RU196343U1

RU196343U1 - Halbach-style electric machine with rotor

Info

Publication number: RU196343U1
Application number: RU2019143130U
Authority: RU
Inventors: Андрей Борисович Захаренко; Александр Каренович Надкин; Кристина Сергеевна Осикова; Максим Евгеньевич Решетников
Original assignee: Андрей Борисович Захаренко
Priority date: 2019-12-23
Filing date: 2019-12-23
Publication date: 2020-02-26

Abstract

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к синхронным электрическим машинам с мультинаправленным вектором намагниченности постоянных магнитов, и может быть использована для двигателей и генераторов с ротором, созданным по схеме Хальбаха. Электромашина с ротором, созданным по схеме Хальбаха, содержащая узел обмотки, состоящий из множества катушек, причем множество катушек расположены в форме кольца, и ротор, состоящий из двух колец Хальбаха (внутреннего и внешнего), в которых четко определены направления векторов намагниченности постоянных магнитов. Направление намагниченности на внутреннем и внешнем кольцах Хальбаха согласованы так, чтобы магнитный поток, созданный постоянными магнитами внутреннего и внешнего колец, складывался. Ротор включает в свой состав внешние и внутренние ярема из ферромагнитного материала, на которых крепятся постоянные магниты внешнего и внутреннего колец Хальбаха. В обмотке отсутствуют ферромагнитные элементы. Технический результат заключается в том, что описанные направления векторов намагниченности постоянных магнитов в сочетании с их согласованным расположением на внутреннем и внешнем кольцах Хальбаха позволяют получить суммирование магнитного потока от постоянных магнитов внутреннего и внешнего колец Хальбаха, а ярма - концентрацию магнитного потока в зоне обмотки 7 для достижения максимального момента, максимальной удельной мощности электрической машины при малом токе якоря. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.The utility model relates to electrical engineering, in particular to synchronous electric machines with a multidirectional magnetization vector of permanent magnets, and can be used for motors and generators with a rotor created according to the Halbach scheme. An electric machine with a rotor created according to the Halbach scheme, containing a winding assembly consisting of many coils, with many coils arranged in the shape of a ring, and a rotor consisting of two Halbach rings (internal and external), in which the directions of the magnetization vectors of permanent magnets are clearly defined. The direction of magnetization on the inner and outer halbach rings is coordinated so that the magnetic flux created by the permanent magnets of the inner and outer rings folds. The rotor includes external and internal yokes made of ferromagnetic material, on which permanent magnets of the outer and inner Halbach rings are attached. There are no ferromagnetic elements in the winding. The technical result consists in the fact that the described directions of the magnetization vectors of permanent magnets in combination with their coordinated location on the inner and outer halbach rings make it possible to obtain summation of the magnetic flux from the permanent magnets of the inner and outer halbach rings, and the yoke is the magnetic flux concentration in the winding zone 7 for achieving maximum torque, maximum specific power of an electric machine with a small armature current. 1 s.p. f-ly, 3 ill.

Description

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к синхронным электрическим машинам с мультинаправленным вектором намагниченности постоянных магнитов, и может быть использована для двигателей и генераторов с ротором, созданным по схеме Хальбаха.The utility model relates to electrical engineering, in particular to synchronous electric machines with a multidirectional magnetization vector of permanent magnets, and can be used for motors and generators with a rotor created according to the Halbach scheme.

