CN108448766A - 一种双层Halbach永磁电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双层Halbach永磁电机，包括定子和转子，转子包括转子铁芯和永磁阵列，永磁阵列的上层每极包括两段平行磁化的永磁，永磁阵列的下层每极包括两段平行磁化的永磁和和位于两段永磁之间的一个凸铁，上/下层每段永磁的充磁角度为锐角θ，上层和下层的充磁角θ都定义为：N极第一段永磁的充磁角为充磁方向与顺时针圆周切向方向的夹角；N极第二段永磁的充磁角为充磁方向与逆时针圆周切向方向的夹角；S极第一段永磁的充磁角为充磁方向与逆时针圆周切向方向的夹角；S极第二段永磁的充磁角为充磁方向与顺时针圆周切向方向的夹角。本发明电机不仅可以节省永磁用量，降低生产成本，而且可以提高输出转矩，降低转矩波动。

Description

一种双层Halbach永磁电机
技术领域
本发明涉及一种双层Halbach永磁电机，属于永磁电机领域。
背景技术
随着人们的节约资源和保护环境的意识不断兴起，而因永磁电机具有高效率、高转矩密度等优点，广泛地应用在生产和生活中。但是稀土永磁材料价格较高，使电机生产成本较高，并且有槽电机因齿槽作用，造成了气隙磁密中含有较高的谐波等问题。
相比于传统的永磁电机，Halbach永磁电机每极由若干段永磁构成，每段永磁的充磁方向也不同，提供排列组合，使得气隙磁密更接近正弦波。而且，永磁段数越多，效果越好。但是增加了样机制作难度，不利于工程化。因此，两段和三段Halbach永磁电机得到了广泛研究。
中国专利201510845234.0公开了一种凸极Halbach复合永磁旋转电机，所述电机的转子结构是凸极Halbach复合阵列，包括单层凸极和双层凸极Halbach复合阵列的永磁旋转电机。该电机可以减小漏磁，在相同的体积下，减少了永磁用量，降低了电机的成本，并且提高了电机的输出转矩和功率密度。但是该电机气隙磁密的谐波含量较高，输出转矩脉动大，对电机产生较大的振动和噪声。
发明内容
本发明提供一种双层Halbach永磁电机，是为解决现有的永磁电机转矩脉动大和生产成本高等方面的问题而提出的一种永磁电机。
为满足上述的要求，本发明具体的技术方案如下：
一种双层Halbach永磁电机，包括定子和转子，其特征在于：所述转子包括转子铁芯和永磁阵列，永磁阵列的上层每极包括两段平行磁化的永磁，上层每极对称轴为几何中心线，上层每段永磁的充磁角度为锐角θ，极弧系数为1；永磁阵列的下层每极包括两段平行磁化的永磁和和位于两段永磁之间的一个凸铁，且所述两段永磁与凸铁厚度相等，下层每极对称轴为几何中心线，下层每段永磁的充磁角度为锐角θ，极弧系数小于1；所述上层和下层的充磁角θ都定义为：N极第一段永磁的充磁角为充磁方向与顺时针圆周切向方向的夹角；N极第二段永磁的充磁角为充磁方向与逆时针圆周切向方向的夹角；S极第一段永磁的充磁角为充磁方向与逆时针圆周切向方向的夹角；S极第二段永磁的充磁角为充磁方向与顺时针圆周切向方向的夹角。
所述的双层Halbach永磁电机，其特征在于，所述转子上层每段永磁厚度h1与转子下层每段永磁厚度h2之比K1=h1/h2，K1为1或者K1不为1。
所述的双层Halbach永磁电机，其特征在于，当K1=1时，转子下层每极范围内，每段永磁的极弧与极距的比值为K2=α1/αp，K2的范围为0.444~0.5。
所述的双层Halbach永磁电机，其特征在于，所述永磁阵列的凸铁和转子铁芯为一个整体。
对于不同结构参数的电机而言，最优充磁角并不同，可以利用有限元软件，通过参数扫描的方法可以得到气隙磁密的基波最大或者THD最小时的最优充磁角θ。
双层Halbach凸极永磁电机的转子既可以为内转子结构，也能是外转子结构。
与相同结构参数的传统Halbach永磁电机相比，本发明的有益效果在于：
本发明电机不仅可以节省永磁用量，降低生产成本，而且可以提高输出转矩，降低转矩波动。
附图说明
图1 是本发明双层Halbach阵列结构示意图。
图2 是本发明双层Halbach永磁电机的结构示意图。
图3 是传统Halbach永磁电机的结构示意图。
图4 是本发明无槽电机在最优充磁角时与传统Halbach永磁电机的气隙磁密波形对比图。
图5 是本发明实例电机在最优充磁角时与传统Halbach永磁电机的电磁转矩波形对比图。
具体实施方式
如图1、2所示，一种双层Halbach永磁电机，包括定子和转子，定子包括定子铁芯1和定子绕组，转子包括转子铁芯2和转子凸铁以及永磁阵列3部分，转子铁芯2和转子凸铁为一个整体。如图1所示为转子铁芯2半径为无穷大时，双层Halbach阵列结构示意图。上层N极由第一段永磁4和第二段永磁5构成，上层S极由第一段永磁6和第二段永磁7构成，上层每极对称轴为几何中心线，每块永磁为平行充磁，充磁角为锐角θ，极弧系数为1。下层N极由第一段永磁8、第二段永磁9以及一个凸铁10构成，永磁与凸铁厚度相等，下层每极对称轴为几何中心线，每块永磁为平行充磁，充磁角为锐角θ，极弧系数小于1。下层S极由第一段永磁11、第二段永磁12以及一个凸铁13构成，永磁与凸铁厚度相等，下层每极对称轴为几何中心线，每块永磁为平行充磁，充磁角为锐角θ，极弧系数小于1。
上层永磁和下层永磁的充磁角θ定义相同，为：N极第一段永磁4、8的充磁角为充磁方向与顺时针圆周切向方向的夹角；N极第二段永磁5、9的充磁角为充磁方向与逆时针圆周切向方向的夹角；S极第一段永磁6、11的充磁角为充磁方向与逆时针圆周切向方向的夹角；S极第二段永磁7、12的充磁角为充磁方向与顺时针圆周切向方向的夹角。
图2为本发明双层Halbach永磁电机的结构示意图。为具体说明本发明电机的优势与特点，给出一实例永磁同步电机，该电机额定功率为400W，额定电压为24V，额定转速为3000r/min。该电机为6槽4极结构，定子内、外径分别为40mm和80mm，转子外径为39.4mm，永磁厚度为6mm，每层厚度为3mm，永磁体剩磁为0.7T，相对磁导率为1.05。定子每相绕组串联匝数为216。
图3为传统的Halbach永磁电机的结构示意图，转子磁极由单层平行充磁和切向充磁的永磁构成。除了永磁之外，其它参数与本发明实例电机结构参数相同。
利用有限元软件，对于实例电机，运用参数扫描的方法，永磁的充磁角度在45°到90°内变化，得到不同充磁角度的无槽气隙磁密的基波值与THD的变化趋势。可以得出，当充磁角为78.6°时，该无槽电机气隙磁密最大。充磁角为45°时，气隙磁密的THD值最小。而且，对有槽实例电机的最优充磁角与无槽电机的结果相同。
对于实例电机，可以得到有槽电机在不同充磁角度时的电磁转矩的变化趋势。当充磁角为78.6°时，电磁转矩的平均值最大。
图4是本发明无槽电机在最优充磁角时与传统Halbach永磁电机的气隙磁密波形对比图。图5 是本发明实例电机在最优充磁角时与传统Halbach永磁电机的电磁转矩波形对比图。计算结果表明，该实例电机气隙磁密的基波值和THD分别为0.789T和37.3%，电磁转矩的平均值为1.56N，而传统的Halbach永磁电机气隙磁密的基波值和THD分别为0.678T和43.1%，电磁转矩的平均值为1.38N。可以看出，本发明提出的双层Halbach永磁电机优于传统的Halbach永磁电机。因此本发明不仅降低了成本，而且提高了输出转矩的能力，并且减小了电机的振动，降低了电机的噪声等问题。

