CN103693537B - 准Halbach阵列外转子式永磁同步无齿轮曳引机 - Google Patents

Abstract

一种准Halbach阵列外转子式永磁同步无齿轮曳引机，涉及无齿轮曳引机技术领域，包括机座、转轴、外转子、内定子、曳引轮和制动器，外转子包括磁体安装架和永磁体，磁体安装架安装在转轴上，永磁体按准Halbach阵列围绕设在内定子外周、内定子与外壳体之间，并与磁体安装架固定连接；准Halbach永磁体阵列由底面为n条边的正多边形棱柱状永磁体固定在外转子的永磁体安装架上形成，其中n为大于3的整数。加工难度低，磁体的一致性高。具有气隙磁场谐波分量下降，磁场分布更接近于理想正弦，磁体截面边长减小，转子的厚度尺寸大幅减少，在保证强度的情况下，转子的转动惯量减少，曳引机整体重量下降，可以提高控制的精度等优点。

Description

准Halbach阵列外转子式永磁同步无齿轮曳引机

技术领域

本发明涉及无齿轮曳引机技术领域，详细讲是一种结构简单，工艺性好，加工方便，永磁材料利用率高，传动效率高，噪音更小，运行平稳，易于控制，成本低廉的准Halbach阵列永磁同步无齿轮曳引机。

背景技术

曳引机是电梯的核心执行部件，它的性能直接影响电梯运行的舒适性、安全性和节能效果。曳引机的发展历史总体上来讲，经历了有齿式到无齿式的发展过程。在20世纪初，美国OTIS公司发明了摩擦曳引驱动的曳引机，这种曳引机体积小且通用性强，因此，成为了当时被广泛应用的曳引机形式。此后出现了直齿圆柱齿轮传动方式和蜗轮蜗杆传动方式，由于蜗轮蜗杆传动方式的显著优点，使其成为当时有齿轮电梯曳引机的主流形式。到了70年代，开始出现斜齿轮传动的曳引机，具有高效率、高精度的优点。在20世纪90年代，出现了新式的行星传动曳引机。随着科技的进步，电梯对曳引机的性能提出了体积小、效率高、低速大转矩等更高的要求，使得传统蜗轮蜗杆传动的曳引机已经逐渐暴露出劣势。

自1996年芬兰KONE电梯公司发布了首款基于永磁同步电机的无机房电梯***以来，无齿轮永磁同步电梯曳引机备受瞩目,在电梯行业得到广泛应用,知名曳引机制造厂商陆续推出各具特色的永磁同步无齿轮曳引机。与传统曳引机相比，永磁同步无齿轮曳引机具有以下优点：

(l)采用小机房(或无机房)设计方案，提高了建筑物的利用率；

(2)由于采用永磁同步电机直接驱动，曳引机传动效率可以提高20%-30%；

(3)噪声显著降低，可减小噪声10分贝以上；

(4)降低维护费用和难度。

目前，无齿轮永磁同步电梯曳引机已经在大部分垂直升降电梯中广泛应用，同时，自动扶梯曳引机也已经开始向无齿轮永磁同步曳引机方向发展。

现有的外转子式永磁同步无齿轮曳引机包括机座、转轴、外转子、内定子、曳引轮和制动器。机座的结构是设有截面呈]形外壳体，外壳体中部设有向机座内凸起的转轴安装套，转轴经轴承安装在转轴安装套内，转轴安装套与外壳体围成环形定子安装室，定子安装室内的转轴安装套上设有内定子。外转子包括磁体安装架和永磁体，磁体安装架安装在转轴上，永磁体设在内定子与外壳体之间并与磁体安装架固定连接，由于曳引机需要低转速、大扭矩的特性，其转子上的永磁体一般形成5-15个极对；曳引轮设在磁体安装架一侧上。

