CN116260305A - 一种基于Halbach聚磁式转子的模块化轴向磁通混合励磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Halbach聚磁式转子的模块化轴向磁通混合励磁电机，包括机壳、与机壳转动连接的转轴，还包括机壳内沿轴向设置的盘式定子、环形直流励磁单元以及与盘式定子存在气隙的盘式转子；盘式定子固定在机壳上，其外缘绕制交流电枢绕组，环形直流励磁单元固定在盘式定子中部且激发气隙励磁磁场；盘式转子朝向盘式定子一侧设有呈Halbach阵列的永磁体，转轴与盘式转子固定连接并与盘式定子转动连接。本发明利用Halbach结构良好的单边聚磁效应，提升电机气隙磁场强度与调磁范围，进而提升输出转矩能力，提高永磁体利用率，拓宽电机调速范围，解决交替磁极混合励磁电机转矩密度较低的问题。

Description

一种基于Halbach聚磁式转子的模块化轴向磁通混合励磁 电机

技术领域

本发明涉及轴向磁通混合励磁电机技术领域，具体来说，涉及一种基于Halbach聚磁式转子的模块化轴向磁通混合励磁电机。

背景技术

轴向磁通混合励磁电机具备轴向磁通电机体积小、重量轻、功率密度高等优点的同时，又可通过辅助电励磁绕组调节气隙磁通，实现电机宽调速范围运行，在工业机器人、无人机、电动汽车等恒功率调速驱动和恒压发电领域的应用前景广泛。目前常见的轴向磁通混合励磁电机转子为简单的交替磁极结构，存在转矩密度较低的固有弊端，一定程度上限制其在工业上的应用发展。

Halbach阵列是一种新型的永磁体结构排列方式，按一定规律排列不同充磁方向的永磁体，可获得理想单边磁场，即仅在磁体阵列一侧磁力线显著汇聚，另一侧磁力线削弱，该效应称Halbach阵列的“磁自屏蔽特性”或“磁单极性”。采用Halbach阵列的永磁体易产生空间较理想正弦分布的、具有足够强度的磁场。应用到永磁电机领域，可得到具有理想正弦度、谐波含量小的电机气隙磁密；同时对背铁引导磁路的依赖性较小，可适当减小背铁厚度，显著降低电机质量与体积，从而减少电机铁芯损耗及转动惯量。

理想Halbach阵列磁化矢量按正弦曲线连续变化，其一侧场强在空间按正弦曲线分布且可达到传统阵列的

倍，另一侧场强为0，如图10所示。实际应用为节约成本常将多块不同充磁方向永磁体拼接以近似正弦充磁效果，如图11，仍可得到较为良好的单边磁场。采用多对极Halbach阵列的永磁电机较传统永磁电机的气隙磁场分布正弦度高、气隙磁密大、电机铁损少。将Halbach永磁体阵列应用到轴向磁通混合励磁电机，可有效改善甚至解决交替磁极结构转矩密度较低的问题。

轴向磁通电机结构紧凑，体积小，通常采用高磁导率硅钢片，电机定子铁芯磁通密度比较大，处于高频运行状态时产生较大的涡流损耗，影响电机运行效率。软磁复合材料(SMC)具有磁、热各向同性的特点，在高频下其涡流损耗低于硅钢片，但其机械强度、磁导率相对较低，一定程度上影响输出转矩能力。目前国内外学者对如何利用SMC材料的优势优化电机结构，使SMC轴向磁通电机具有更高的转矩输出能力和效率进行了一定研究探索。

公开号为CN109600010B的中国发明专利公布了一种具有Halbach永磁阵列的双定子混合励磁电机，外定子放置电枢绕组，内定子放置励磁绕组与Halbach阵列排布磁极；中间转子由转子调磁块和非导磁块连接形成调磁环，对气隙磁场进行调制。该专利的创新点在于：(1)将电枢绕组与励磁绕组分开放置，解决了传统混合励磁电机定子空间拥挤的问题；(2)采用Halbach阵列结构排布，充分发挥其磁自屏蔽型与单边磁场增磁性，提高转矩输出；(3) Halbach阵列永磁体安置在内定子，可有效避免励磁磁场经永磁体短路，降低不可逆退磁风险，改善混合励磁效果但是该设计在电机性能上仍存在不足：径向磁通双定子结构电机体积较大，存在内定子散热困难，电机温升高的问题，且转矩密度较轴向磁通仍有不足；采用磁场调制原理设计定子永磁型电机，存在功率因数较低的共性问题。

