CN215498470U - 一种Halbach阵列永磁电机转子及Halbach阵列永磁电机 - Google Patents

Abstract

一种Halbach阵列永磁电机转子，所述转子包括：转子支撑部件、第一永磁体阵列和第二永磁体阵列；所述第一永磁体阵列包含多个截面形状相同的第一永磁体；所述第二永磁体阵列包含多个截面形状相同的第二永磁体；所述第一永磁体阵列与所述第二永磁体阵列在所述转子支撑部件上相互交错间隔排列，形成Halbach阵列；所述转子支撑部件包含转子轭部及多个支撑固定部；每个所述第一永磁体包含第一固定部及第二固定部，所述第一固定部与所述支撑固定部连接，用于固定所述第一永磁体；相邻两个所述第一永磁体的所述第二固定部之间形成空隙，所述第二永磁体设置于所述空隙之中，并与所述第一永磁体形成自锁结构。

Description

一种Halbach阵列永磁电机转子及Halbach阵列永磁电机

技术领域

本实用新型属于电机技术领域，具体涉及一种Halbach阵列永磁电机转子及Halbach阵列永磁电机。

背景技术

近年来机器人领域发展迅速，尤其是特种机器人，比如足式机器人。这类机器人对执行器提出了很高的要求：转速低(500rpm以下)、力矩大、重量轻、输出功率大、体积小、响应速度快。执行器的性能直接决定机器人性能，而执行器的性能直接由电机决定。机器人用电机的性能可以用电机常数密度衡量，即：单位质量的电机常数，即输出力矩/根号(铜损)/电机的重量。

提高电机扭矩密度的关键之一是提高气隙的磁通量和磁通密度。Halbach阵列(Halbach Array)是一种磁体结构，是工程上的近似理想结构，目标是用最少量的磁体产生最强的磁场，根据研究，Halbach阵列是一种有效提高气隙磁通的手段，此外该结构还具有正弦性好、磁铁利用率高、低转子铁损等优点。

早在1980年代，Halbach阵列就已被美国学者Klaus Halbach提出，然而，在电机的实际设计和应用中，Halbach阵列并不常见，限制halbach阵列在电机中普及的主要原因之一是其复杂的装配工艺。

现有Halbach阵列电机中，为了提高永磁体在转子上的强度，减少电机的振动和转矩脉动，永磁体以圆周均布在转子铁芯内表面上，其中，普遍采用瓦片型、方型或扇形的磁铁。在装配时，主要采用以下几种方式进行装配，即：

一、通过工装强行锁紧永磁体，并在永磁体与转子的接触面之间用强力胶水粘接，通过胶水的粘接力实现永磁体的径向和切向的固定。

然而，该固定方式需要较高的工装夹具成本，且在电机在高速运行时，涡流损耗导致磁铁升温，可能导致胶水失效，从而导致磁铁松动或脱落，产生危险；

二、通过在永磁体靠近定子一侧设置限位装置，从而对永磁体进行径向和/或轴向限位。

然而，该固定方式虽然装配工艺相对较简单，但所需要的零件数量和种类增加了，增加了加工成本；并且，转子在切向和径向上都会产生被限位结构占据的无效空间，降低了气隙的磁通密度。

三、通过在转子外表设置袖套，通过袖套捆绑永磁体使其不脱落。

然而，该固定方式需要专门的套袖套工艺，增加了作业步骤；由于袖套具有一定的厚度，占据了气隙的空间，使得气隙磁通密度降低；袖套工艺难以在轴向高度较小的电机中使用，普适性不高。

实用新型内容

由于现有技术方案的Halbach阵列永磁电机在实际应用中存在上述的技术问题，本实用新型目的在于提供一种Halbach阵列永磁电机转子及Halbach阵列永磁电机，以解决现有技术方案中存在的上述技术问题，使Halbach阵列永磁电机在充分发挥优异的电磁性能的同时，具备便于生产制造、高结构强度以及长寿命的特点。

