專利名稱：一種磁場調(diào)制式Halbach永磁直驅(qū)式電機的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種磁場調(diào)制式Halbach永磁直驅(qū)式電機裝置，屬于新型特種電機技術領域。
背景技術：
工業(yè)生產(chǎn)中為避免機械齒輪傳動系統(tǒng)噪聲高、效率低、傳輸精度低、響應慢、機械磨損等問題，往往采用直驅(qū)式電機。但傳統(tǒng)的直驅(qū)式電機轉速低、體積龐大、成本高。磁場調(diào)制式永磁電機是一種最近提出的的直驅(qū)式電機，它通過電機中間調(diào)磁環(huán)的磁場調(diào)制作用實現(xiàn)高速電機的控制和低速直驅(qū)大轉矩的輸出，由于高漏磁和鐵芯損耗，它的功率密度是有限的。Halbach陣列是一種新型永磁體排列方式，它將不同磁化方向的永磁體按照一定的順序排列，使得陣列中一邊磁場顯著增強而另一邊顯著減弱，且易于得到正弦分布的磁場， 這些特性使其在永磁電機領域中具有廣闊的應用前景。因此，有必要提出一種新型磁場調(diào)制式Halbach永磁直驅(qū)式電機裝置。

實用新型內(nèi)容本實用新型針對原有磁場調(diào)制式電機漏磁及軛部磁密大的問題，提供了一種采用 Halbach陣列，以提供更大的有效磁場諧波成份和輸出轉矩，同時減少外轉子磁軛的磁通密度，降低鐵芯損耗的磁場調(diào)制式Halbach永磁直驅(qū)式電機。本實用新型的磁場調(diào)制式Halbach永磁直驅(qū)式電機，包括外轉子1、外轉子軛2、永磁體3、調(diào)磁環(huán)4、與外轉子1同心的定子5、電樞繞組6、電機軸7 ；外轉子1與電機軸7轉動連接，電機軸7上固定電機定子5和調(diào)磁環(huán)4 ；調(diào)磁環(huán)4位于外轉子軛2與定子5之間； 永磁體3沿圓周方向均勻嵌放在外轉子軛2上；電樞繞組6設置在定子5上的定子槽內(nèi)；調(diào)磁環(huán)的導磁塊9沿圓周方向均勻分布；永磁體極對數(shù)r^與電樞繞組極對數(shù)np之和為調(diào)磁環(huán)中導磁塊個數(shù)ns。上述的永磁直驅(qū)式電機，永磁體3與調(diào)磁環(huán)4之間有氣隙，調(diào)磁環(huán)4與定子5之間有氣隙，將傳統(tǒng)磁齒輪的高速側外轉子用定子來替代。上述的永磁直驅(qū)式電機，調(diào)磁環(huán)4是由導磁塊與非導磁材料間隔排列組成，其中導磁塊材料為鐵氧體，非導磁材料為鋁。上述的永磁直驅(qū)式電機，永磁體3材料為釹鐵硼，每塊永磁體分成三份，每份充磁方向不同。永磁體每個極被分成三份，寬度和充磁方向均可調(diào)節(jié)，以達到最大的功率輸出。上述的永磁直驅(qū)式電機，電機軸7和軸承8的材料為鋁。上述的永磁直驅(qū)式電機，外轉子軛2材料為硅鋼片。本實用新型的有益效果本實用新型是基于磁場調(diào)制式Halbach永磁直驅(qū)式電機。它通過電機中調(diào)磁環(huán)的調(diào)磁作用，解決了傳統(tǒng)電機低速運行體積大、系統(tǒng)復雜的缺點， 同時外轉子采用了 Halbach永磁陣列，能減少外轉子磁軛的磁通密度，降低鐵芯損耗。定子 5采用傳統(tǒng)外轉子永磁無刷直流電機定子結構。調(diào)磁環(huán)4置于外轉子1和定子5之間且固定于電機軸7上，起調(diào)節(jié)磁場的作用，調(diào)磁環(huán)中導磁塊個數(shù)ns等于永磁體極對數(shù)r^加電樞繞組極對數(shù)np，定子磁場極對數(shù)與永磁體極對數(shù)之比即為該復合電機可實現(xiàn)的速度變比。 通過適當選擇電機的外轉子極對數(shù)和調(diào)磁環(huán)中導磁塊個數(shù)，可應用于不同的需要低速直驅(qū)的場合。