Известен Способ намагничивания ротора электромашины, намагничивающая система для ротора электромашины и способ изготовления ротора электромашины (патент на изобретение РФ №2549835, МПК Н01F 13/00), где в абзаце [0002] в части описании устройства ротора электромашины (аналога) сказано, что сегменты постоянного магнита разрезают и вытачивают с получением необходимой формы из более крупных необработанных магнитных блоков, после чего указанные сегменты индивидуально намагничивают в соленоидной катушке. В некоторых областях применения, особенно в крупногабаритных машинах, намагничивание сегментов постоянного магнита достигается с помощью вектора намагниченности, предложенного К. Хальбахом (известного также как намагниченность Хальбаха), который при приложении к поверхности постоянных магнитов дает в результате более синусоидальную форму распределения магнитного потока в электромашине, благодаря чему уменьшаются потери гармоник переменного тока, а также снижаются пульсации вращающего момента, вибрация и акустический шум.The known Method of magnetization of the rotor of an electric machine, a magnetizing system for a rotor of an electric machine and a method of manufacturing a rotor of an electric machine (patent for the invention of the Russian Federation No. 2549835, IPC H01F 13/00), where in paragraph [0002] in the description of the device rotor of an electric machine (analog) it is said that the segments a permanent magnet is cut and machined to obtain the desired shape from larger untreated magnetic blocks, after which these segments are individually magnetized in a solenoid coil. In some applications, especially in large machines, magnetization of the permanent magnet segments is achieved using the magnetization vector proposed by K. Halbach (also known as Halbach magnetization), which when applied to the surface of permanent magnets results in a more sinusoidal shape of the distribution of magnetic flux in an electric machine due to which the AC harmonic losses are reduced, as well as torque ripples, vibration and acoustic noise.

Таким образом, в патенте-аналоге приводится трактовка такого расположения векторов намагниченности постоянных магнитов, намагниченных по схеме Хальбаха, при котором достигается более синусоидальная форма распределения магнитного потока, а не его концентрация.Thus, in the patent analogue, the interpretation of the arrangement of the magnetization vectors of permanent magnets magnetized according to the Halbach scheme, in which a more sinusoidal form of the magnetic flux distribution is achieved, rather than its concentration, is given.

Известен принятый в качестве прототипа Высокомоментный, слаботочный бесщеточный двигатель (патент США №10,205,355, МПК Н02K 21/12), содержащий узел обмотки, состоящий из множества катушек, причем множество катушек расположено в форме кольца, и ротор, включающий в себя множество внешних магнитов, выполненных в виде первого кольца Хальбаха, окружающий обмотку в сборе; корпус внешних магнитов, соединенный с множеством внешних магнитов, причем корпус внешних магнитов окружает множество внешних магнитов; множество внутренних магнитов, выполненных в виде второго кольца Хальбаха, причем узел обмотки расположен между множеством внутренних магнитов и множеством внешних магнитов; корпус внутренних магнитов, соединенный с множеством внутренних магнитов; выходной вал, окруженный внутренним корпусом магнитов, причем выходной вал включает в себя внутреннюю поверхность, связанную с валом.Known adopted as a prototype high-torque, low-current brushless motor (US patent No. 10,205,355, IPC Н02K 21/12), containing a winding assembly consisting of many coils, and many coils located in the form of a ring, and a rotor including many external magnets, made in the form of the first Halbach ring surrounding the winding assembly; an outer magnet body connected to a plurality of external magnets, the outer magnet body surrounding a plurality of external magnets; a plurality of internal magnets made in the form of a second Halbach ring, the winding assembly being located between the plurality of internal magnets and the plurality of external magnets; an inner magnet body connected to a plurality of inner magnets; an output shaft surrounded by an inner magnet body, the output shaft including an inner surface associated with the shaft.

Недостатком прототипа является то, что в нем не достигается концентрация магнитного потока в зоне обмотки якоря. Следует также отметить, что в прототипе не приводится описание расположения векторов намагниченности постоянных магнитов в каждом кольце Хальбаха, которое приводит к получению технического результата - концентрации магнитного потока в зоне обмотки, и в конечном итоге, получению большого вращающего момента и большой удельной мощности при малом токе якоря. Кроме того, из аналога известно, что простое упоминание «схемы Хальбаха» неточно трактует расположение векторов намагниченности постоянных магнитов.The disadvantage of the prototype is that it does not achieve the concentration of magnetic flux in the area of the armature winding. It should also be noted that the prototype does not describe the location of the magnetization vectors of permanent magnets in each Halbach ring, which leads to a technical result - the concentration of magnetic flux in the winding zone, and ultimately, to obtain a large torque and high specific power at low current anchors. In addition, it is known from the analogue that a simple reference to the “Halbach scheme” inaccurately interprets the location of the magnetization vectors of permanent magnets.