公开号为CN111884460B的中国发明专利公开了一种轴向磁通混合励磁记忆电机，包括一个定子盘和一个Halbach结构的转子盘。其转子盘外侧由铝镍钴永磁体和缠绕在永磁体上的脉冲励磁绕组构成，内侧为表贴在软磁材料表面的钕铁硼永磁体。该设计在保留轴向磁通电机结构紧凑、漏磁较小优点的同时，采用脉冲电流调磁，通过控制脉冲电流大小及方向调节铝镍钴永磁体的磁化状态，电励磁损耗接近于0，提高了电机工作效率；但是该设计的不足之处在于：通过控制脉冲电流进而实现电机调磁功能，对电机控制技术方面要求较高。

综上所述，以上现有技术均未对轴向磁通交替磁极混合励磁转矩密度较低的劣势提出可靠的改进技术方案，且目前国内现有相关专利和文献在Halbach阵列永磁体在轴向磁通混合励磁电机中的应用方面尚未提出有效的实施案例。

发明内容

针对相关技术中的问题，本发明提出一种基于Halbach聚磁式转子的模块化轴向磁通混合励磁电机，以妥善解决轴向磁通交替磁极混合励磁转矩密度较低的问题。

为此，本发明采用的具体技术方案如下：

一种基于Halbach聚磁式转子的模块化轴向磁通混合励磁电机，包括机壳、与机壳转动连接的转轴，还包括机壳内沿轴向设置的盘式定子、环形直流励磁单元以及与盘式定子存在气隙的盘式转子；盘式定子固定在机壳上，其外缘绕制交流电枢绕组，环形直流励磁单元固定在盘式定子中部且激发气隙励磁磁场；盘式转子朝向盘式定子一侧设有呈Halbach阵列的永磁体，转轴与盘式转子固定连接并与盘式定子转动连接。

在可能的一个设计中，盘式转子还包括转子背铁以及软磁磁极，软磁磁极与所述呈Halbach阵列的永磁体沿转子背铁朝向盘式定子一侧面周向交替排列。

在可能的一个设计中，所述盘式定子包括沿径向依次设置的固定环形直流励磁单元的定子凸台、定子轭部以及模块化的定子齿。

在可能的一个设计中，所述盘式定子铁芯为组合定子，定子轭部及定子凸台由SMC软磁复合材料压铸成型，定子齿由硅钢片卷绕切割成型。

在可能的一个设计中，所述环形直流励磁单元包括骨架与励磁线圈，骨架采用非导磁绝缘材料，沿两侧定子齿内圆周向呈圆环状，并开有U型槽；励磁线圈采用漆包线环形绕制嵌放入U型槽中。

在可能的一个设计中，永磁体为分段Halbach阵列。

在可能的一个设计中，环形直流励磁单元与中间盘式定子通过环氧树脂灌封固定。

在可能的一个设计中，永磁体的排布方式与充磁方向遵循以下原则：居中位置的永磁体沿轴向充磁，且所有Halbach永磁模块的充磁方向相同。

在可能的一个设计中，永磁体的排布方式与充磁方向还遵循以下原则：

每一永磁模块的两块第一辅助永磁体充磁方向分别为柱坐标系下

(r，φ，z)=(r₁，φ₁，z₁)、(r，φ，z)=(r₁，-φ₁，z₁)，

两块第二辅助永磁体充磁方向分别为柱坐标系下

(r，φ，z)=(r₁，φ₁，-z₁)、(r，φ，z)=(r₁，-φ₁，-z₁)。

在可能的一个设计中，每个Halbach永磁模块均由5块永磁体沿圆周方向组成，分别为中间永磁体、紧贴于中间永磁体两侧的两块第一辅助永磁体、紧贴于第一辅助永磁体模块两侧的两块第二辅助永磁体。