本实用新型提供的Halbach阵列永磁电机转子的技术方案具体包括：

一种Halbach阵列永磁电机转子，所述转子包括：转子支撑部件、第一永磁体阵列和第二永磁体阵列；

第一永磁体阵列包含多个截面形状相同的第一永磁体；

第二永磁体阵列包含多个截面形状相同的第二永磁体；

第一永磁体阵列与第二永磁体阵列在转子支撑部件上相互交错间隔排列，形成Halbach阵列；

转子支撑部件包含转子轭部及多个支撑固定部；

其中，每个第一永磁体包含第一固定部及第二固定部，第一固定部与支撑固定部连接，用于固定第一永磁体；

相邻两个第一永磁体的第二固定部之间形成空隙，第二永磁体设置于空隙之中，并与第一永磁体形成自锁结构。

优选的，第一永磁体沿径向充磁，第二永磁体沿切向充磁。

优选的，相邻两个第一永磁体的充磁方向相反，相邻两个第二永磁体的充磁方向相反。

优选的，第二固定部的径向长度为第一固定部的径向长度1.3倍到4.5倍。

优选的，第二固定部的平均切向宽度为第二永磁体的平均切向宽度的0.35倍到2.0倍。

优选的，支撑固定部为凹槽结构，凹槽结构的截面形状为燕尾槽。

优选的，第一固定部截面近似为梯形，与凹槽结构配合实现固定连接。

优选的，第二固定部在径向远离转子支撑部件方向处设有限位结构，用于对第二永磁体进行限位。

优选的，第二固定部截面近似为梯形，越靠近转子支撑部件位置的宽度越小，用于对第二永磁体进行径向和切向限位。

优选的，限位结构还包括轴向限位结构。

此外，本实用新型还提供了一种Halbach阵列永磁电机，包括定子以及前述任一种的转子。

通过应用本实用新型提出的一种Halbach阵列永磁电机转子及Halbach阵列永磁电机，能够从源头上解决现有技术中存在的问题，带来以下优点：

第一，本实用新型提供的Halbach阵列永磁电机转子及永磁电机，通过自锁的方式固定永磁体，相对现有技术中，采用普通结构胶锁紧的技术方案，结构失效的临界强度可达现有技术的十倍，使得电机转子可以实现高速运行，不会由于高速旋转产生的离心力或由于胶水在高温环境下失效，导致转子和电机出现提前失效的故障；

第二，本实用新型提供的Halbach阵列永磁电机转子及永磁电机，通过自锁的方式固定永磁体，对永磁体的制造公差要求低、工装夹具设计难度和成本低，适合低成本大批量生产。

第三，本实用新型提供的Halbach阵列永磁电机转子及永磁电机，通过永磁体和转子支撑的互相限位，可提高电机转子整体的刚度，降低噪音且不易变形。

对熟悉本技术领域的人来说，在结合附图阅读本说明书的以下部分之后，这些和其它目的和优点将会变得更加明显。

附图说明

本实用新型的以上技术内容以及下面的具体实施方式在结合附图阅读时会得到更好的理解。需要说明的是，附图仅作为所请求保护的实用新型的示例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的元素。

图1所示为本实用新型一实施例提供的Halbach阵列永磁电机的转子结构示意图；

图2所示为本实用新型一实施例提供的第一永磁体阵列和转子支撑部件示意图；

图3所示为本实用新型一实施例提供的第一永磁体截面示意图；

图4所示为本实用新型一实施例提供的第二永磁体阵列示意图；

图5所示为本实用新型一实施例提供的第一永磁体阵列对第二永磁体阵列限位局部放大示意图；

图6所示为本实用新型一实施例提供的永磁体充磁方向示意图；

图7所示为本实用新型一实施例提供的第一永磁体与第二永磁体截面的主要尺寸示意图；

图8所示为本实用新型一实施例提供的Halbach阵列永磁电机的转子关于第一永磁体的第二固定部径向长度与第二永磁体径向长度的比值与电机性能的关系图；

图9所示为本实用新型一实施例提供的Halbach阵列永磁电机的转子关于第一永磁体的第二固定部平均切向宽度与第二永磁体平均切向宽度的比值与电机性能的关系图；

图10所示为本实用新型一实施例提供的Halbach阵列永磁电机转子的第一永磁体阵列安装示意图；

图11所示为本实用新型一实施例提供的Halbach阵列永磁电机转子的第二永磁体阵列安装示意图；

附图标记如下：

100、转子支撑部件

110、转子轭部

120、支撑固定部

200、第一永磁体阵列

210、第一永磁体

211、第一固定部

212、第二固定部

213、限位结构

300、第二永磁体阵列

310、第一永磁体

400、空隙

具体实施方式

以下在具体实施方式中详细叙述本实用新型的详细特征以及优点，其内容足以使任何本领域技术人员了解本实用新型的技术内容并据以实施，且根据本说明书所揭露的说明书、权利要求及附图，本领域技术人员可轻易地理解本实用新型相关的目的及优点。

图1～图11示出了本实用新型提供的Halbach阵列永磁电机转子及永磁电机的一种较佳的实施方案。

如图1所示的一种Halbach阵列永磁电机转子，该转子包括：转子支撑部件100、第一永磁体阵列200、第二永磁体阵列300；第一永磁体阵列200包含多个截面(沿垂直于电机轴向的截面)形状相同的第一永磁体210；第二永磁体阵列300包含多个截面(沿垂直于电机轴向的截面)形状相同的第二永磁体310。

