CN115473401A - 一种具有Halbach永磁阵列的定子模块化磁场调制电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有Halbach永磁阵列的定子模块化磁场调制电机，由外向内同轴设置定子、电枢绕组、内侧增强型Halbach阵列定子永磁体、调磁环转子、外侧增强型Halbach阵列内转子永磁体、内转子、转轴，定子由N个模块化结构的C型定子铁芯组成，定子铁芯内侧设置N个定子槽，定子槽槽口处、内转子外表面紧贴着若干块以一定方向充磁的圆弧型Halbach阵列永磁体。若干导磁块与隔磁块彼此紧贴交替排列组成调磁环转子，调磁环转子与定子永磁体、内转子永磁体之间设有外层气隙和内层气隙。与现有技术相比，本发明增强外层气隙和内层气隙磁场强度，优化气隙磁密波形，提高电机转矩密度和功率因数；采用模块化定子结构，具有制造组装简单、容错能力高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及电机技术领域，特别涉及一种具有Halbach永磁阵列的定子模块化磁场调制电机。
背景技术
磁场调制电机因定子和转子极对数不同，并基于磁场调制原理可产生稳定的转矩。特殊的工作原理使得磁场调制电机具有高转矩密度、低转矩脉动、高设计自由度等特点而被国内外高校学者、科研院所等机构设计成多种新拓扑结构，广泛应用于军工、航天、农用、民用等领域，尤其在新能源汽车驱动系统、风力发电装置、伺服驱动领域方面具有较高的应用价值。
基于磁场调制电机的诸多优点，受到了国内外学者的广泛关注。对此，中国专利CN112953046A公开了一种低谐波损耗的定子模块化磁场调制电机，通过磁场调制原理与模块化定子相结合能够有效增加电机低次谐波磁路的磁阻，而对电机主要工作谐波磁路影响很小，能够对电机中低次谐波产生较好的抑制作用并同时降低电机损耗。但该调制型电机中的调磁环转子与定子、内转子设有的内外层气隙存在漏磁现象，使得电机内外层气隙磁密波形不均匀，造成电机功率密度和转矩密度下降，功率因数低。当磁场调制电机应用于部分大型驱动系统时，例如海上风力发电装置的驱动电机，也对永磁电机的功率密度和转矩密度提出了更高的要求。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种具有Halbach永磁阵列的定子模块化磁场调制电机，广泛适用于海上风力发电装置、磁悬浮装置等领域，采用模块化定子结构，具有制造组装简单、容错能力高等优点，采用内侧增强型Halbach阵列定子永磁体和外侧增强型Halbach阵列内转子永磁体，基于增磁和弱磁原理可增强外层气隙和内层气隙磁场强度，优化气隙磁密波形，提高电机转矩密度和功率因数。
技术方案：本发明提供了一种具有Halbach永磁阵列的定子模块化磁场调制电机，包括定子、电枢绕组、定子永磁体、调磁环转子、内转子永磁体、内转子以及转轴，所述定子由N个模块化结构的C型定子铁芯组成，N个定子铁芯内侧设置N个定子槽，N取正整数且为偶数，每个定子槽的槽口处均设置有3块彼此紧贴且以Halbach方式充磁的圆弧型永磁体，即为所述定子永磁体，相邻两个定子铁芯间存在定子间隙；所述内转子永磁体为3块彼此紧贴且以Halbach方式充磁的圆弧型永磁体，所述内转子永磁体与所述定子永磁体之间设置有由2M个彼此紧贴且交替排列的导磁块和隔磁块组成的调磁环转子,M取正整数，所述调磁环转子与定子永磁体、内转子永磁体分别设有外层气隙和内层气隙，所述内转子外表面紧贴着所述内转子永磁体，所述转轴贯穿于所述定子、定子永磁体、调磁环转子、内转子永磁体、内转子且都在同一径向中心线上。
进一步地，所述外层气隙、内层气隙宽度相同，均为1.1mm。
进一步地，所述导磁块和隔磁块均为瓦片式结构，厚度一致。
进一步地，所述电枢绕组绕制于相邻定子铁芯轭部向中间方向凸起的定子齿上，各相绕组在结构、磁路和电路上相对独立，所述电枢绕组采用单层或双层分数槽集中式缠绕方式。
