分析了主磁极永磁体宽度，辅助磁极永磁体宽度和充磁角度(罗玲,薛利昆,吴先宇,张乐玥.Halbach永磁阵列无刷直流电机转矩的解析计算和分析[J].电工技术学报,2017,32(16):124-135.)，但未能考虑极间隔断的影响。而对于每极大于三块的等厚Halbach结构，结构复杂度增大，目前的研究甚少，现将一种对称的结构应用到每极大于三块的任意块Halbach阵列的结构设计中，给每极多块Halbach阵列的应用奠定了基础。
本专利中涉及的一种用于永磁电机的任意块对称型Halbach阵列，可将每极大于两块的任意块永磁体化为对称结构，其中每极奇数块和每极偶数块的对称结构有所差别，在此种对称结构中，又将每一对以主磁极永磁体中心线为对称轴的辅助磁极永磁体的宽度和充磁角度都设置成变量，同时考虑极间隔断的影响。因为正弦波形半个周期内的对称性，从而以一种对称的规律将每极大于两块的任意块等厚Halbach阵列中每个影响磁场分布的永磁体宽度变量和充磁角度变量进行综合考虑和组合优化，相对于其他等厚Halbach阵列，进一步地提高气隙磁密基波幅值和正弦度，同时极间隔断的存在可减少永磁体的用量，降低成本，永磁体的定位安装也更容易。
发明内容
发明目的：为了充分利用Halbach阵列的优点，提高永磁同步电机气隙磁密的基波幅值和正弦度，从而提高电机功率密度，降低转矩脉动；同时为了对每极大于两块的任意块Halbach阵列提供最优的结构设计，本发明提供了一种用于永磁电机的任意块对称型Halbach阵列。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种用于永磁电机的任意块对称型Halbach阵列，所述电机包括定子和转子，所述定子上有定子绕组，所述转子上包括永磁体、转子轭、转轴，所述永磁体为分块式Halbach阵列，其特征在于每极永磁体块数大于两块，若为奇数块，则每极由一块主磁极永磁体、以主磁极永磁体中心线为对称轴依次对称的若干辅助磁极永磁体所组成；若为偶数块，则每极除了上述永磁体外，还多具有一块切向充磁永磁体，且无论每极是奇数块还是偶数块，都存在极间隔断。
进一步地，每极中，以主磁极永磁体中心线为对称轴依次对称的辅助磁极永磁体具有相等且可变的宽度和充磁角度，主磁极永磁体和切向充磁永磁体的充磁角度分别固定为径向方向和切向方向。
进一步地，对于每极奇数块结构，极对数为p，设块数值L＝2l+1，n＝l+1，l≥1，磁钢宽度变量αi，1≤i≤n，充磁角度变量βj，1≤j≤l，极间隔断角度h，则n个宽度变量和l个充磁角度变量必须满足：
Figure BDA0003282971280000021
Figure BDA0003282971280000022
Figure BDA0003282971280000023
0°＜β1＜β2＜…＜βl＜90°
另一方面，对于每极偶数块结构，极对数为p，设块数值L＝2l，n＝l+1，l≥2，磁钢宽度变量αi，1≤i≤n，充磁角度变量βj，1≤j≤l-1，极间隔断角度h，则n个宽度变量和l-1个充磁角度变量必须满足：
Figure BDA0003282971280000031
Figure BDA0003282971280000032
Figure BDA0003282971280000033
0°＜β1＜β2＜…＜βl-1＜90°
进一步地，每极奇数块结构和每极偶数块结构的极间隔断结构不同。设每极的极间隔断角度为h，则每极奇数块时，极间隔断在两块宽度为αn且充磁角度为βl的辅助磁极永磁体之间，隔断是一个整体，其角度为h；每极偶数块时，极间隔断在两块宽度为αn-1充磁角度为βl-1的辅助磁极永磁体与宽度为αn的切向充磁永磁体之间，隔断分对称等宽的两个部分，角度均为h/2。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明提供的一种用于永磁电机的任意块对称型Halbach阵列，以一种对称的规律将每极大于两块的任意块等厚Halbach阵列中每个影响磁强分布的永磁体宽度和充磁角度进行综合考虑和组合优化，相对于其他每极三块等厚Halbach阵列，进一步地提高了气隙磁密基波幅值和正弦度，从而提高电机的功率密度，降低电机的转矩脉动。