在一种较佳的实施方式中，第一永磁体210与第二永磁体310的数量之和为n，n为4的整数倍。

第一永磁体阵列与第二永磁体阵列在转子支撑部件100上相互交错间隔排列，形成Halbach阵列。

由于本实施例提供的转子应用于内转子电机，第一永磁体阵列200及第二永磁体阵列300固定在转子支撑部件100的径向外侧。在一种较佳的实施方式中，本实用新型提供的转子可应用于外转子电机，第一永磁体阵列200及第二永磁体阵列300固定在转子支撑部件100的径向内侧。

如图6所示，在一种较佳的实施方式中，第一永磁体210为径向充磁的永磁体，第二永磁体310为切向充磁的永磁体。

在一种较佳的实施方式中，相邻两个第一永磁体210的充磁方向相反，相邻两个第二永磁体310的充磁方向相反，第一永磁体以及第二永磁体分别以如图6所示的方式，N极、S极交错地安装在转子支撑部件100上，充磁方向沿转子支撑部件100的圆周重复。

该充磁方向使得装配时第一永磁体210对第二永磁体310产生使其靠近转子支撑部件100方向的电磁吸力，有利于装配过程的简化。

如图1所示，转子支撑部件100包含转子轭部110及多个支撑固定部120。在一种较佳的实施方式中，转子支撑部件100由不导磁的材料制成。

如图2及图3所示，第一永磁体210包含第一固定部211及第二固定部212，第一固定部211与支撑固定部120连接，用于固定第一永磁体210。

支撑固定部120设置为凹槽结构，凹槽结构的截面(沿垂直于电机轴向截面)形状为燕尾槽。

第一固定部211的截面近似为梯形，与凹槽结构配合实现固定连接。

相邻两个第一永磁体210的第二固定部212之间形成空隙400，第二永磁体310设置于空隙400之中，与第一永磁体210形成自锁结构。

在一种较佳的实施方式中，第二固定部212在径向远离转子支撑部件100方向处设有限位结构213，用于对第二永磁体310进行限位。

作为限位结构213的一种较佳的实施方式，如图2所示，第二固定部212截面近似为梯形，越靠近所述转子支撑部件100位置的宽度越小，使相邻的两个第二固定部212之间形成的空隙400中存在径向收口的结构，使得第二永磁体310无法产生径向远离转子支撑部件100的运动。该结构可确保第二永磁体310在转子旋转过程中，始终位于空隙400中而不出现滑脱或错位的现象。

在一种较佳的实施方式中，第二固定部212的限位结构也可以采用例如：定位销、锯齿挡边等方式。

在一种较佳的实施方式中，限位结构可以进一步包括轴向限位结构，例如：轴向挡边等方式。

在一种较佳的实施方式中，相邻两个第一永磁体210的第二固定部212之间形成的空隙400与第二永磁体310之间采用间隙配合，便于第二永磁体的装配，同时，间隙配合可为后续采用胶水固定提供空间，能够进一步提高结构强度。

图7示出了第一永磁体210与第二永磁体310中的主要外形尺寸，其中，设第一固定部211的径向长度为r_211，第二固定部212的径向长度为r_212，平均切向宽度w_212，第二永磁体310的平均切向宽度w_310。

图8与图9示出了具有本实用新型提供的Halbach阵列电机转子的磁场强度、应力安全系数与第一永磁体210和第二永磁体310尺寸的关系。

图8示出了Halbach阵列电机转子的磁场强度、应力安全系数与第二固定部径向长度与第一固定部径向长度的比值的关系图，其中可见，在其他参数不变的情况下，随着第二固定部径向长度与第一固定部径向长度的比值增加，电机转子的磁场强度增加，而转子的应力安全系数下降。

在一种较佳的实施方式中，第二固定部的径向长度为第一固定部的径向长度的1.3倍到4.5倍，在此区间内，电机转子的磁场强度(以非Halbach阵列磁场强度为基准，设为1)在1.2以上，即相较于非Halbach阵列磁场强度提高了20％以上；而转子的应力安全系数保持在6以上，相对较为稳定，不易失效。

图9示出了Halbach阵列电机转子的磁场强度与第二固定部的平均切向宽度与第二永磁体的平均切向宽度的比值的关系图，其中可见，在其他参数不变的情况下，随着第二固定部的平均切向宽度与第二永磁体的平均切向宽度的比值增加，电机转子的磁场强度先增加，后减小。

其中，在一种较佳的实施方式中，第二固定部的平均切向宽度为第二永磁体的平均切向宽度的0.35倍到2.0倍，在此区间内，电机转子的磁场强度(以非Halbach阵列磁场强度为基准，设为1)在1.2以上，即相较于非Halbach阵列磁场强度提高了20％以上。

