CN1299413C - Halbach双凸极电机 - Google Patents
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Abstract
一种halbach双凸极电机，其定子铁芯组件(1)、(2)与转子(3)均由硅钢片叠压而成，三相电机为6K/4K结构，即定子齿数6K，转子齿数为4K，K＝1，2，3……。定子铁心由2K个相同的铁芯组件组成，每个组件有三个齿，共6K个齿沿圆周均匀分布，齿顶宽为π/6K孤度。转子4K个齿，齿顶宽也为π/6K孤度，也可稍大于π/6K孤度；转子可以是直齿，也可以是斜齿。其特点是在定子铁心表面贴有一层内磁场Halbach阵列磁钢4。三相绕组通过功率管按常规双凸极电动机控制策略输入直流电。本发明的双凸极电机是一种气隙磁密大、功率重量比高、气隙大、电枢反应小、过载能力强的新型双凸极电机。
Description
技术领域
本发明的Halbach双凸极电机属电机类的交/直流电机。
背景技术
1979年，美国著名学者Klaus Halbach针对永磁体的构造提出了一种新颖的设计-Halbach列，如图1所示。随后各国学者对Halbach列及其应用进行了大量研究：英国Sheffield大学的华裔学者Z.Q.Zhu***的整理了Halbach电机的各种理论，建立了一套完整的Halbach电机设计方法；美国的Ohio state大学利用有限元对Halbach电机进行了优化设计；Massachusetts剑桥科技学院分析了Halbach列与普通永磁体结构的异同点，指出了Halbach列在表面贴装式永磁电机中的优越性，详细阐述了Halbach电机力矩的产生；瑞典的苏黎世大学、韩国的Chungnam大学、日本的大阪省大学、南非的CAPE Town大学等都对Halbach电机做了深入的研究。综合上述研究，Halbach电机有以下优点：(1)功率密度大。相对于普通永磁体结构，由于Halbach列分解后的切向磁场与径向磁场的相互重叠使得气隙的磁感应强度大幅度提高，可有效的减小电机的体积，提高电机的功率密度。(2)定、转子不再需要斜槽。在Halbach电机中，由于气隙磁场正弦分布，谐波含量小，定、转子无需斜槽。(3)Halbach列自屏蔽效应，对于外磁场的Halbach电机，转子可采用非铁芯材料；对内磁场的Halbach电机，壳体不需导磁材料，甚至可不需要外壳，以减轻电机的体积重量。并使电机有较低的转动惯量。(4)永磁体利用率高。由于Halbach列分向磁化的结果，导致其永磁体工作点较高，一般均超过0.9，提高了永磁体的利用率。(5)可使用集中式绕组。在Halbach电机中由于其磁场正弦分布，谐波磁场较小，可采用集中式绕组提高导电材料利用率。
双凸极永磁电机(Doubly salient permanent magnet motor，简称DSPM)是随着功率电子学和微电子学的飞速发展在90年代出现的一种新型的机电一体化交流调速电机。由双凸极永磁电机、功率变换器、位置传感器和控制器四部分组成。主要优点是结构简单、控制灵活。按永磁体安放位置不同，双凸极永磁电机可分为定子永磁型和转子永磁型，定子永磁型又有切向结构和径向结构两种，如图2所示。
目前，应用较多的是定子永磁型双凸极永磁电机，它与内磁场Halbach电机相比较，结构上明显存在两点缺陷：(1)切向结构永磁体向外漏磁较大；(2)径向结构必须有定子导磁壳体。限制了电机的气隙磁密提高，功率重量比较低。利用内磁场Halbach环形阵列的优点来解决定子永磁型双凸极永磁电机的两个缺陷正是本发明的目的。
发明内容
本发明的目的在于提出一种高气隙磁密和高电机功率密度的新结构双凸极电机。
本发明的Halbach双凸极电机，包括内磁场halbach阵列、定子铁芯、转子、转子位置传感器和其他附件构成。定子铁芯为凸极结构，由硅钢片迭成，铁芯槽中有集中三相绕组。其外面贴有环形内磁场halbach阵列。转子铁芯是凸极结构，由硅钢片叠压而成，无绕组；转子可是直齿，也可以是斜齿。
本发明的Halbach双凸极电机不需要壳体作磁场的通路，电机内部的磁场较强，而电机外部的磁场相对较弱。可以是3相电机也可以是多相电机。三相电机为6K/4K结构，K为自然数，可为1～20或更多，如K等于1，为6/4结构，即定子铁芯6个齿，转子铁芯4个齿；K等于2，为12/8结构，即定子铁芯12个齿，转子铁芯8个齿。
本发明的Halbach双凸极电机与现有双凸极电机相比，主要技术特点是：采用内磁场halbach阵列作为磁源，电机具有气隙磁密大、功率重量比高、气隙大、电枢反应小、过载能力强等优点。
附图说明
图1是halbach列的形式示意图；
图2是双凸极永磁电机示意图
图3是本发明的三相6/4结构剖面示意图；
图4是本发明三相6K/4K结构电动运行时电枢绕组连接方式示意图；
图5是本发明三相6K/4K结构发电运行时电枢绕组连接方式示意图。
上述图中的符号名称：
A-X、B-Y、C-Z——Halbach双凸极电机三相绕组。
具体实施方式
由于不同相数的Halbach双凸极电机结构相似，下面仅以图3所示三相6/4结构Halbach双凸极电机为例，阐述本发明的电机结构。
本发明的Halbach双凸极电机的定子铁芯组件1、2与转子3均由硅钢片叠压而成。三相电机为6K/4K结构，即定子齿数6K，转子齿数为4K，K＝1，2，3……20。定子铁心由2K个相同的铁芯组件组成，每个组件有三个齿，共6K个齿沿圆周均匀分布，齿顶宽为π/6K孤度。转子4K个齿，齿顶宽也为π/6K孤度，也可稍大于π/6K孤度；转子可以是直齿，也可以是斜齿。如三相6/4结构为两相同定子铁芯组件对称放置，每个组件有三个齿，共6个齿沿圆周均匀分布，齿顶宽为π/6孤度。转子4个齿，齿顶宽也为π/6孤度，也可稍大于π/6孤度。
本发明的Halbach双凸极电机定子铁芯外表面贴有一层内磁场Halbach阵列磁钢4，其极对数相应为K，如三相6/4结构其极对数为1，三相12/8结构其极对数为2。其N、S极分别与该N、S极下的定子铁心的中心线对齐。
本发明的Halbach双凸极电机定子齿上套装集中电枢绕组5、6、7。作电动机用时，定子电枢绕组的连接方式如图4所示，即相同相位定子齿上的电枢绕组串联或并联构成一相，组成A-X，B-Y和C-Z三相绕组，三相绕组再通过功率管按常规双凸极电动机控制策略输入直流电。
本发明的Halbach双凸极电机作发电机用时，不需要转子位置传感器，定子电枢绕组的连接方式如图5所示。三相绕组经二极管整流输出直流电。转子合理的斜齿，可输出接近正旋的三相交流电。
Claims (1)
1.一种halbach双凸极电机，包括定子铁芯组件与转子，所述定子铁心与转子均由硅钢片叠压而成，并均有凸极结构，在定子铁心槽中绕有定子电枢绕组，转子可以是直齿，也可以是斜齿，其特征在于：定子铁芯外表面贴有一层内磁场Halbach阵列磁钢(4)，极对数为K，其中K为1～20的自然数，定子铁芯组件数为2K，N、S极分别与该N、S极下的定子铁心的中心线对齐。
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