进一步地，所述定子永磁体和内转子永磁体均为分块式Halbach阵列磁极结构，三块磁极共同构成一组，中间磁极为切向充磁，两边磁极为方向相反的径向充磁。
进一步地，相邻定子槽槽口处的两组定子永磁体的两边径向磁极充磁方向相同，中间切向磁极充磁方向相反，相邻两组内转子永磁体 两边切向磁极充磁方向相同，中间径向磁极充磁方向相反。
进一步地，所述定子永磁体为内侧增强型Halbach阵列永磁体，所述内转子永磁体为外侧增强型Halbach阵列永磁体。
进一步地，所述定子和内转子均采用硅钢片叠制，所述导磁块与隔磁块由N个调磁轭铁和N个非导磁材料制成，所述定子、定子永磁体和内转子永磁体均采用铁氧体永磁体制成。
有益效果：
1、本发明在常规磁场调制型永磁电机的基础上，采用内侧增强型Halbach阵列定子永磁体和外侧增强型环形Halbach阵列内转子永磁体，基于增磁和弱磁原理可增强外层气隙和内层气隙磁场强度，优化气隙磁密波形，进而提高电机功率密度和转矩密度。
2、本发明采用模块化定子结构，制造组装简单，当其与隔齿分数槽集中绕组配合时，设置一定宽度范围的定子间隙，可使得各相绕组在结构、磁路和电路上相对独立，在故障情况下可以防止故障相对正常相产生影响，减小磁耦合和相间互感，增大电机的自感，提高容错能力。
3、本发明定子间隙必要时可加入水冷散热装置，避免电机高速运转时热量积聚引起高温，可防止退磁现象的发生。同时，C型定子铁芯结构可大大提高绕组槽面积，提高槽满率。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为图1中相邻两组定子永磁体充磁方向示意图；
图3为图1中内转子永磁体充磁方向示意图。
其中，1-定子，2-定子间隙，3-电枢绕组，4-定子永磁体，5-调磁环转子，6-内转子永磁体，7-内转子，8-转轴，101-导磁块，102-隔磁块，201-内层气隙，202-外层气隙。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细的介绍。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、 “顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本发明公开了一种具有Halbach永磁阵列的定子模块化磁场调制电机，包括定子1、电枢绕组3、定子永磁体4、调磁环转子5、内转子永磁体6、内转子7、转轴8，参见图1，调磁环转子5与定子永磁体4、内转子永磁体6分别设有外层气隙202和内层气隙201，定子1由N(N取正整数且为偶数)个模块化结构的C型定子铁芯组成，本实施方式中，模块化定子结构为12个，12个定子铁芯内侧设置12个定子槽，每个定子槽的槽口处均设置有3块彼此紧贴且以Halbach方式充磁的圆弧型永磁体，相邻两个定子铁芯间存在定子间隙2，间隙厚度为1mm,调磁环转子5由2M(M取正整数)个彼此紧贴交替排列的导磁块101和隔磁块102组成，本实施方式中，导磁块101和隔磁块102各18个，内转子7外表面紧贴着若干块以一定方向充磁的圆弧型Halbach阵列永磁体。
调磁环转子5与定子永磁体4、内转子永磁体6设有的外层气隙202、内层气隙201宽度相同，均为1.1mm。导磁块101和隔磁块102均为瓦片式结构，厚度为4.8mm。
电枢绕组3绕制于相邻定子铁芯轭部向中间方向凸起的定子齿上，各相绕组在结构、磁路和电路上相对独立，电枢绕组3可采用单层或双层分数槽集中式缠绕方式，本实施方式中采用单层分数槽集中式缠绕方式。
定子永磁体4和内转子永磁体6均为分块式Halbach阵列磁极结构，三块磁极共同构成一组，中间磁极为切向充磁，两边磁极为方向相反的径向充磁，
相邻定子槽槽口处的两组定子永磁体4的两边径向磁极充磁方向相同，中间切向磁极充磁方向相反，相邻两组内转子永磁体6两边切向磁极充磁方向相同，中间径向磁极充磁方向相反。
定子永磁体4为内侧增强型Halbach阵列永磁体、内转子永磁体6外侧增强型Halbach阵列永磁体。本实施方式中，定子永磁体4设置12组，内转子永磁体6设置10组。