Объектом полезной модели является ротор синхронной электромашины, состоящий из колец Хальбаха.The object of the utility model is the rotor of a synchronous electric machine, consisting of Halbach rings.

Технической задачей, решаемой полезной моделью, является создание ротора, позволяющего сконцентрировать магнитный поток в зоне обмотки якоря. Для электромашины в целом это приведет к увеличению ЭДС, наводимой в обмотке, и повышению удельной мощности электрической машины.The technical problem solved by the utility model is the creation of a rotor that allows you to concentrate the magnetic flux in the area of the armature winding. For the electric machine as a whole, this will lead to an increase in the EMF induced in the winding and an increase in the specific power of the electric machine.

На фигурах показаны следующие эскизы и график:The figures show the following sketches and a graph:

Фиг. 1. Поперечное сечение активной части электромашины с предлагаемым ротором, состоящим из колец Хальбаха с ферромагнитными ярмами.FIG. 1. The cross section of the active part of the electric machine with the proposed rotor, consisting of Halbach rings with ferromagnetic yokes.

Фиг. 2. Поперечное сечение активной части электромашины с ротором-прототипом, состоящим из колец Хальбаха без ярем.FIG. 2. The cross section of the active part of the electric machine with a rotor prototype, consisting of Halbach rings without a jerk.

Фиг. 3. Приближенные зависимости магнитной индукции от координаты по окружности в среднем сечении обмотки якоря для вариантов электромашины с ферромагнитными ярмами и без ярем.FIG. 3. Approximate dependences of magnetic induction on the circumferential coordinate in the middle section of the armature winding for electric machine variants with and without ferromagnetic yokes.

Решение технической задачи реализуется цикличным повторением следующей последовательности направления вектора намагниченности постоянных магнитов во внешнем кольце Хальбаха (на их торцевой поверхности), в направлении по часовой стрелке: тангенциально, против часовой стрелки 1; радиально от центра 2; тангенциально, по часовой стрелке 3; радиально к центру 4; во внутреннем кольце Хальбаха, в направлении по часовой стрелке: тангенциально, по часовой стрелке 3; радиально от центра 2; тангенциально, против часовой стрелки 1; радиально к центру 4, кроме того, направление намагниченности на внутреннем и внешнем кольцах Хальбаха должны быть согласованы так, чтобы магнитный поток, созданный постоянными магнитами внутреннего и внешнего колец, складывался. Кроме того, для концентрации магнитного потока внутри активной части электромашины с внешней стороны внешнего кольца Хальбаха расположено внешнее ярмо 5 из ферромагнитного материала, с внутренней стороны внутреннего кольца Хальбаха расположено внутреннее ярмо 6 из ферромагнитного материала, постоянные магниты закреплены на ярмах. Для уменьшения потока рассеяния в обмотке 7 должны отсутствовать ферромагнитные элементы. Толщина ярем 5 и 6 должна быть подобрана таким образом, чтобы магнитная индукция в них не превышала индукцию насыщения материала, из которого они изготовлены. Силовые линии 8 магнитного потока, сосредоточенные в постоянных магнитах и ферромагнитных ярмах 5 и 6 с высокой магнитной проницаемостью, показаны на фиг. 1 пунктирными линиями для трех полюсов электромашины.The technical problem is solved by cyclic repetition of the following sequence of directions of the magnetization vector of permanent magnets in the outer Halbach ring (on their end surface), in a clockwise direction: tangentially, counterclockwise 1; radially from center 2; tangentially clockwise 3; radially to the center 4; in the inner ring of Halbach, in the clockwise direction: tangentially, clockwise 3; radially from center 2; tangentially counterclockwise 1; radially to the center 4, in addition, the direction of magnetization on the inner and outer halbach rings must be coordinated so that the magnetic flux created by the permanent magnets of the inner and outer rings folds. In addition, for the concentration of magnetic flux inside the active part of the electric machine, an external yoke 5 made of ferromagnetic material is located on the external side of the outer Halbach ring, an internal yoke 6 made of ferromagnetic material is located on the inner side of the Halbach inner ring, permanent magnets are fixed to the yokes. To reduce the scattering flux in the winding 7 there should be no ferromagnetic elements. The thickness of the yoke 5 and 6 should be selected so that the magnetic induction in them does not exceed the saturation induction of the material from which they are made. Magnetic flux lines 8 concentrated in permanent magnets and high magnetic permeability ferromagnetic yokes 5 and 6 are shown in FIG. 1 dashed lines for the three poles of the electric machine.

