CN213602464U - 一种高效率Halbach阵列永磁同步电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种高效率Halbach阵列永磁同步电机，包括定子、电枢绕组、转子、转子护套、转子永磁体、转轴，转子永磁体为分块Halbach阵列，Halbach阵列采用每极大于等于两块的结构；转子护套采用不导磁材料。采用此种电机结构可以提高永磁同步电机效率、降低转矩脉动，使用Halbach阵列调整气隙磁密并减少转子轭部漏磁，使铁心表面损耗和永磁体涡流损耗更小，转子护套使用不导磁材料，进一步改善气隙磁通密度的正弦型，达到提高电机效率目的。

Description

一种高效率Halbach阵列永磁同步电机

技术领域

本实用新型涉及电机，具体地，涉及一种Halbach阵列永磁同步电机，转子结构新颖并具有高效率和高功率密度。

背景技术

永磁同步电机具有高效率、高功率密度和转矩密度、调速范围广等特点，在工业领域被广泛应用，特别是电动汽车和轨道交通行业。由于永磁同步电机对功率因素和转矩脉动、效率提出了较高的要求，所以电机设计开发时气隙磁通密度和反电势是重要考虑因素。

Halbach阵列是由多种不同方向的永磁体构成的，比较简单的结构仅有径向和切向两种结构组成，径向和切向磁体各自产生磁场，而空间的磁场是各磁场合成的结果。由于Halbach阵列结构具有单边磁场正弦、磁自屏蔽等优良特性，显然这一特性对于永磁电机的设计是很有利的。

在现有研究中采用双层Halbach来增强Halbach永磁同步电机的电磁性能，提高气隙磁通密度基波幅值和改善气隙磁场的正弦性，但是永磁体的利用率降低了。通过分块式极间隔断Halbach磁钢永磁同步电机参数优化，得到较好的气隙磁通密度波形，但连续3段充磁导致加工复杂。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为进一步提高永磁同步电机的效率，减小转矩脉动，设计一种加工工艺简单、组装方便的Halbach阵列永磁同步电机。

本实用新型是通过以下技术方案实现的。

一种高效率Halbach阵列永磁同步电机，包括定子、电枢绕组、转子、转子护套、转子永磁体、转轴；其特征在于定子与转子护套之间存在气隙，所述转子位于所述定子内，且固定在所述转轴上，所述转子永磁体设置在所述转子上且位于所述转子与所述转子护套之间，所述电枢绕组设置在所述定子上；所述的转子永磁体为分块式Halbach阵列，Halbach阵列采用每极大于等于两块的结构；所述的转子护套采用不导磁材料。

所述的转子永磁体由单层Halbach阵列和辅助磁钢组成，Halbach阵列为相邻两块磁钢充磁角度相差90°的磁钢组成，辅助磁钢由径向充磁的磁钢组成，辅助磁钢和Halbach磁钢以相同的角速度旋转。

所述的转子永磁体中Halbach阵列磁钢的中心线与辅助磁钢的中心线重合，两条中心线夹角为0。

通过采用上述技术方案，所提供的有益的效果是：在Halbach阵列的基础上增加辅助磁极，在转子内嵌磁钢，增加径向磁力线，引导更多的磁力线进入Halbach阵列，减小转子轭部的漏磁，改变径向磁通密度基波幅值和波形的正弦度，使得气隙磁场磁通波形更趋正弦性，基波幅值更大，谐波畸变率更小，有效气隙长度变小，转矩脉动更小，铁心表面损耗和永磁体涡流损耗更小，电机效率得到了提高。

通过采用上述技术方案，所提供的有益的效果是：在Halbach阵列的基础上增加辅助磁极，在转子内嵌磁钢，增加径向磁力线，引导更多的磁力线进入Halbach阵列，减小转子轭部的漏磁，改变径向磁通密度基波幅值和波形的正弦度，使得气隙磁场磁通波形更趋正弦性，基波幅值更大，谐波畸变率更小，有效气隙长度变小，转矩脉动更小，铁心表面损耗和永磁体涡流损耗更小，电机效率得到了提高。

附图说明

图1为本实用新型的高效率Halbach阵列永磁同步电机。

图2为图1中转子永磁体采用Halbach阵列示意图。

图3为本实用新型一个实施例中传统Halbach结构示意图。

图4为本实用新型转子永磁体采用Halbach阵列磁力线示意图。

图中，1-定子，2-电枢绕组，3-转子，4-转子护套，5-转子永磁体，6-转轴，7-Halbach阵列磁钢，8-辅助磁钢，9-每极两块Halbach永磁阵列磁钢弧角，10-相邻两块磁钢充磁角。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细说明，应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本实用新型，本实用新型的保护范围并不局限于下述的具体实施方式。