本发明利用Halbach结构良好的单边聚磁效应，提升电机气隙磁场强度与调磁范围，进而提升输出转矩能力，本发明采用轴向磁通电机可有效减小电机轴向长度，散热效果及转矩性能良好：定子采用SMC与硅钢片组合铁芯，有效利用SMC材料高频低铁损特性的同时保持较高磁导率，且齿部做模块化处理，减小绕组端部长度，提高容错能力；采用混合励磁技术，通过调节励磁电流，实现气隙磁场可调，拓展在宽调速范围驱动领域中的应用；永磁体采用 Halbach阵列结构，提高永磁体利用率，拓宽电机调速范围解决交替磁极混合励磁电机转矩密度较低的问题。本发明提出的 Halbach聚磁式单定子单转子轴向磁通混合励磁电机，调速范围宽且易于实现，体积小，重量轻，可用于工业机器人、无人机、电动汽车、新能源发电等诸多领域。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明采用轴向磁通交替磁极结构，引入电励磁辅助绕组，弥补表贴式永磁电机调速范围小的缺陷，实现宽调速范围，功率密度高；

2、本发明采用Halbach阵列永磁体排布，有效提高电机气隙磁场，弥补交替磁极混合励磁转矩密度较低的劣势；

3、本发明利用Halbach阵列单边磁场效应，正向直流励磁作用时可大幅提升气隙磁密基波幅值，反向弱磁时气隙磁密略高于普通交替磁极结构，可一定程度上提高电机调磁范围，进一步增强电机宽调速范围运行能力；

4、本发明定子模块化设计，绕组端部体积减小，提高电机容错能力，减小电机材料成本与维修成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明一种基于Halbach聚磁式转子的模块化轴向磁通混合励磁电机实施例的纵向剖面结构图；

图2示出了本发明一种基于Halbach聚磁式转子的模块化轴向磁通混合励磁电机中模块化盘式定子铁芯结构示意图；

图3示出了直流励磁单元结构示意图；

图4示出了盘式转子及Halbach永磁模块结构示意图；

图5示出了Halbach 阵列永磁模块在无励磁下磁力线走向示意图；

图6示出了Halbach 阵列永磁模块在正向励磁下磁力线走向示意图;

图7示出了Halbach 阵列永磁模块在反向励磁下磁力线走向示意图；

图8示出了负向直流励磁磁路示意图；

图9示出了本发明Halbach聚磁式转子的模块化轴向磁通混合励磁电机主要拓扑结构爆炸图；

图10示出了Halbach阵列理想充磁效果示意图；

图11示出了Halbach阵列分段拼接近似示意图。

具体实施方式

为进一步说明各实施例，本发明提供有附图，这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理，配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点，图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。

附图标记说明：盘式定子1、盘式转子2、环形直流励磁绕组3、转轴4、机壳5、端盖6、外气隙7、内气隙8、定子铁芯101、定子齿102、交流电枢绕组103、定子凸台104、定子轭部105、转子背铁201、永磁体202、软磁磁极203、骨架301、励磁线圈302。

如图1-9所示，本发明的目的在于克服现有技术的不足，针对交替磁极混合励磁电机转矩密度较低的劣势，从电机本体设计角度考虑，提出一种新型Halbach聚磁式转子的模块化轴向磁通混合励磁电机，本发明利用Halbach结构良好的单边聚磁效应提升电机气隙磁场强度与调磁范围，进而提升输出转矩能力，本发明采用轴向磁通电机可有效减小电机轴向长度，散热效果及转矩性能良好；定子采用 SMC与硅钢片组合铁芯，有效利用SMC材料高频低铁损特性的同时保持较高磁导率，且齿部做模块化处理，减小绕组端部长度，提高容错能力；本发明采用混合励磁技术通过调节励磁电流，实现气隙磁场可调，拓展在宽调速范围驱动领域中的应用；本发明永磁体202采用Halbach阵列结构，提高永磁体202利用率，拓宽电机调速范围，解决交替磁极混合励磁电机转矩密度较低的问题。本发明提出的Halbach聚磁式单定子单转子轴向磁通混合励磁电机，调速范围宽且易于实现，体积小，重量轻，可用于工业机器人、无人机、电动汽车、新能源发电等诸多领域。

本发明提出的基于Halbach聚磁式转子的模块化轴向磁通混合励磁电机，包括机壳5以及固定在机壳5轴向两端的端盖6，还包括位于机壳5内的一个盘式定子1、一个盘式转子2、环形直流励磁绕组3和转轴4：模块化盘式定子1上绕制一套交流电枢绕组103；环形直流励磁绕组3沿定子内圆凸台104环绕，盘式转子2与所述定子同轴安装，所述转子包括转子背铁201、永磁体202与软磁磁极203，转子永磁体202采用Halbach充磁方式，转轴4通过轴承固定在端盖6上。