2.本发明为每极大于三块的Halbach阵列提供了一种通用的结构，解决了结构复杂度更大的每极大于三块的Halbach阵列的设计问题，在适当的永磁体宽度和充磁角度的组合下，相对于每极大于三块的传统等宽正弦充磁无极间隔断Halbach阵列，提高了气隙磁密基波幅值和正限度。
3.本发明极间隔断的存在可减少永磁体的用量，降低成本，永磁体的定位安装也更容易。
附图说明
图1为任意块对称型Halbach阵列结构图。
图2为每极三块对称型Halbach阵列结构图。
图3为每极四块对称型Halbach阵列结构图。
图4为应用每极四块对称型Halbach阵列的永磁同步电机结构图。
图5为每极五块对称型Halbach阵列结构图。
图6为应用每极五块对称型Halbach阵列的永磁同步电机结构图。
图中：1-定子，2-定子绕组，3-转子轭，4-转轴，5-主磁极永磁体，6-辅助磁极永磁体，7-切向充磁永磁体，8-极间隔断。
具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步的说明。
本发明一种用于永磁电机的任意块对称型Halbach阵列，此种Halbach阵列分为每极奇数块和每极偶数块两种结构，如图1所示。奇数块结构中每极由主磁极永磁体(5)和以主磁极永磁体中心线为对称轴依次对称的辅助磁极永磁体(6)组成，偶数块结构中除了上述永磁体外，还多了一块切向充磁永磁体(7)，且两种结构中都存在极间隔断(8)。每极奇数块和每极偶数块的极间隔断(8)结构不同，设每极的极间隔断(8)角度为h，每极奇数块时，极间隔断(8)在两块宽度为αn充磁角度为βl的辅助磁极永磁体(6)之间，隔断是一个整体，角度为h；每极偶数块时，极间隔断(8)在两块宽度为αn-1充磁角度为βl-1的辅助磁极永磁体(6)与宽度为αn的切向充磁永磁体(7)之间，隔断是对称等宽的两个部分，角度均为h/2。
每极三块对称型Halbach阵列结构如图2所示，其中，每极由一块径向充磁的宽度为α1的主磁极永磁体(5)和两块对称的宽度为α2、充磁角度为β1的辅助磁极永磁体(6)组成，宽度变量和充磁角度变量满足：
Figure BDA0003282971280000041
Figure BDA0003282971280000042
Figure BDA0003282971280000043
0°＜β1＜90°
每极四块对称型Halbach阵列结构如图3所示,其中，每极由一块径向充磁的宽度为α1的主磁极永磁体(5)、一块宽度为α3的切向充磁永磁体(7)和两块对称的宽度为α2、充磁角度为β1的辅助磁极永磁体(6)组成，宽度变量和充磁角度变量满足：
Figure BDA0003282971280000051
Figure BDA0003282971280000052
Figure BDA0003282971280000053
0°＜β1＜90°
图4为应用每极四块对称型Halbach阵列的永磁同步电机结构图，该电机包括定子(1)和转子，所述定子(1)上有定子绕组(2)，所述转子上包括永磁体、转子轭(3)、转轴(4)，永磁体为分块式Halbach阵列，每极包括一块主磁极永磁体(5)、二块辅助磁极永磁体(6)、一块切向充磁永磁体(7)和极间隔断(8)。
每极五块对称型Halbach阵列结构如图5所示,其中，每极由一块径向充磁的宽度为α1的主磁极永磁体(5)、和四块两对宽度分别为α2、α3，充磁角度分别为β1、β2的辅助磁极永磁体(6)组成，宽度变量和充磁角度变量满足：
Figure BDA0003282971280000054
Figure BDA0003282971280000055
Figure BDA0003282971280000056
0°＜β1＜β2＜90°