Claims (4)

1.一种双层Halbach永磁电机，包括定子和转子，其特征在于：所述转子包括转子铁芯和永磁阵列，永磁阵列的上层每极包括两段平行磁化的永磁，上层每极对称轴为几何中心线，上层每段永磁的充磁角度为锐角θ，极弧系数为1；永磁阵列的下层每极包括两段平行磁化的永磁和和位于两段永磁之间的一个凸铁，且所述两段永磁与凸铁厚度相等，下层每极对称轴为几何中心线，下层每段永磁的充磁角度为锐角θ，极弧系数小于1；所述上层和下层的充磁角θ都定义为：N极第一段永磁的充磁角为充磁方向与顺时针圆周切向方向的夹角；N极第二段永磁的充磁角为充磁方向与逆时针圆周切向方向的夹角；S极第一段永磁的充磁角为充磁方向与逆时针圆周切向方向的夹角；S极第二段永磁的充磁角为充磁方向与顺时针圆周切向方向的夹角。
2.根据权利要求1所述的双层Halbach永磁电机，其特征在于，所述转子上层每段永磁厚度h1与转子下层每段永磁厚度h2之比K1=h1/h2，K1为1或者K1不为1。
3.根据权利要求2所述的双层Halbach永磁电机，其特征在于，当K1=1时，转子下层每极范围内，每段永磁的极弧与极距的比值为K2=α1/αp，K2的范围为0.444~0.5。
4.根据权利要求1所述的双层Halbach永磁电机，其特征在于，所述永磁阵列的凸铁和转子铁芯为一个整体。
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