转轴8贯穿于定子1、电枢绕组3、定子永磁体4、调磁环转子5、内转子永磁体6、内转子7且以上都在同一径向中心线上，参见附图1。
定子1和转子7均采用硅钢片叠制，硅钢片厚度0.5mm，导磁块101与隔磁块102由调磁轭铁和非导磁材料制成，定子永磁体和内转子永磁体4和6均采用铁氧体永磁体制成。
上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种具有Halbach永磁阵列的定子模块化磁场调制电机，其特征在于，由外向内包括定子(1)、电枢绕组(3)、定子永磁体(4)、调磁环转子(5)、内转子永磁体(6)、内转子(7)以及转轴(8)，所述定子（1）由N个模块化结构的C型定子铁芯组成，N个定子铁芯内侧设置N个定子槽，N取正整数且为偶数，每个定子槽的槽口处、内转子外表面均设置有3块彼此紧贴且以Halbach方式充磁的圆弧型永磁体，即为所述定子永磁体(4)、内转子永磁体(6)，相邻两个定子铁芯间存在定子间隙(2)；所述内转子永磁体(6)与所述定子永磁体(4)之间设置有由2M个彼此紧贴且交替排列的导磁块(101)和隔磁块(102)组成的调磁环转子(5),M取正整数，所述调磁环转子(5)与定子永磁体(4)、内转子永磁体(6)分别设有外层气隙(202)和内层气隙(201)，所述转轴（8）贯穿于所述定子(1)、定子永磁体(4)、调磁环转子(5)、内转子永磁体(6)、内转子(7)且都在同一径向中心线上。
2.根据权利要求1所述的具有Halbach永磁阵列的定子模块化磁场调制电机，其特征在于，所述外层气隙(202)、内层气隙(201)宽度相同，均为1.1mm。
3.根据权利要求1所述的具有Halbach永磁阵列的定子模块化磁场调制电机，其特征在于，所述导磁块(101)和隔磁块（102）均为瓦片式结构，厚度一致。
4.根据权利要求1所述的具有Halbach永磁阵列的定子模块化磁场调制电机，其特征在于，所述电枢绕组(3)绕制于相邻定子铁芯轭部向中间方向凸起的定子齿上，各相绕组在结构、磁路和电路上相对独立，所述电枢绕组(3)采用单层或双层分数槽集中式缠绕方式。
5.根据权利要求1所述的具有Halbach永磁阵列的定子模块化磁场调制电机，其特征在于，所述定子永磁体(4)和内转子永磁体(6)均为分块式Halbach阵列磁极结构，三块磁极共同构成一组，中间磁极为切向充磁，两边磁极为方向相反的径向充磁。
6. 根据权利要求5所述的具有Halbach永磁阵列的定子模块化磁场调制电机，其特征在于，相邻定子槽槽口处的两组定子永磁体(4)的两边径向磁极充磁方向相同，中间切向磁极充磁方向相反，相邻两组内转子永磁体(6) 两边切向磁极充磁方向相同，中间径向磁极充磁方向相反。
7.根据权利要求5所述的具有Halbach永磁阵列的定子模块化磁场调制电机，其特征在于，所述定子永磁体(4)为内侧增强型Halbach阵列永磁体，所述内转子永磁体(6)为外侧增强型(6)Halbach阵列永磁体。
8.根据权利要求1至7任一所述的具有Halbach永磁阵列的定子模块化磁场调制电机，其特征在于，所述定子(1)和内转子(7)均采用硅钢片叠制，所述导磁块(101)与隔磁块(102)由N个调磁轭铁和N个非导磁材料制成，所述定子（1）、定子永磁体(4)和内转子永磁体(6)均采用铁氧体永磁体制成。
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Cited By (2)
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| CN116232004B (zh) * | 2023-02-28 | 2023-09-26 | 江苏大学 | 一种基于三维调制效应的磁力丝杠作动器及其设计方法 |
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