模块化盘式定子1嵌入机壳5，包括定子铁芯101与交流电枢绕组103两部分，定子铁芯101轭部及定子凸台104采用SMC材料，定子齿102部使用硅钢片材料并做模块化处理：三相绕组采用漆包线环绕在定子齿102上，环形直流励磁绕组3沿定子内圆凸台周向固定。

盘式转子2由转子背铁201、永磁体202、软磁磁极203组成，呈Halbach阵列的永磁体202固定在转子背铁201靠近盘式定子1侧表面；软磁磁极203与Halbach阵列永磁体202模块沿转子盘周向交替排列；盘式转子2与转轴4相连，通过轴承固定在端盖6上，通过调节辅助电励磁，可实现电机宽调速范围平滑运行。

如图1-9所示，本实例提供的电动机结构为：

盘式定子1与机壳5固定连接，定子绕组绕制于模块化定子齿102上；环形直流励磁绕组3沿定子内圆凸台周向安置；盘式转子2由转子背铁201、Halbach阵列排布的永磁体202与软磁磁极203构成；转子与转轴4相连，转轴4通过轴承与端盖6相接。

如图2所示，中间盘式定子1铁芯为组合定子，包括定子轭部105、定子凸台104与模块化定子齿102三部分；定子轭部105及定子凸台104由SMC软磁复合材料压铸成型；模块化定子齿102由硅钢片卷绕，采用激光切割等方式加工成扇形模块；组合定子使用厌氧胶粘结；定子铁芯101与机壳5相连；三相电枢绕组环绕在模块化定子齿102上。

如图3所示，环形直流励磁绕组3包括支架与励磁线圈302，支架采用非导磁绝缘材料，沿定子齿102内圆周向呈圆环状，励磁线圈302采用漆包线环形绕制在支架上。灌封环氧树脂将盘式定子1与直流励磁单元固定为整体。

如图4所示，盘式转子2由永磁体202、转子背铁201及其表面凸出的软磁磁极203组成。转子背铁201为导磁材料，使用激光切割等方式在其表面加工成凸出软磁磁极203；呈Halbach阵列的永磁体202模块使用磁体胶表贴固定在转子背铁201靠近定子侧表面；软磁磁极203与Halbach阵列永磁体202模块沿转子盘周向交替排列；转子与转轴4相连，通过轴承固定在端盖6上，通过调节辅助电励磁单元，可实现电机宽调速范围平滑运行。

转子永磁体202为分段Halbach阵列，每极下为一个Halbach永磁模块，每个Halbach永磁模块均由5块永磁体202沿圆周方向采用磁体胶紧密贴合组成，分别为中间永磁体202、紧贴于中间永磁体202两侧的两块第一辅助永磁体202、紧贴于第一辅助永磁体202模块两侧的两块第二辅助永磁体202，其排布方式与充磁方向有如下特点：(1)居中位置的永磁体202沿轴向充磁.且相邻两永磁模块的中间永磁体202充磁方向相同，(2)永磁体的排布方式与充磁方向还遵循以下原则：每一永磁模块的两块第一辅助永磁体202充磁方向分别为柱坐标系下

(r，φ，z)=(r₁，φ₁，z₁)、(r，φ，z)=(r₁，-φ₁，z₁)，两块第二辅助永磁体202充磁方向分别为柱坐标系下(r，φ，z)=(r₁，φ₁，-z₁)、(r，φ，z)=(r₁，-φ₁，-z₁)。

具体的，本实例中优选每一永磁模块的两块第一辅助永磁体202充磁方向分别为柱坐标系下(r，φ，z)=(0，π/4，1)、(r，φ，z)=(0，-π/4，1)，两块第二辅助永磁体202充磁方向分别为柱坐标系下(r，φ，z)=(0，π/4，-1)、(r，φ，z)=(0，-π/4，-1)，也即r₁取值为0，φ₁取值为π/4，z₁取值为1，各永磁体202充磁方向可根据实际电机设计需求进行修改，并不以本实施例为固定设置参数；相邻Halbach永磁模块间由软磁磁极203隔开，且二者辅助永磁体202充磁方向相异。