图6为应用每极五块对称型Halbach阵列的永磁同步电机结构图，该电机包括定子(1)和转子，所述定子(1)上有定子绕组(2)，所述转子上包括永磁体、转子轭(3)、转轴(4)，永磁体为分块式Halbach阵列，每极包括一块主磁极永磁体(5)、四块两对辅助磁极永磁体(6)、一块切向充磁永磁体(7)和极间隔断(8)。
具体实施例一：
本实施例中定子槽数为24槽，极对数p为2，每极三块对称型Halbach阵列，主磁极永磁体(5)宽度α1为48°，辅助磁极永磁体(6)宽度α2为20°，充磁角度β1为55°，极间隔断为2°时，相对于传统每极三块等宽正弦充磁无极间隔断Halbach阵列，在气隙磁密正弦畸变率略低的情况下，基波幅值有着10％左右的提升。
具体实施例二：
本实施例中定子槽数为24槽，极对数p为2，每极三块对称型Halbach阵列，主磁极永磁体(5)宽度α1为47°，辅助磁极永磁体(6)宽度α2为20.5°，充磁角度β1为65°，极间隔断为2°时，相对于传统每极三块等宽正弦充磁无极间隔断Halbach阵列，气隙磁密基波幅值有着5％左右的提升，正弦畸变率有着17％左右的下降。
具体实施例三：
本实施例中定子槽数为24槽，极对数p为2，每极四块对称型Halbach阵列，主磁极永磁体(5)宽度α1为46°，切向充磁永磁体(7)宽度α3为16°，辅助磁极永磁体(6)宽度α2为13°，充磁角度β1为45°，极间隔断为2°时，相对于传统每极四块等宽正弦充磁无极间隔断Halbach阵列，在气隙磁密正弦畸变率略低的情况下，基波幅值有着8％左右的提升。
具体实施例四：
本实施例中定子槽数为24槽，极对数p为2，每极四块对称型Halbach阵列，主磁极永磁体(5)宽度α1为17°，切向充磁永磁体(7)宽度α3为13°，辅助磁极永磁体(6)宽度α2为29.5°，充磁角度β1为55°，极间隔断为1°时，相对于传统每极四块等宽正弦充磁无极间隔断Halbach阵列，气隙磁密基波幅值有着5％左右的提升，正弦畸变率有着12％左右的下降。
具体实施例五：
本实施例中定子槽数为24槽，极对数p为2，每极五块对称型Halbach阵列，主磁极永磁体(5)宽度α1为17°，第一对辅助磁极永磁体(6)宽度α2为21°，充磁角度β1为36°，第二对辅助磁极永磁体(6)宽度α3为15°，充磁角度β2为71°，极间隔断为1°时，相对于传统每极五块等宽正弦充磁无极间隔断Halbach阵列，在气隙磁密正弦畸变率略低的情况下，基波幅值有着3％左右的提升。
具体实施例六：
本实施例中定子槽数为24槽，极对数p为2，每极五块对称型Halbach阵列，主磁极永磁体(5)宽度α1为15°，第一对辅助磁极永磁体(6)宽度α2为21°，充磁角度β1为37°，第二对辅助磁极永磁体(6)宽度α3为16°，充磁角度β2为70°，极间隔断为1°时，相对于传统每极五块等宽正弦充磁无极间隔断结构Halbach阵列，在气隙磁密基波幅值略高的情况下，正弦畸变率有着4％左右的下降。

Claims (2)

1.一种用于永磁电机的任意块对称型Halbach阵列，永磁体阵列为分块式Halbach阵列，其特征在于每极永磁体块数大于两块，若为奇数块，则每极由一块主磁极永磁体（5）、以主磁极永磁体（5）中心线为对称轴依次对称的若干辅助磁极永磁体（6）所组成；若为偶数块，则每极除了上述永磁体外，还具有一块切向充磁永磁体（7），且无论每极是奇数块还是偶数块，都存在极间隔断（8）；
每极中，以主磁极永磁体（5）中心线为对称轴依次对称的若干辅助磁极永磁体（6）具有相等且可变的宽度和充磁角度，主磁极永磁体（5）和切向充磁永磁体（7）的充磁角度分别固定为径向方向和切向方向；
对于每极奇数块结构，极对数为p，设块数值
Figure 319439DEST_PATH_IMAGE001
，磁钢宽度变量
Figure 236580DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 78634DEST_PATH_IMAGE003
，充磁角度变量
Figure 473843DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 101264DEST_PATH_IMAGE005