如图1所示，本实用新型的Halbach阵列永磁同步电机的一个实施例包括定子、电枢绕组、转子、转子护套、转子永磁体、转轴，转子永磁体为分块Halbach阵列，定子铁心与转子护套之间留有气隙。Halbach电机的永磁体和普通永磁同步电机一样，通过粘贴或绑扎的方法进行固定，所以也同样存在可靠性的问题，因此也需要护套对其进行加固，以满足高速运行的需要。护套可以分为导磁和不导磁两种类型，当转子外加的护套为不导磁材料时，相当于电机气隙增加了一个筒壁的厚度，会使磁场的分布更加趋于正弦。

转子固定在转轴上，能够随转轴一起在定子内转动。Halbach永磁体阵列设置在转子上，且位于转子与转子护套之间。当转子在定子内转动时，能够带动Halbach永磁体阵列在定子内转动，辅助磁钢与Halbach磁钢具有相同的角速度。

图4是本实用新型Halbach磁力线图，减少了转子轭部的漏磁。Halbach永磁阵列是由径向和切向充磁按一定顺序排列组成表贴式永磁体排列结构。辅助磁钢是由径向充磁的磁钢组成，Halbach阵列磁场和辅助磁钢磁场的合成磁场构成气隙主磁场，Halbach永磁阵列磁钢的中心线与辅助磁钢的中心线重合，即两条中心线的夹角为0，Halbach永磁阵列中每极每块磁钢的机械角度可变，对于每极两块的Halbach永磁阵列，每极磁钢的夹角α＝π /2p，其中相邻两块磁钢的充磁夹角γ＝π(p-1)/2p，p为极对数。

为了进行比较，给出实例一电机。该实例电机是12极27槽结构，额定转速为 650r/min。该实例电机的主要结构参数为：定子外径为248mm，内径为121.6mm，转子外径为120mm，铁心长度为55mm，永磁体厚度为5mm。本实用新型中的Halbach阵列中 Halbach磁钢和辅助磁钢的厚度均为5mm，辅助磁钢的机械角度为Halbach磁钢的1/2，在相同的永磁用量下，传统Halbach阵列的磁钢厚度为7.3mm，两种电机的其他参数都相同。通过Maxwell对电机的反电势、齿槽转矩、输出转矩进行分析。可以得到气隙磁通密度波形基本一致，其中传统Halbach阵列的畸变率为25.8％，谐波畸变率很大，造成转矩纹波和永磁体涡流损耗、转子表面损耗，而本实用新型的Halbach的畸变率为20.5％，大大降低了谐波畸变率，减小了转矩脉动；两种电机的空载反电动势对比，本实用新型的Halbach阵列的反电势均方根为42.82V，而相同用磁量的传统Halbach阵列反电动势均方根为38.35V，本实用新型Halbach比传统Halbach的反电动势大了11.6％，本实用新型的Halbach的反电动势基波幅值较传统型增大，谐波畸变率减小，进而减小了齿槽转矩的幅值；额定电流下，本实用新型的Halbach的输出转矩比传统的Halbach增大了13.7％，输出转矩脉动最小仅为 0.5％。综合上述数据，与传统的Halbach相比，本实用新型的Halbach阵列使得气隙磁场磁通密度波形更趋正弦性，基波幅值更大，谐波畸变率更小，铁心表面损耗和永磁体涡流损耗更小，电机效率得到了提高。

Claims (5)

1.一种高效率Halbach阵列永磁同步电机，包括定子(1)、电枢绕组(2)、转子(3)、转子护套(4)、转子永磁体(5)、转轴(6)；其特征在于定子(1)与转子护套(4)之间存在气隙，所述转子(3)位于所述定子(1)内，且固定在所述转轴(6)上，所述转子永磁体(5)设置在所述转子(3)上且位于所述转子(3)与所述转子护套(4)之间，所述电枢绕组(2)设置在所述定子(1)上；所述转子永磁体(5)为分块式Halbach阵列，Halbach阵列采用每极大于等于两块的结构；所述转子护套(4)采用不导磁材料。

2.根据权利要求1所述的一种高效率Halbach阵列永磁同步电机，其特征在于：所述的转子永磁体(5)为单层的Halbach永磁阵列和辅助磁钢堆砌组成，每极三块永磁体。

3.根据权利要求1所述的一种高效率Halbach阵列永磁同步电机，其特征在于：所述的转子永磁体(5)中，Halbach永磁阵列采用平行充磁，每极两块磁钢，相邻两块磁钢充磁角度相差90°。

4.根据权利要求2所述的一种高效率Halbach阵列永磁同步电机，其特征在于：所述的辅助磁钢是由径向充磁的磁钢组成，辅助磁钢和Halbach磁钢以相同的角速度旋转。

5.根据权利要求1所述的一种高效率Halbach阵列永磁同步电机，其特征在于：所述的转子永磁体(5)中，Halbach永磁阵列磁钢的中心线与辅助磁钢的中心线重合，两条中心线的夹角为0。

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