如国家知识产权局2008年9月10日公开了一件申请号为：200810027443.4、名称为：一种外转子式永磁同步无齿轮曳引机即为上述结构。

Halbach阵列的概念是由K.Halbach于1980年提出的，最初主要应用于高能物理领域，由于其独特的性能，逐渐被引入到电机应用中并展示出极大的优势：

1)气隙磁场呈理想正弦分布。这可以降低定子铁芯的损耗，适用于高速高效场合，同时可以消除转矩脉动；

2)由于自屏蔽的特点，转子铁芯可以省去，降低电机质量；

3)可以采用集中非重叠的定子绕组，实现高转矩密度、低铜损和高效率；

4)磁体材料利用率高，可以产生很高的磁通密度。

国家知识产权局2007年10月10日公开了一件申请号为：200710057327.2、名称为：HALBACH永磁无齿轮电梯曳引机的发明专利，其公开了将Halbach永磁体阵列应用于电梯曳引机的结构。现有的应用Halbach永磁体阵列的电动机中均是将不同充磁方向的圆弧形磁体粘贴固定在转子表面形成准Halbach阵列，这种结构的准Halbach阵列需要对圆弧形磁体进行至少四个方向的充磁，需要复杂的充磁设备，制造成本高，充磁操作复杂、费时费力，电能利用率低，浪费能源。

发明内容

本发明的目的是解决上述现有技术的不足，提供一种所需充磁设备简单，制造成本低廉，充磁操作简单，省时省力，节约能源，磁体内磁场分布均匀，强度一致性高，曳引机性能高的准Halbach阵列外转子式永磁同步无齿轮曳引机。

本发明可以解决上述现有技术的不足，所采用的技术方案是：

一种准Halbach阵列外转子式永磁同步无齿轮曳引机，包括机座、转轴、外转子、内定子、曳引轮和制动器，外转子包括磁体安装架和永磁体，磁体安装架安装在转轴上，永磁体按准Halbach阵列围绕设在内定子外周、内定子与外壳体之间，并与磁体安装架固定连接；其特征在于，准Halbach永磁体阵列由底面为n条边的正多边形棱柱状永磁体固定在外转子的永磁体安装架上形成，其中n为大于3的整数。

本发明中所述的n为偶数。

本发明中n优选6、8或10。

本发明中所述的正多边形棱柱状永磁体经连接架固定在永磁体安装架上，所述的连接架为对应圆心角角度为m的弧形, m能整除360，相邻两个棱柱状永磁体的充磁方向成360/n度角、并且沿连接架弧形的周向依次排列在连接架，外转子的永磁体安装架上绕内定子一周共安装360/m个连接架，360/m个连接架上的棱柱状永磁体整体形成准Halbach阵列。

所述的连接架由至少两块形状相同、沿轴向平行设置的弧形连接板组成，连接板上沿连接板弧形的周向均布有正n边形安装孔，棱柱状永磁体的两端分别固定安装在安装孔内。一个连接架上的棱柱状永磁体形成准Halbach永磁体阵列的一个极。

本发明中所述的机座的结构是：设有截面呈]形的外壳体，外壳体中部设有向机座内凸起的转轴安装套，转轴经轴承安装在转轴安装套内，转轴安装套与外壳体围成一侧敞口的环形定子安装室，转轴安装套与截面呈]形外壳体的周向侧面间的侧壁中部设有向机座内凸起的环形定子座，内定子安装在环形定子座上，永磁体按Halbach阵列围绕设在内定子外周、内定子与外壳体的环形侧壁之间以及内定子内周、内定子与转轴安装套之间，并与磁体安装架固定连接。

永磁体在内定子的内外两侧形成双层的准Halbach永磁体阵列，与同等材料制成的其他类型曳引机相比漏磁少，扭矩大，永磁体材料利用率高。同等材料是指采重量相同的同种材料。对比图6和7可以看出，在同等材料情况下，本发明所采用的双层Halbach结构的磁力线在气隙内部闭合，形成屏蔽的环形气隙空间，降低了气隙空间内、外的漏磁，同时气隙磁密也较单层结构有较大幅度的提高。

本发明中所述外转子的磁体安装架上设有伸入截面呈]形外壳体敞口空间内部的、内定子外周、内定子与外壳体之间的环形外层支撑架，以及内定子内周、内定子与转轴安装套之间的环形内层支撑架，永磁体按Halbach阵列设在环形外层支撑架的内周上以及环形内层支撑架外周上

本发明中永磁体采用钕铁硼材料，磁体安装架采用铝合金材料。

本发明由于采用磁体块截面是底面为n条边(n为偶数)的正多边形棱柱状永磁体，沿某一对平行对边中点连线方向充磁即可，因此只需制造一种磁体就可实现准Halbach阵列所需的多种方向，降低加工难度和成本，磁体的一致性可以保证。在降低了加工难度和成本的情况下，这样的设计可以更好的逼近理想Halbach阵列；在转子半径不变的情况下，永磁体截面正多边形的边数增加时，组成一个转子磁极所需的永磁体个数也增加，这使得气隙磁场谐波分量下降，磁场分布更接近于理想正弦，同时，磁体截面边长会减小，这样就会使得转子的厚度尺寸大幅减少，在保证强度的情况下，转子的转动惯量减少，曳引机整体重量下降，可以提高控制的精度。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1的左视图。