Техническая задача решается, согласно полезной модели, совокупностью существенных признаков, представленных в п. 1 формулы.The technical problem is solved, according to the utility model, by the set of essential features presented in paragraph 1 of the formula.

Техническим результатом предложенной полезной модели является ротор, состоящий из двух колец Хальбаха (внутреннего и внешнего), в которых четко определены направления векторов намагниченности постоянных магнитов, а также включающий в свой состав внешнее и внутреннее ярема, на которых крепятся постоянные магниты внешнего и внутреннего колец Хальбаха. Описанные направления векторов намагниченности постоянных магнитов в сочетании с их согласованным расположением на внутреннем и внешнем кольцах Хальбаха позволяют получить суммирование магнитного потока от постоянных магнитов внутреннего и внешнего колец Хальбаха, а ярма - концентрацию магнитного потока в зоне обмотки 7 якоря для достижения максимального момента, максимальной удельной мощности электрической машины при малом токе якоря.The technical result of the proposed utility model is a rotor consisting of two Halbach rings (internal and external), in which the directions of the magnetization vectors of permanent magnets are clearly defined, and also including the external and internal holes, on which the permanent magnets of the external and internal Halbach rings are attached . The described directions of the magnetization vectors of permanent magnets in combination with their coordinated location on the inner and outer halbach rings make it possible to obtain a summation of the magnetic flux from the permanent magnets of the inner and outer halbach rings, and the yoke — the magnetic flux concentration in the zone of the armature winding 7 to achieve the maximum moment, maximum specific power of an electric machine with a small current of the armature.

Для сравнения на фиг. 2 показано поперечное сечение активной части электромашины с ротором, состоящим из колец Хальбаха без ярем, согласно прототипу. В этом случае силовые линии вида 9 магнитного потока будут замыкаться по воздуху с высоким магнитным сопротивлением и величина магнитной индукции и магнитного потока в зоне обмотки 7 уменьшится по сравнению с предлагаемым решением, приведенным на фиг. 1. Силовые линии 9 показаны на фиг. 2 пунктирными линиями для трех полюсов электромашины.For comparison, in FIG. 2 shows a cross section of the active part of an electric machine with a rotor consisting of Halbach rings without a pit, according to the prototype. In this case, the lines of force of type 9 of the magnetic flux will be closed through the air with high magnetic resistance and the magnitude of the magnetic induction and magnetic flux in the zone of the winding 7 will decrease compared with the proposed solution shown in FIG. 1. Power lines 9 are shown in FIG. 2 dashed lines for the three poles of the electric machine.

Для случая постоянных магнитов из материала Nd-Fe-B с рабочей температурой более 130°С и ярем из стали 10 построены результирующие приближенные зависимости магнитной индукции от координаты по окружности в среднем сечении обмотки якоря. Для вариантов электромашины с ферромагнитными ярмами 10 и без ярем 11 эти зависимости представлены на фиг. 3, символом «τ» обозначено полюсное деление электромашины (см. фиг. 1 и 2).For the case of permanent magnets made of Nd-Fe-B material with a working temperature of more than 130 ° C and a steel core 10, the resulting approximate dependences of magnetic induction on the circumferential coordinate in the middle section of the armature winding are constructed. For variants of an electric machine with ferromagnetic yokes 10 and without yoke 11, these dependences are presented in FIG. 3, the symbol “τ” indicates the pole division of the electric machine (see Figs. 1 and 2).