當定子電樞繞組通以一定頻率的交流電時，電樞繞組電流產(chǎn)生的旋轉磁場角速度為ω”通過導磁塊的磁場調(diào)制作用，在靠近外轉子一側的氣隙中產(chǎn)生一個調(diào)制波磁場，其旋轉角速度為-ω 2，該磁場與外轉子上的永磁體相互作用，帶動外轉子旋轉，通過改變通入電樞繞組電流的頻率從而實現(xiàn)不同的角速度Q1，進而得到不同的外轉子旋轉速度- 2，實現(xiàn)調(diào)速驅(qū)動。Q1 ω2為速度變比，等于外轉子永磁體數(shù)與內(nèi)定子電樞繞組產(chǎn)生的磁場極對數(shù)之比。該裝置的永磁體采用Halbach陣列，利用有限元可以優(yōu)化調(diào)整永磁體寬度比以及充磁方向，與徑向充磁普通磁場調(diào)制式永磁電機相比，它能提供更大的有效磁場諧波成份和輸出轉矩，降低外轉子磁軛的磁通密度及鐵芯損耗。另外，本實用新型(1)省去了機械變速齒輪箱，不存在齒輪箱的機械磨損、維護和噪音問題，提高了裝置可靠性。同時提高了電機轉速，減小電機的體積，重量和制造成本。(2)電機中有更多的磁力線通過氣隙，因此內(nèi)氣隙磁通密度的有效諧波成份值比普通磁場調(diào)制式永磁電機高，輸出轉矩增大。(3)外轉子磁軛磁通密度可以大量減少，這將減少外轉子磁軛鐵芯損耗，縮小外轉子軛部大小，節(jié)省材料。(4)外轉子采用高磁能積釹鐵硼勵磁，沒有滑環(huán)和電刷，無需外加電源勵磁，具有結構簡單、體積小重量輕、功率密度高、效率高以及可靠性好等優(yōu)點。

圖1為本實用新型結構剖面示意圖。圖2為本實用新型電機三維示意圖。圖3為本實用新型外轉子局部永磁體充磁方向示意圖。 圖中，外轉子1、外轉子軛2、永磁體3、調(diào)磁環(huán)4、定子5、電樞繞組6、電機軸7、軸承 8、導磁塊9、定子槽10、調(diào)磁環(huán)的非導磁塊11。
具體實施方式
下面是本實用新型的具體實施，用來進一步描述本實用新型是一種新型磁場調(diào)制式Halbach永磁直驅(qū)式電機裝置，它包括外轉子 (1)、外轉子軛(2)、永磁體(3)、調(diào)磁環(huán)(4)、定子(5)、電樞繞組(6)、電機軸(7)、軸承(8)； 電機的外轉子⑴通過軸承⑶與電機軸(7)轉動連接，永磁體(3)沿圓周方向均勻嵌放在外轉子軛( 上。定子( 采用傳統(tǒng)外轉子永磁無刷直流電機定子結構，調(diào)磁環(huán)的導磁塊(9)沿圓周方向均勻分布。電機軸(7)用來固定電機定子(5)和靜止的調(diào)磁環(huán)，同時與外轉子(1)通過軸承(8)連接。調(diào)磁環(huán)(4)置于外轉子(1)和定子( 之間且固定于電機軸(7)上，起調(diào)節(jié)磁場的作用，調(diào)磁環(huán)中導磁塊個數(shù)ns等于永磁體極對數(shù)r^加電樞繞組極對數(shù)np，定子磁場極對數(shù)與永磁體極對數(shù)之比即為該復合電機可實現(xiàn)的速度變比。本實用新型的基本原理為傳統(tǒng)磁齒輪調(diào)磁環(huán)的空間磁場調(diào)制原理，利用空間諧波傳遞能量，既可以運行在電動狀態(tài)，也可以運行在發(fā)電狀態(tài)。當該裝置運行在電動狀態(tài)時，內(nèi)定子線圈中通以一定頻率的交流電，電樞繞組電流產(chǎn)生的旋轉磁場角速度為Q1，經(jīng)過靜止調(diào)磁環(huán)的調(diào)制作用，在靠近外轉子一側的氣隙中產(chǎn)生一個調(diào)制波磁場，其旋轉角速度為-ω 2，該磁場與外轉子處的永磁體相互作用，帶動外轉子旋轉，通過改變電樞電流的頻率從而實現(xiàn)不同的角速度Q1，進而得到不同的外轉子旋轉速度-ω2，實現(xiàn)調(diào)速驅(qū)動。Co1 ω2為速度變比，等于外轉子永磁體數(shù)與內(nèi)定子磁場極對數(shù)np之比。