CN2850109Y - 基于Halbach阵列的交流盘式无铁心永磁同步电动机 - Google Patents

Abstract

基于Halbach阵列的交流盘式无铁心永磁同步电动机，为双外转子结构，磁钢盘粘在外转子的内壁，磁钢盘采用Halbach型永磁体阵列结构，产生轴向磁场，定子电枢采用无铁心结构，直接由绕组注塑而成，双转子与定子电枢构成双侧气隙。Halbach型永磁体阵列可提高气隙磁密，并很容易得到正弦型分布地气隙磁场，减小转矩波动，减小轭部磁通。气隙磁密的增加使得电磁转矩增大、电机出力提高，由于轭部磁通减小可以相应少用或不用轭部，这可以减少电机的体积和重量。本实用新型的电机轴向尺寸短、重量轻、噪声低、体积小、结构紧凑；转子无磁滞、涡流损耗，电机运行效率高；适合于薄型安装场合，对于要求大力矩直接驱动的场合特别适用。

Description

基于Halbach阵列的交流盘式无铁心永磁同步电动机

技术领域

本实用新型涉及电动机技术领域，具体涉及基于Halbach阵列的交流盘式无铁心永磁同步电动机。

背景技术

作为现代高性能伺服电动机及大力矩直接驱动电动机，近年来盘式永磁同步电动机在国内外得到了迅速的发展。随着数控机床、工业机器人、计算机等高科技产品的兴起和一些特殊应用***的需求，对伺服驱动电动机提出了更高的性能指标和薄型安装的要求，盘式永磁同步电动机开始逐步地取代传统地伺服电机产品。大功率化、高功能化和微型化是目前永磁电机发展的方向，高力能密度和高效率是对各类永磁电机设计提出的共同要求。从永磁电机的设计考虑，提高电机本身的磁负荷也就是增加电机气隙中的磁通密度，这样不但可以减小电机的体积，还可以提高力能密度。另外，传统电机中为了减小磁路的磁阻，选用高磁导率的硅钢片叠压制成铁心，而铁心的存在又导致了电机体积大、重量大、损耗大、振动噪声大等问题。如果能利用钕铁硼永磁高矫顽力的优异特性而不用或少用硅钢片，制成无铁心电机，不但电机重量可以大幅度下降，还可以降低振动噪声，同时效率也可提高。同时，还可以通过选择不同的磁钢结构和排列方式来增加气隙磁通密度。稀土永磁具有高剩磁密度、高矫顽力和高磁能积的特点，可以容许所制成的电机具有较大的气隙长度和气隙磁密，因而在永磁体安放和磁路结构设计上有很大灵活性，可以根据使用场合，制成与传统电机不同的结构形状。

发明内容

针对盘式永磁同步电动机现有技术存在的问题，本实用新型提供一种基于Halbach阵列的交流盘式无铁心永磁同步电动机。

本实用新型的基于Halbach阵列的交流盘式无铁心永磁同步电动机不同于传统结构的盘式永磁同步电动机。该电机为轴向磁场电机，外转子结构，双转子，转子部分采用Halbach型永磁体阵列，磁钢直接粘在外转子内壁上，外转子材料为铝合金，电机运行时磁钢和外转子可一起转动，避免了磁钢和外转子相互运动产生的涡流损耗。定子电枢采用无铁心结构，直接由绕组注塑而成。电枢采用无槽无铁心结构，可以减少由齿槽效应引起的电磁转矩脉动，不受饱和的影响，降低损耗、增加效率，并且减轻了质量。同时，双转子构成的双气隙可以克服单边磁拉力，增加气隙磁密。

该电机定子、转子对等排列，定子绕组具有良好的散热条件，可获得很高的功率密度。转子的转动惯量小，机电时间常数小，峰值转矩和堵转转矩高，转矩/重量大、低速运行平稳，具有优越的动态性能。