，极间隔断（8）角度
Figure 923727DEST_PATH_IMAGE006
，则
Figure 190760DEST_PATH_IMAGE007
个宽度变量和
Figure 451977DEST_PATH_IMAGE009
个充磁角度变量必须满足：
Figure 120856DEST_PATH_IMAGE010
每极奇数块和每极偶数块的极间隔断结构不同，设每极的极间隔断角度为
Figure 114220DEST_PATH_IMAGE011
，则每极奇数块时，极间隔断在两块宽度为
Figure 180134DEST_PATH_IMAGE012
，充磁角度为
Figure 917145DEST_PATH_IMAGE013
的辅助磁极永磁体（6）之间，是一个整体，角度为
Figure 440531DEST_PATH_IMAGE014
；每极偶数块时，极间隔断在两块宽度为
Figure 932692DEST_PATH_IMAGE015
，充磁角度为
Figure 174317DEST_PATH_IMAGE016
的辅助磁极永磁体（6）与宽度为
Figure 449441DEST_PATH_IMAGE017
的切向充磁永磁体（7）之间，是对称等宽的两个部分，角度均为
Figure 905961DEST_PATH_IMAGE018
。
2.一种用于永磁电机的任意块对称型Halbach阵列，其特征在于，每极永磁体块数大于两块，若为奇数块，则每极由一块主磁极永磁体（5）、以主磁极永磁体（5）中心线为对称轴依次对称的若干辅助磁极永磁体（6）所组成；若为偶数块，则每极除了上述永磁体外，还具有一块切向充磁永磁体（7），且无论每极是奇数块还是偶数块，都存在极间隔断（8）；
每极中，以主磁极永磁体（5）中心线为对称轴依次对称的若干辅助磁极永磁体（6）具有相等且可变的宽度和充磁角度，主磁极永磁体（5）和切向充磁永磁体（7）的充磁角度分别固定为径向方向和切向方向对于每极偶数块结构，极对数为p，设块数值
Figure 241128DEST_PATH_IMAGE019
，
Figure 970049DEST_PATH_IMAGE020
，
Figure 111181DEST_PATH_IMAGE021
，磁钢宽度变量
Figure 609158DEST_PATH_IMAGE022
，
Figure 380805DEST_PATH_IMAGE023
，充磁角度变量
Figure 643028DEST_PATH_IMAGE024
，
Figure 525533DEST_PATH_IMAGE025
，极间隔断（8）角度
Figure 878017DEST_PATH_IMAGE026
，则
Figure 882882DEST_PATH_IMAGE027
个宽度变量和
Figure 320817DEST_PATH_IMAGE028
个充磁角度变量必须满足：
Figure 741434DEST_PATH_IMAGE029
每极奇数块和每极偶数块的极间隔断结构不同，设每极的极间隔断角度为
Figure 27053DEST_PATH_IMAGE030
，则每极奇数块时，极间隔断在两块宽度为
Figure 140502DEST_PATH_IMAGE031
，充磁角度为
Figure 65733DEST_PATH_IMAGE032
的辅助磁极永磁体（6）之间，是一个整体，角度为
Figure 352358DEST_PATH_IMAGE033
；每极偶数块时，极间隔断在两块宽度为
Figure 413855DEST_PATH_IMAGE034
，充磁角度为
Figure 698206DEST_PATH_IMAGE035
的辅助磁极永磁体（6）与宽度为
Figure 110732DEST_PATH_IMAGE036
的切向充磁永磁体（7）之间，是对称等宽的两个部分，角度均为
Figure DEST_PATH_IMAGE037
。
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