CN220775614U - 基于Halbach永磁阵列高功率径向表贴式力矩电机 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于永磁力矩电机技术领域，具体涉及基于Halbach永磁阵列高功率径向表贴式力矩电机，该力矩电机的极槽配合形式为28极27槽，包括定子和转子，定子与转子之间存在气隙，转子上设有若干块永磁体，且若干块永磁体采用径向双层Halbach阵列形式排布；本实用新型在永磁力矩电机中，将若干块永磁体采用径向双层Halbach阵列形式排布，使得力矩电机初步得到了高气隙磁密幅值和较好的正弦分布特性的基础上，本实用新型还对磁极单元中径向充磁永磁体与切向充磁永磁体的弧度关系进行限定，以此来得到完全趋于正弦分布的气隙磁密波形，从而降低磁场脉动，提高力矩电机运行时的平稳性和高效性。
Description
技术领域
本实用新型属于永磁力矩电机技术领域，具体涉及基于Halbach永磁阵列高功率径向表贴式力矩电机。
背景技术
永磁力矩电机能无需传动结构直接连接负载，并且可以输出较大的转矩，由于具有稳定低速运行的特性，使其广泛应用于社会生产和工业领域中；而对于力矩电机能否平稳、高效地运行，主要在于降低转矩脉动的大小，转矩脉动指的是：在电机转动的过程中，瞬时输出力矩随时间不断变化，围绕某一平均值上下变动，这种现象就称之为转矩脉动，一般表现为旋转稳定性低、抖动很大、电机能耗增加；正弦波永磁电机的转矩脉动的来源主要包括齿槽转矩、反电动势中的谐波、磁路的饱和以及电流谐波等，降低转矩脉动一方面可以从改变电机的本体设计入手，另一方面可以基于控制算法削弱转矩脉动。
另外，稀土材料是不可再生能源，而对于永磁电机的生产制造，稀土材料也是不可或缺的一部分，这样就导致了工业发展的需求与能源紧缺的矛盾产生。
由此，如何设计永磁力矩电机中永磁体的取材与结构排布，以达到降低转矩脉动的目的，同时兼顾对稀土材料的减少使用，达到降低生产成本、降低能源损耗的目的是目前亟待解决的问题。
实用新型内容
鉴于此，本实用新型提供基于Halbach永磁阵列高功率径向表贴式力矩电机，旨在以Halbach阵列形式排布永磁体，利用Halbach阵列的特性来降低转矩脉动，达到令永磁力矩电机平稳、高效运行的目的，另外，本实用新型还兼顾减少对稀土材料的使用，降低生产成本、降低能源损耗的目的。
为了达到上述目的，本实用新型采取的技术方案如下：
基于Halbach永磁阵列高功率径向表贴式力矩电机，该力矩电机的极槽配合形式为28极27槽，该力矩电机包括定子和转子，所述定子与转子之间存在气隙，所述转子上设有若干块永磁体，且若干块永磁体采用径向双层Halbach阵列形式排布；在双层Halbach永磁阵列中，相邻两块永磁体被配置成充磁角度相差90°的径向充磁永磁体与切向充磁永磁体且内层、外层相对应的永磁体充磁角度相同；与此同时，将内层、外层相对应的任意两块径向充磁永磁体与位于其相邻两侧的切向充磁永磁体配置为一个磁极单元；
在力矩电机中，若干个磁极单元的弧度均相同；在任意一个磁极单元的结构中，内层或外层中的两块切向充磁永磁体的弧度设置为相同；而内层或外层中的径向充磁永磁体、切向充磁永磁体的弧度设置为不同；除此之外，内层与外层中相对应的、充磁角度相同的径向充磁永磁体或切向充磁永磁体的弧度设置为不同；
在此结构下，当且仅当内层弧度占比值、外层弧度占比值分别为1.27和1.63时，该力矩电机输出的气隙磁密波形完全趋于正弦分布；其中，内层弧度占比值为内层中径向充磁永磁体的弧度与两块切向充磁永磁体的弧度之和的比值；外层弧度占比值为外层中径向充磁永磁体的弧度与两块切向充磁永磁体的弧度之和的比值；
所述径向充磁永磁体采用高磁积能稀土材料，而切向充磁永磁体采用非稀土材料。
优选地，径向充磁永磁体采用钕铁硼。
更优的，切向充磁永磁体采用铁氧体或铝镍钴中的一种。
进一步的，在径向双层Halbach阵列中，内层永磁体与外层永磁体的厚度一致。
更进一步的，所述力矩电机还包括转轴，转子设于定子内，且同时安装于转轴上，所述定子、转子和转轴同轴。
本实用新型的有益效果在于：
总体来说，本实用新型在永磁力矩电机中，将若干块永磁体采用径向双层Halbach阵列形式排布，使得力矩电机初步得到了高气隙磁密幅值和较好的正弦分布特性的基础上，本实用新型还对磁极单元中径向充磁永磁体与切向充磁永磁体的弧度关系进行限定，以此来得到完全趋于正弦分布的气隙磁密波形，从而降低磁场脉动，提高力矩电机运行时的平稳性和高效性；