从永磁电机设计的角度看，要提高电机本身的磁负荷也就是要增加电机气隙中的磁通密度，这样不但可以减小电机的体积，还可以提高力能密度。本实用新型采用一种特殊的磁钢排列方式——Halbach型永磁体阵列，利用Halbach阵列使得一侧磁场增强的特点来提高电机中的气隙磁密。本实用新型的电动机永磁材料采用具有高矫顽力和高剩磁密度的钕铁硼永磁，两侧磁钢盘采用Halbach型永磁体阵列结构，将径向与切向阵列结合在一起，合成的结果使一边的磁场增强而另一边的磁场减弱。该阵列一方面可以提高气隙磁密，另外还可以很容易地得到正弦型分布地气隙磁场，减小转矩波动，减小轭部磁通。随着构成Halbach型永磁体阵列每极永磁体块数的增加，气隙磁场波形正弦化的趋势越来越理想，这也正是同步电动机所要求达到的。同时气隙磁密的增加意味着电磁转矩的增大、电机出力提高，在保持出力不变时则可以减小电枢电流、降低绕组损耗、提高电机效率，由于轭部磁通减小可以相应少用或不用轭部，这可以减少电机的体积和重量。而且，采用Halbach型永磁体阵列结构后有效部分的气隙磁密明显增强，背部的气隙磁密也有了显著的下降。在永磁体用量相同的情况下，采用Halbach型永磁体阵列结构后有效部分的气隙磁密可增加30％，背部气隙磁密可减弱50％。可见采用Halbach型永磁体阵列后可以有效地提高气隙磁密，从而使电机的无铁心成为可能。

本实用新型的电机轴向尺寸短、重量轻、噪声低、体积小、结构紧凑；转子无磁滞、涡流损耗，电机运行效率高；适合于薄型安装场合，对于要求大力矩直接驱动的场合特别适用；本实用新型的产品能够充分发挥我国稀土资源丰富的优势，变稀土资源的出口为高性能交流永磁伺服电动机及其***的出口，用高性能的稀土永磁电机来提高所配技术装备的性能，改造和提升传统机械行业，提高我们在国际市场的竞争力。

附图说明

图1为本实用新型基于Halbach阵列的交流盘式无铁心永磁同步电动机的结构示意图。

图2为转子永磁体阵列示意图。

图3为2块90°角度排列的Halbach型永磁体阵列示意图。

图4为3块60°角度排列的Halbach型永磁体阵列示意图。

图5为4块45°角度排列的Halbach型永磁体阵列示意图。

图6为轴向充磁永磁体和Halbach型永磁体阵列结构的气隙磁场磁力线分布比较图。其中(a)为轴向充磁永磁体的气隙磁场磁力线分布图，(b)为Halbach型永磁阵列结构永磁体的气隙磁场磁力线分布图。

图7为不同结构的Halbach型永磁体阵列气隙磁场波形图。其中(a)为每极两块永磁体阵列气隙磁场波形图，(b)为每极三块永磁体阵列气隙磁场波形图，(c)为每极四块永磁体阵列气隙磁场波形图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型的基于Halbach阵列的交流盘式无铁心永磁同步电动机包括外转子1、定子电枢2、磁钢盘3、支架4、转轴5、定子引线6，该电动机为双外转子结构，外转子1与转轴5通过轴承连接，磁钢盘3粘在转子1的内壁，磁钢盘3采用如图2所示的Halbach型永磁体阵列结构，产生轴向磁场，定子电枢2采用无铁心结构，直接由绕组注塑而成，定子电枢2通过支架4固定在转轴5上；双外转子1与定子电枢2构成双侧气隙。定子引线6由转轴5的中心穿出。

本实用新型的电机可以采用一定角度的Halbach型永磁体阵列，即可以采用如图3、图4、图5所示的分别为2块90°角度排列、3块60°角度排列、4块45°角度排列的Halbach型永磁体阵列。图6所示的是Halbach型永磁体阵列结构的明显优势(与轴向充磁永磁体比较)。每极永磁体块数的增加，气隙磁场波形正弦化变化如图7所示，分别为每极两块永磁体、每极三块永磁体、每极四块永磁体的气隙磁场波形。

Claims (4)

1、基于Halbach阵列的交流盘式无铁心永磁同步电动机，包括外转子、定子电枢、转轴、磁钢盘、支架，外转子为双外转子结构，磁钢盘粘在外转子的内壁，磁钢盘采用Halbach型永磁体阵列结构，外转子与转轴通过轴承连接，定子电枢采用无铁心结构，直接由绕组注塑而成，通过支架固定在转轴上，双外转子与定子电枢构成双侧气隙。

2、按照权利要求1所述的基于Halbach阵列的交流盘式无铁心永磁同步电动机，其特征在于磁钢盘采用一定角度的Halbach型永磁体阵列，即采用2块90°角度排列、3块60°角度排列或4块45°角度排列的Halbach型永磁体阵列。

3、按照权利要求1所述的基于Halbach阵列的交流盘式无铁心永磁同步电动机，其特征在于外转子以铝合金材料制造，永磁体采用钕铁硼永磁材料。

4、按照权利要求1所述的基于Halbach阵列的交流盘式无铁心永磁同步电动机，其特征在于磁钢盘产生轴向磁场。

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