因此，該裝置可應用在直接驅(qū)動電動汽車輪轂電機中，滿足在低速時對較大轉矩的要求，同時可以實現(xiàn)電動輪的電氣制動、機電復合制動和制動能量回饋，節(jié)約能源。當該裝置運行在發(fā)電狀態(tài)時，永磁低速外轉子以角速度_ω2旋轉，經(jīng)過靜止調(diào)磁環(huán)導磁塊的調(diào)制作用，調(diào)制出匝鏈定子的磁場，其旋轉磁場角速度為ω工，該磁場與電機定子電樞繞組產(chǎn)生相對運動，切割電樞繞組導線產(chǎn)生電能。Q1 2為速度變比，等于外轉子永磁體數(shù)r^與內(nèi)定子的磁場極對數(shù)np之比。通常情況下，外轉子永磁體數(shù)r^是遠大于定子磁場極對數(shù) 的，所以這可實現(xiàn)電機在低速條件下發(fā)電運行，故本裝置也可應用在風力發(fā)電的場合。圖3是外轉子局部永磁體充磁方向示意圖，Halbach列中一個永磁體可以被分成三部分，并以不同方向被磁化，中間部分采取徑向充磁，其余兩部分可以運用軟件優(yōu)化調(diào)節(jié)充磁方向。另外可以通過優(yōu)化Halbach列的寬度以便獲得最大的輸出轉矩。
權利要求1.一種磁場調(diào)制式Halbach永磁直驅(qū)式電機，其特征在于它包括外轉子(1)、外轉子軛(2)、永磁體(3)、調(diào)磁環(huán)(4)、與外轉子(1)同心的定子(5)、電樞繞組(6)、電機軸(7)； 外轉子⑴與電機軸(7)轉動連接，電機軸(7)上固定電機定子(5)和調(diào)磁環(huán)⑷；調(diào)磁環(huán) (4)位于外轉子軛O)與定子( 之間；永磁體C3)沿圓周方向均勻嵌放在外轉子軛(2) 上；電樞繞組(6)設置在定子( 上的定子槽內(nèi)；調(diào)磁環(huán)的導磁塊(9)沿圓周方向均勻分布；永磁體極對數(shù)r^與電樞繞組極對數(shù)np之和為調(diào)磁環(huán)中導磁塊個數(shù)ns。
2.如權利要求1所述的永磁直驅(qū)式電機，其特征在于永磁體(3)與調(diào)磁環(huán)(4)之間有氣隙，調(diào)磁環(huán)(4)與定子(5)之間有氣隙。
3.如權利要求1所述的永磁直驅(qū)式電機，其特征在于調(diào)磁環(huán)⑷是由導磁塊與非導磁材料間隔排列組成，其中導磁塊材料為鐵氧體，非導磁材料為鋁。
4.如權利要求1所述的永磁直驅(qū)式電機，其特征在于永磁體(3)材料為釹鐵硼，每塊永磁體分成三份，每份充磁方向不同。
5.如權利要求1所述的永磁直驅(qū)式電機，其特征在于電機軸(7)和軸承⑶的材料為鋁。
6.如權利要求1所述的永磁直驅(qū)式電機，其特征在于外轉子軛(2)材料為硅鋼片。
專利摘要本實用新型涉及一種新型磁場調(diào)制式Halbach永磁直驅(qū)式電機，它通過電機中調(diào)磁環(huán)的調(diào)磁作用，解決了傳統(tǒng)電機低速運行體積大、系統(tǒng)復雜的問題，同時外轉子采用了Halbach永磁陣列，它能提供更大的有效磁場諧波成份和輸出轉矩，減少外轉子磁軛的磁通密度，降低鐵心損耗。其電機軸固定電機定子和調(diào)磁環(huán)，外轉子與電機軸轉動連接，永磁體沿圓周方向均勻嵌放在外轉子軛上，調(diào)磁環(huán)的導磁塊沿圓周方向均勻分布，永磁體極對數(shù)nr與電樞繞組極對數(shù)np之和為調(diào)磁環(huán)中導磁塊個數(shù)ns，定子磁場極對數(shù)與永磁體極對數(shù)之比即為該裝置可實現(xiàn)的速度變比。通過適當選擇電機的外轉子極對數(shù)和調(diào)磁環(huán)中導磁塊個數(shù)，可應用于不同需要的低速直驅(qū)場合。
文檔編號H02K21/02GK201956858SQ20112000303
公開日2011年8月31日 申請日期2011年1月7日 優(yōu)先權日2011年1月7日
發(fā)明者樊英, 江和和, 金小香 申請人:東南大學