此外，本实用新型基于Halbach永磁阵列的形式，对径向充磁永磁体与切向充磁永磁体的材料进行选取，即径向充磁永磁体采用高磁积能稀土材料钕铁硼，切向充磁永磁体采用非稀土材料，如铁氧体或铝镍钴，一方面，利用钕铁硼永磁体高矫顽力和高剩磁密度的特性，为提高该力矩电机的气隙磁密提供基础，另一方面，减少稀土材料的使用使得该力矩电机的生产成本降低，同时也契合了对不可再生能源减少损耗并等效替代的理念。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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为Halbach永磁阵列的磁场分布示意图；
图2为本实用新型双层Halbach永磁阵列的任意一个磁极单元中，内层的两块切向充磁永磁体的弧度设置为相同的结构示意图；
图3为本实用新型双层Halbach永磁阵列的任意一个磁极单元中，内层的径向充磁永磁体、切向充磁永磁体的弧度设置为不同的结构示意图；
图4为本实用新型双层Halbach永磁阵列的任意一个磁极单元中，内层与外层中相对应的、充磁角度相同的径向充磁永磁体的弧度设置为不同的结构示意图；
图5为本实用新型中将Halbach永磁阵列安装于转子上具体结构的1/4示意图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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实用新型和简化描述，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实用新型的限制；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
下面将结合附图对本实用新型提供的方案进行详细描述。
本技术方案所提供的基于Halbach永磁阵列高功率径向表贴式力矩电机，该力矩电机的极槽配合形式为28极27槽，如图5所示，该力矩电机包括定子1、转子2和转轴3，转子2设于定子1内，且同时安装于转轴3上，定子1与转子2之间存在气隙，定子1、转子2和转轴3同轴。
以上所述内容为本实用新型所提供方案所需要阐述的必须内容，而作为力矩电机的其他必要结构均为现有技术，故在此不做详细阐述。
在本技术方案中，如图5所示，转子2上设有由若干块永磁体4，且若干块永磁体4采用径向双层Halbach阵列形式排布，Halbach阵列具有单边聚磁效应，如图1所示，该种阵列形式可以使阵列靠近气隙一侧的磁场增强，远离气隙一侧的磁场减弱，从而得到高气隙磁密幅值和较好的正弦分布特性。
在本实用新型中所采用的Halbach阵列，是由多种不同充磁方向的永磁体4构成，一般来说，该阵列结构是由径向充磁和切向充磁两种结构组成，径向充磁永磁体和切向充磁永磁体各自产生磁场，而空间的磁场是各磁场合成的结果。
在本技术方案所提供的力矩电机中，采用的径向双层Halbach永磁阵列体现为：相邻两块永磁体4被配置成充磁角度相差90°的径向充磁永磁体401与切向充磁永磁体402且内层、外层相对应的永磁体4充磁角度相同。
与此同时，将内层、外层相对应的任意两块径向充磁永磁体401与位于其相邻两侧的切向充磁永磁体402配置为一个磁极单元，具体结构如图2-4所示。
需要注意的是，若干块永磁体4采用径向双层Halbach阵列形式排布，使得力矩电机初步得到了高气隙磁密幅值和较好的正弦分布特性的基础上，本实用新型还结合附图2-4对磁极单元中径向充磁永磁体401与切向充磁永磁体402的弧度关系进行限定，以此来得到完全趋于正弦分布的气隙磁密波形，从而降低磁场脉动，提高力矩电机运行时的平稳性和高效性，具体结构的限定形式如下：
在力矩电机中，若干个磁极单元的弧度均相同；在任意一个磁极单元中，内层或外层中的两块切向充磁永磁体402的弧度设置为相同，如图2所示以内层为例，即α1=α2；而内层或外层中的径向充磁永磁体401、切向充磁永磁体402的弧度设置为不同，如图3所示以内层为例，即α3≠α2；除此之外，内层与外层中相对应的、充磁角度相同的径向充磁永磁体401或切向充磁永磁体402的弧度设置为不同，如图4所示以内层与外层中相对应的、充磁角度相同的径向充磁永磁体401为例，即α3≠α4。
基于上述结构，通过调节磁极单元的内层、外层各永磁体4的弧度，进而调节磁极单元的内层弧度占比值和外层弧度占比值，从而改变气隙磁密波形，而磁极单元中各永磁体4的弧度可以通过有限元仿真软件的输出结果进行选择，例如ANSYS软件，进行多次有限元仿真，逐步改变各永磁体4的弧度，找到Halbach永磁阵列产生的气隙磁密波形完全趋于正弦的内层弧度占比值和外层弧度占比值。