图5、图6、图7分别为 Halbach 阵列永磁模块在无励磁、正向励磁及反向励磁下磁力线走向示意图，如图5-7所示，Halbach阵列永磁模块具有良好的单边磁场效应，在正向励磁作用下，软磁极对应气隙磁场进一步增强； 反向励磁作用下，整个Halbach永磁体202阵列对应气隙磁场中磁力线经由气隙、定子齿102被反向励磁磁路短路，进一步达到削弱气隙磁场的效果。由此，相比普通的永磁体202排列方式，Halbach阵列永磁体202强侧磁场聚磁效果明显，且有利于电机拓宽调磁范围，进而提升电机宽范围调速运行能力。

图8为本实例Halbach聚磁式转子的模块化轴向磁通混合励磁电机反向直流励磁磁路示意图，环形直流励磁绕组3产生的励磁磁路经由定子凸台104-内气隙8-转子背铁201-永磁磁极-外气隙7-模块化定子齿102-定子轭部105形成闭合回路，随着励磁电流的增加，部分励磁磁路经由定子凸台104-内气隙8-转子背铁201-软磁磁极203-外气隙7-模块化定子齿102-定子轭部105形成闭合回路，进一步削弱气隙磁密基波幅值。

本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于Halbach聚磁式转子的模块化轴向磁通混合励磁电机，其特征在于，包括机壳、与机壳转动连接的转轴，还包括机壳内沿轴向设置的盘式定子、环形直流励磁单元以及与盘式定子存在气隙的盘式转子；盘式定子固定在机壳上，其外缘绕制交流电枢绕组，环形直流励磁单元固定在盘式定子中部且激发气隙励磁磁场；盘式转子朝向盘式定子一侧设有呈Halbach阵列的永磁体，转轴与盘式转子固定连接并与盘式定子转动连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于Halbach聚磁式转子的模块化轴向磁通混合励磁电机，其特征在于，盘式转子还包括转子背铁以及软磁磁极，软磁磁极与所述呈Halbach阵列的永磁体沿转子背铁朝向盘式定子一侧面周向交替排列。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于Halbach聚磁式转子的模块化轴向磁通混合励磁电机，其特征在于，所述盘式定子包括沿径向依次设置的固定环形直流励磁单元的定子凸台、定子轭部以及模块化的定子齿。

4.根据权利要求3所述的一种基于Halbach聚磁式转子的模块化轴向磁通混合励磁电机，其特征在于，所述盘式定子铁芯为组合定子，定子轭部及定子凸台由SMC软磁复合材料压铸成型，定子齿由硅钢片卷绕切割成型。

5.根据权利要求4所述的一种基于Halbach聚磁式转子的模块化轴向磁通混合励磁电机，其特征在于，所述环形直流励磁单元包括骨架与励磁线圈，骨架采用非导磁绝缘材料，沿两侧定子齿内圆周向呈圆环状，并开有U型槽；励磁线圈采用漆包线环形绕制嵌放入U型槽中。

6.根据权利要求1、2、4或5任一项所述的一种基于Halbach聚磁式转子的模块化轴向磁通混合励磁电机，其特征在于，永磁体为分段Halbach阵列。

7.根据权利要求5所述的一种基于Halbach聚磁式转子的模块化轴向磁通混合励磁电机，其特征在于，环形直流励磁单元与中间盘式定子通过环氧树脂灌封固定。

8.根据权利要求6所述的一种基于Halbach聚磁式转子的模块化轴向磁通混合励磁电机，其特征在于，永磁体的排布方式与充磁方向遵循以下原则：居中位置的永磁体沿轴向充磁，所有Halbach模块充磁方向相同。

9.根据权利要求8所述的一种基于Halbach聚磁式转子的模块化轴向磁通混合励磁电机，其特征在于，永磁体的排布方式与充磁方向还遵循以下原则：每一永磁模块的两块第一辅助永磁体充磁方向分别为柱坐标系下(r，φ，z)=(r₁，φ₁，z₁)、(r，φ，z)=(r₁，-φ₁，z₁)，两块第二辅助永磁体充磁方向分别为柱坐标系下

(r，φ，z)=(r₁，φ₁，-z₁)、(r，φ，z)=(r₁，-φ₁，-z₁)。

10.根据权利要求8或9所述的一种基于Halbach聚磁式转子的模块化轴向磁通混合励磁电机，其特征在于，每个所述Halbach永磁模块均由5块永磁体沿圆周方向组成，分别为中间永磁体、紧贴于中间永磁体两侧的两块第一辅助永磁体、紧贴于第一辅助永磁体模块两侧的两块第二辅助永磁体。

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