图3是本发明中永磁体底面为正八边形时永磁体的双层排列示意图。

图4是本发明中底面为正八边形的棱柱状永磁体与连接架的装配结构示意图。

图5是图4的A向结构示意图。

图6和7分别是在同等永磁体材料情况下，单层准Halbach阵列结构与本发明的双层准Halbach阵列结构气隙磁密周向分布、磁力线分布图。

具体实施方式

如图1所示的准Halbach阵列外转子式永磁同步无齿轮曳引机，包括机座15、转轴4、外转子、内定子13、曳引轮2和制动器18；外转子包括磁体安装架1和永磁体，磁体安装架1安装在转轴4上，永磁体按Halbach阵列围绕设在内定子外周、内定子13与外壳体之间，并与磁体安装架1固定连接；从图1中可以看出，所述的机座的结构是：设有截面呈]形的外壳体，外壳体中部设有向机座内凸起的转轴安装套8，转轴4经轴承安装在转轴安装套8内，转轴安装套8与外壳体围成一侧敞口的环形定子安装室，转轴安装套与截面呈]形外壳体的周向侧面间的侧壁中部设有向机座内凸起的环形定子座12，内定子13安装在环形定子座12上，永磁体16、10按Halbach阵列围绕设在内定子13外周、内定子与外壳体的环形侧壁之间以及内定子内周、内定子与转轴安装套之间，并与磁体安装架1固定连接。永磁体在内定子的内外两侧形成双层的准Halbach永磁体阵列，与同等材料制成的其他类型曳引机相比漏磁少，扭矩大，永磁体材料利用率高。所述外转子的磁体安装架1上设有嵌入截面呈]形外壳体内部的、内定子外周、内定子与外壳体之间的环形外层支撑架17，以及内定子内周、内定子与转轴安装套之间的环形内层支撑架9，永磁体16、10按Halbach阵列设在环形外层支撑架17的内周上以及环形内层支撑架9外周上。Halbach永磁体阵列由底面为n条边的正多边形棱柱状永磁体固定在外转子的永磁体安装架上形成，其中n为大于3的整数。n为大于3的偶数效果更佳，优选n为6、8或10。所述的正多边形棱柱状永磁体经连接架固定在永磁体安装架上，所述的连接架为对应圆心角角度为m的弧形, m能整除360，相邻两个棱柱状永磁体的充磁方向成360/n度角、并且沿连接架弧形的周向依次排列在连接架，外转子的永磁体安装架上绕内定子一周共安装360/m个连接架，360/m个连接架上的棱柱状永磁体整体形成准Halbach阵列。本发明中内、外层连接架分别由至少两块形状相同、沿轴向平行设置的弧形连接板11、14组成，连接板11、14上沿连接板弧形的周向均布有正n边形安装孔，棱柱状永磁体的两端分别固定安装在安装孔内。一个连接架上的棱柱状永磁体形成准Halbach永磁体阵列的一个极，也可以是一个连接架上的棱柱状永磁体形成准Halbach永磁体阵列的一对极或多对极，便于安装。图4、图5所示的为一个连接架上设有四个底面为正八边形的棱柱状永磁体，四个永磁体形成准Halbach永磁体阵列的一个极，需要磁场方向与其相反的另一个连接架配合安装，组成一对极。

本发明由于采用磁体块截面是底面为n条边的正多边形棱柱状永磁体，沿某一对边中点连线方向充磁即可，因此只需制造一种磁体就可实现准Halbach阵列所需的多种方向，降低加工难度和成本，磁体的一致性可以保证。在降低了加工难度和成本的情况下，这样的设计可以更好的逼近理想Halbach阵列；在转子半径不变的情况下，永磁体截面正多边形的边数增加时，组成一个转子磁极所需的永磁体个数也增加，这使得气隙磁场谐波分量下降，磁场分布更接近于理想正弦，同时，磁体截面边长会减小，这样就会使得转子的厚度尺寸大幅减少，在保证强度的情况下，转子的转动惯量减少，曳引机整体重量下降，可以提高控制的精度。在正多边形棱柱状永磁体底面为6或8边时，其加工的工艺性最好，加工方便，永磁体的充磁夹具结构简单，充磁设备的制造成本低廉，充磁操作简单，省时省力，节约能源，充磁后永磁体内磁场分布均匀，强度一致性高，曳引机性能高。