在进行有限元仿真的输出结果中，当且仅当内层弧度占比值、外层弧度占比值分别为1.27和1.63时，该力矩电机输出的气隙磁密波形完全趋于正弦分布。
而上述的内层弧度占比值为内层中径向充磁永磁体的弧度与两块切向充磁永磁体的弧度之和的比值；外层弧度占比值为外层中径向充磁永磁体的弧度与两块切向充磁永磁体的弧度之和的比值。
在本技术方案中，径向充磁永磁体401采用高磁积能稀土材料，如钕铁硼等；而切向充磁永磁体402采用非稀土材料，如铁氧体和铝镍钴等，一方面，利用钕铁硼高矫顽力和高剩磁密度的特性，为提高该力矩电机的气隙磁密提供基础，另一方面，减少稀土材料的使用使得该力矩电机的生产成本降低，同时也契合了对不可再生能源减少损耗并等效替代的理念。
基于上述实施例，若干块永磁体4采用径向双层Halbach阵列形式排布，使得力矩电机初步得到了高气隙磁密幅值和较好的正弦分布特性的基础上，结合对磁极单元中径向充磁永磁体401与切向充磁永磁体402的弧度关系进行限定并选择，以此来得到完全趋于正弦分布的气隙磁密波形，从而降低磁场脉动，提高力矩电机运行时的平稳性和高效性。
本实用新型所提供的极槽配合形式为28极27槽的力矩电机，其具有高功率的特点，且作为一台直驱电机，需要尽量减小它的转矩脉动，故保持该永磁力矩电机的气隙磁密波形正弦十分重要。该力矩电机的主要参数如下表1所示。
表1
| 电机参数 | 参数值 |
| 额定功率 | 4.7kw |
| 定子外径 | 368mm |
| 定子内径 | 265.6mm |
| 永磁体极数 | 28 |
| 定子槽数 | 27 |
| 铁芯轴向长度 | 120mm |
本实用新型所提供的Halbach永磁阵列应用于上述电机，设计为径向充磁永磁体401选用N40的钕铁硼材料，剩磁为1.27T，切向充磁永磁体402则选用Y40的铁氧体材料，剩磁0.45T，而该电机的每一磁极单元中，内层弧度占比值、外层弧度占比值分别为1.27和1.63，经过有限元仿真软件实验对比，该实施例电机的转矩脉动系数由4.1%降到1.9%，通过应用本实用新型所提供的Halbach永磁阵列设计将转矩脉动系数成功降低了53%。
最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (5)
1.基于Halbach永磁阵列高功率径向表贴式力矩电机，该力矩电机的极槽配合形式为28极27槽，该力矩电机包括定子和转子，所述定子与转子之间存在气隙，其特征在于：所述转子上设有若干块永磁体，且若干块永磁体采用径向双层Halbach阵列形式排布；在双层Halbach永磁阵列中，相邻两块永磁体被配置成充磁角度相差90°的径向充磁永磁体与切向充磁永磁体且内层、外层相对应的永磁体充磁角度相同；与此同时，将内层、外层相对应的任意两块径向充磁永磁体与位于其相邻两侧的切向充磁永磁体配置为一个磁极单元；
在力矩电机中，若干个磁极单元的弧度均相同；在任意一个磁极单元的结构中，内层或外层中的两块切向充磁永磁体的弧度设置为相同；而内层或外层中的径向充磁永磁体、切向充磁永磁体的弧度设置为不同；除此之外，内层与外层中相对应的、充磁角度相同的径向充磁永磁体或切向充磁永磁体的弧度设置为不同；
在此结构下，当且仅当内层弧度占比值、外层弧度占比值分别为1.27和1.63时，该力矩电机输出的气隙磁密波形完全趋于正弦分布；其中，内层弧度占比值为内层中径向充磁永磁体的弧度与两块切向充磁永磁体的弧度之和的比值；外层弧度占比值为外层中径向充磁永磁体的弧度与两块切向充磁永磁体的弧度之和的比值；
所述径向充磁永磁体采用高磁积能稀土材料，而切向充磁永磁体采用非稀土材料。
2.根据权利要求1所述的基于Halbach永磁阵列高功率径向表贴式力矩电机，其特征在于：径向充磁永磁体采用钕铁硼。
3.根据权利要求1所述的基于Halbach永磁阵列高功率径向表贴式力矩电机，其特征在于：切向充磁永磁体采用铁氧体或铝镍钴中的一种。
4.根据权利要求1所述的基于Halbach永磁阵列高功率径向表贴式力矩电机，其特征在于：在径向双层Halbach阵列中，内层永磁体与外层永磁体的厚度一致。
5.根据权利要求1所述的基于Halbach永磁阵列高功率径向表贴式力矩电机，其特征在于：所述力矩电机还包括转轴，转子设于定子内，且同时安装于转轴上，所述定子、转子和转轴同轴。
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