本实用新型综合考虑了永磁体的应力情况和磁场强度性能，提出了第一永磁体及第二永磁体的外形尺寸关系，使得第一永磁体210具有较高的应力安全系数，不会受到过于集中的应力而导致断裂或疲劳失效，也同时充分发挥Halbach高磁场密度的特点。

此外，本实用新型还提供了一种Halbach阵列永磁电机，包括定子以及前述任一种的转子。

由上述实施例可知，提供的Halbach阵列永磁电机转子及永磁电机，通过使转子支撑部件、第一永磁体、第二永磁体形成自锁结构的方式在转子上固定永磁体，相对现有技术方案，具有优异的机械强度，使得电机转子可以实现高速运行，不会由于高速旋转产生的离心力或由于胶水在高温环境下失效，导致转子和电机出现提前失效的故障；其次，在加工过程中，对永磁体的制造公差要求低、工装夹具设计难度和成本低，适合低成本大批量生产；此外，通过永磁体和转子支撑的互相限位，可提高电机转子整体的刚度，降低噪音且不易变形。

以机器人中应用的小尺寸(1.5kg以下，直径150mm以下)、低叠高(定子叠高小于定子直径的25％)、多磁极(转子极数在20以上)电机为例，本实用新型提供的Halbach阵列永磁电机转子及电机能发挥Halbach阵列所带来的大扭矩和其他性能提升，同时在制造工艺上易于自动化，并拥有优异的机械强度。采用了Halbach阵列转子的机器人电机单位质量的电机常数最高可提高25％，对节省电机的体积和质量有着重要意义。

这里采用的术语和表述方式只是用于描述，本实用新型并不应局限于这些术语和表述。使用这些术语和表述并不意味着排除任何示意和描述(或其中部分)的等效特征，应认识到可能存在的各种修改也应包含在权利要求范围内。其他修改、变化和替换也可能存在。相应的，权利要求应视为覆盖所有这些等效物。

同样，需要指出的是，虽然本实用新型已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本实用新型，在没有脱离本实用新型精神的情况下还可做出各种等效的变化或替换，因此，只要在本实用新型的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。

Claims (11)

1.一种Halbach阵列永磁电机转子，所述转子包括：转子支撑部件、第一永磁体阵列和第二永磁体阵列；

所述第一永磁体阵列包含多个截面形状相同的第一永磁体；

所述第二永磁体阵列包含多个截面形状相同的第二永磁体；

所述第一永磁体阵列与所述第二永磁体阵列在所述转子支撑部件上相互交错间隔排列，形成Halbach阵列；

所述转子支撑部件包含转子轭部及多个支撑固定部；

其特征在于，

每个所述第一永磁体包含第一固定部及第二固定部，所述第一固定部与所述支撑固定部连接，用于固定所述第一永磁体；

相邻两个所述第一永磁体的所述第二固定部之间形成空隙，所述第二永磁体设置于所述空隙之中，并与所述第一永磁体形成自锁结构。

2.如权利要求1所述的Halbach阵列永磁电机转子，其特征在于，所述第一永磁体沿径向充磁，所述第二永磁体沿切向充磁。

3.如权利要求2所述的Halbach阵列永磁电机转子，其特征在于，相邻两个所述第一永磁体的充磁方向相反，相邻两个所述第二永磁体的充磁方向相反。

4.如权利要求1所述的Halbach阵列永磁电机转子，其特征在于，所述第二固定部的径向长度为所述第一固定部的径向长度1.3倍到4.5倍。

5.如权利要求1所述的Halbach阵列永磁电机转子，其特征在于，所述第二固定部的平均切向宽度为所述第二永磁体的平均切向宽度的0.35倍到2.0倍。

6.如权利要求1所述的Halbach阵列永磁电机转子，其特征在于，所述支撑固定部为凹槽结构，所述凹槽结构的截面形状为燕尾槽。

7.如权利要求6所述的Halbach阵列永磁电机转子，其特征在于，所述第一固定部截面近似为梯形，与所述凹槽结构配合实现固定连接。

8.如权利要求1或7所述的Halbach阵列永磁电机转子，其特征在于，所述第二固定部在径向远离所述转子支撑部件方向处设有限位结构，用于对第二永磁体进行限位。

9.如权利要求8所述的Halbach阵列永磁电机转子，其特征在于，所述第二固定部截面近似为梯形，越靠近所述转子支撑部件位置的宽度越小，用于对所述第二永磁体进行径向和切向限位。

10.如权利要求9所述的Halbach阵列永磁电机转子，其特征在于，所述限位结构还包括轴向限位结构。

11.一种Halbach阵列永磁电机，包括定子，其特征在于，所述永磁电机包括如权利要求1～10中任一项所述的转子。

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