Из фиг. 3 видно, что в предложенном варианте по сравнению с прототипом достигается увеличение магнитной индукции по максимальному значению в среднем сечении обмотки примерно на 25%. Это приводит к увеличению магнитного потока, сцепленного с обмоткой, на 25%. В двигательном режиме электромашины ток, поданный в многофазную обмотку якоря, взаимодействует с магнитным потоком постоянных магнитов колец Хальбаха и создает вращающий момент ротора, который также больше вращающего момента прототипа на 25%. Мощность на валу определяется как произведение вращающего момента и частоты вращения. Мощность на валу в предложенном варианте больше аналогичной мощности прототипа на 25%. Удельная мощность рассчитывается как отношение мощности на валу к массе электромашины. Поскольку масса активной части составляет, как правило, меньшую часть массы электромашины, а масса предложенного варианта отличается от массы прототипа лишь на массу ярем, ярма не могут увеличить массу на 25% и более. Таким образом, достигается увеличение удельной мощности (даже при малом токе якоря) предложенной электромашины с ротором, созданным по схеме Хальбаха. Аналогичная ситуация имеет место в генераторном режиме.From FIG. 3 shows that in the proposed embodiment, compared with the prototype, an increase in magnetic induction is achieved at the maximum value in the average section of the winding by about 25%. This leads to an increase in magnetic flux coupled to the winding by 25%. In the motor mode of an electric machine, the current supplied to the multiphase winding of the armature interacts with the magnetic flux of permanent magnets of Halbach rings and creates a rotor torque that is also 25% more than the prototype torque. Power on the shaft is defined as the product of torque and speed. The power on the shaft in the proposed embodiment is greater than the similar power of the prototype by 25%. Specific power is calculated as the ratio of the power on the shaft to the mass of the electric machine. Since the mass of the active part is, as a rule, a smaller part of the mass of the electric machine, and the mass of the proposed option differs from the mass of the prototype only by the mass of the yoke, yokes cannot increase the mass by 25% or more. Thus, an increase in the specific power (even with a small current of the armature) of the proposed electric machine with a rotor created according to the Halbach scheme is achieved. A similar situation occurs in the generator mode.

Отсутствие ферромагнитных элементов в обмотке якоря необходимо для снижения потока рассеяния, уменьшающего результирующий магнитный поток, сцепленный с обмоткой.The absence of ferromagnetic elements in the armature winding is necessary to reduce the scattering flux, which reduces the resulting magnetic flux coupled to the winding.

Claims

1. An electric machine with a rotor created according to the Halbach scheme, comprising a winding assembly consisting of a plurality of coils, the plurality of coils being ring-shaped, and a rotor including a plurality of external magnets made in the form of an external Halbach ring surrounding the winding assembly; an outer magnet body connected to a plurality of external magnets, the outer magnet body surrounding a plurality of external magnets; a plurality of internal magnets made in the form of an Halbach inner ring, the winding being located between the plurality of internal magnets and the plurality of external magnets; an inner magnet body connected to a plurality of inner magnets; output shaft connected to the inner magnet body, characterized in that the outer Halbach ring of the rotor is assembled from magnets with a cyclic repetition of the following sequence of directions of the magnetization vector of permanent magnets (on their end surface): tangentially, counterclockwise; radially from the center; tangentially clockwise; radially to the center; in the inner ring of Halbach, the following directions of the magnetization vector are cyclically repeated: tangentially, clockwise; radially from the center; tangentially, counterclockwise; radially to the center, and the direction of magnetization on the inner and outer halbach rings is coordinated so that the magnetic flux created by the permanent magnets of the inner and outer rings folds; on the outside of the outer Halbach ring there is a yoke of ferromagnetic material, on the inside of the inner Halbach ring there is a yoke of ferromagnetic material, magnets are fixed on yokes, and there are no ferromagnetic elements in the winding.

2. An electric machine with a rotor created according to the Halbach scheme according to claim 1, characterized in that the thickness of the yoke should be selected so that the magnetic induction in them does not exceed the saturation induction of the ferromagnetic material from which they are made.