在图1中所示的机座、环形定子座和转轴安装套为一体铸件，机座15起到固定内定子、曳引机后盖6和支撑外转子的作用，外转子的磁体安装架1起到固定曳引轮2、安装永磁体和保证与轴4可靠固连的作用，两者是曳引机主要部件，在不同参数的产品中两者具体尺寸会有所变化。转轴一侧设有与外转子的磁体安装架相连的转子端盖3，外转子的磁体安装架与轴之间为键连接，磁体安装架1轴向的位移由轴肩和转子端盖3限制，两者成为整体；轴4的轴向位移由轴承和挡圈5限制；曳引轮2安装在磁体安装架的柱面上，通过螺栓可靠连接；连接架通过螺栓与磁体安装架相连，所有磁体按照规定的排列方式安装完毕后，内定子铁芯与机座之间为螺栓连接。为了防尘，在曳引机后盖6外的机座上安装防尘盖7。空心轴编码器内圈安装在转轴的末端，外圈与曳引机后盖6螺栓连接，曳引机后盖的凹陷部分由防尘盖7遮盖，防尘盖7与机座螺栓连接。制动机构由失电电磁制动器18，抱轴杠杆19和制动蹄20组成。

以正八面体磁体截面、极对数等于10的转子为例，分析了 转子气隙磁场的分布情况，具体情况如图6和7，可以看出，通过特定方式排列后的磁体呈现出理想Halbach阵列的特性，外部磁场被削弱，内部的磁场被加强，气隙磁场近似呈正弦分布。通过适当调节气隙厚度可以改善气隙磁场的谐波成分。

Claims (5)

1.一种准Halbach阵列外转子式永磁同步无齿轮曳引机，包括机座、转轴、外转子、内定子、曳引轮和制动器，外转子包括磁体安装架和永磁体，磁体安装架安装在转轴上，准Halbach永磁体阵列由底面为n条边的正多边形棱柱状永磁体固定在外转子的永磁体安装架上形成，其中n为大于3的整数；其特征在于：所述机座的结构是：设有截面呈]形的外壳体，外壳体中部设有向机座内凸起的转轴安装套，转轴经轴承安装在转轴安装套内，转轴安装套与外壳体围成一侧敞口的环形定子安装室，转轴安装套与截面呈]形外壳体的周向侧面间的侧壁中部设有向机座内凸起的环形定子座，内定子安装在环形定子座上，永磁体按Halbach阵列围绕设在内定子外周、内定子与外壳体的环形侧壁之间以及内定子内周、内定子与转轴安装套之间；所述外转子的磁体安装架上设有伸入截面呈]形外壳体敞口空间内部的环形外层支撑架和环形内层支撑架；所述环形内层支撑架设置在内定子内周，以及内定子与转轴安装套之间，所述环形外层支撑架设置在内定子外周，以及内定子与外壳体之间；正多边形棱柱状永磁体按Halbach阵列设在环形外层支撑架的内周上以及环形内层支撑架外周上；并且所述正多边形棱柱状永磁体经连接架固定在磁体安装架上，所述连接架为对应圆心角角度为m的弧形，m能整除360，并且所述连接架由至少两块形状相同、沿轴向平行设置的弧形连接板组成，连接板上沿连接板弧形的周向均布有正n边形安装孔，棱柱状永磁体的两端分别固定安装在安装孔内。

2.根据权利要求1所述的准Halbach阵列外转子式永磁同步无齿轮曳引机，其特征在于所述的n为偶数。

3.根据权利要求2所述的准Halbach阵列外转子式永磁同步无齿轮曳引机，其特征在于所述的n为6、8或10。

4.根据权利要求1或3所述的准Halbach阵列外转子式永磁同步无齿轮曳引机，其特征在于相邻两个棱柱状永磁体的充磁方向成360/n度角、并且沿连接架弧形的周向依次排列在连接架，磁体安装架上绕内定子一周共安装360/m个连接架，360/m个连接架上的棱柱状永磁体整体形成准Halbach阵列。

5.根据权利要求1所述的准Halbach阵列外转子式永磁同步无齿轮曳引机，其特征在于：所述的一个连接架上的棱柱状永磁体形成准Halbach永磁体阵列的一个极。