專利名稱：一種磁場(chǎng)調(diào)制式Halbach永磁直驅(qū)式電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁場(chǎng)調(diào)制式Halbach永磁直驅(qū)式電機(jī)裝置，屬于新型特種電機(jī)技 術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
工業(yè)生產(chǎn)中為避免機(jī)械齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)噪聲高、效率低、傳輸精度低、響應(yīng)慢、機(jī)械 磨損等問(wèn)題，往往采用直驅(qū)式電機(jī)。但傳統(tǒng)的直驅(qū)式電機(jī)轉(zhuǎn)速低、體積龐大、成本高。磁場(chǎng) 調(diào)制式永磁電機(jī)是一種最近提出的的直驅(qū)式電機(jī)，它通過(guò)電機(jī)中間調(diào)磁環(huán)的磁場(chǎng)調(diào)制作用 實(shí)現(xiàn)高速電機(jī)的控制和低速直驅(qū)大轉(zhuǎn)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(chǎng)顯著增強(qiáng)而另一邊顯著減弱，且易于得到正弦分布的磁場(chǎng)， 這些特性使其在永磁電機(jī)領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。因此，有必要提出一種新型磁場(chǎng)調(diào) 制式Halbach永磁直驅(qū)式電機(jī)裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)原有磁場(chǎng)調(diào)制式電機(jī)漏磁及軛部磁密大的問(wèn)題，提供了一種采用 Halbach陣列，以提供更大的有效磁場(chǎng)諧波成份和輸出轉(zhuǎn)矩，同時(shí)減少外轉(zhuǎn)子磁軛的磁通密 度，降低鐵芯損耗的磁場(chǎng)調(diào)制式Halbach永磁直驅(qū)式電機(jī)。本發(fā)明的磁場(chǎng)調(diào)制式Halbach永磁直驅(qū)式電機(jī)，包括外轉(zhuǎn)子1、外轉(zhuǎn)子軛2、永磁體 3、調(diào)磁環(huán)4、與外轉(zhuǎn)子1同心的定子5、電樞繞組6、電機(jī)軸7 ；外轉(zhuǎn)子1與電機(jī)軸7轉(zhuǎn)動(dòng)連 接，電機(jī)軸7上固定電機(jī)定子5和調(diào)磁環(huán)4 ；調(diào)磁環(huán)4位于外轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子軛2上；電樞繞組6設(shè)置在定子5上的定子槽內(nèi)；調(diào)磁環(huán) 的導(dǎo)磁塊9沿圓周方向均勻分布；永磁體極對(duì)數(shù)r^與電樞繞組極對(duì)數(shù)np之和為調(diào)磁環(huán)中導(dǎo) 磁塊個(gè)數(shù)ns。上述的永磁直驅(qū)式電機(jī)，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(cè)外轉(zhuǎn)子用定子來(lái)替代。上述的永磁直驅(qū)式電機(jī)，調(diào)磁環(huán)4是由導(dǎo)磁塊與非導(dǎo)磁材料間隔排列組成，其中 導(dǎo)磁塊材料為鐵氧體，非導(dǎo)磁材料為鋁。上述的永磁直驅(qū)式電機(jī)，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(gè)極被分成三份，寬度和充磁方向均可調(diào)節(jié)，以達(dá)到最大的功率輸出。上述的永磁直驅(qū)式電機(jī)，電機(jī)軸7和軸承8的材料為鋁。上述的永磁直驅(qū)式電機(jī)，外轉(zhuǎn)子軛2材料為硅鋼片。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明是基于磁場(chǎng)調(diào)制式Halbach永磁直驅(qū)式電機(jī)。它通過(guò) 電機(jī)中調(diào)磁環(huán)的調(diào)磁作用，解決了傳統(tǒng)電機(jī)低速運(yùn)行體積大、系統(tǒng)復(fù)雜的缺點(diǎn)，同時(shí)外轉(zhuǎn)子 采用了 Halbach永磁陣列，能減少外轉(zhuǎn)子磁軛的磁通密度，降低鐵芯損耗。定子5采用傳統(tǒng) 外轉(zhuǎn)子永磁無(wú)刷直流電機(jī)定子結(jié)構(gòu)。調(diào)磁環(huán)4置于外轉(zhuǎn)子1和定子5之間且固定于電機(jī)軸7上，起調(diào)節(jié)磁場(chǎng)的作用，調(diào)磁環(huán)中導(dǎo)磁塊個(gè)數(shù)ns等于永磁體極對(duì)數(shù)加電樞繞組極對(duì)數(shù) np，定子磁場(chǎng)極對(duì)數(shù)與永磁體極對(duì)數(shù)之比即為該復(fù)合電機(jī)可實(shí)現(xiàn)的速度變比。通過(guò)適當(dāng)選 擇電機(jī)的外轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)和調(diào)磁環(huán)中導(dǎo)磁塊個(gè)數(shù)，可應(yīng)用于不同的需要低速直驅(qū)的場(chǎng)合。當(dāng)定子電樞繞組通以一定頻率的交流電時(shí)，電樞繞組電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)角速度 為ω”通過(guò)導(dǎo)磁塊的磁場(chǎng)調(diào)制作用，在靠近外轉(zhuǎn)子一側(cè)的氣隙中產(chǎn)生一個(gè)調(diào)制波磁場(chǎng)，其 旋轉(zhuǎn)角速度為-ω 2，該磁場(chǎng)與外轉(zhuǎn)子上的永磁體相互作用，帶動(dòng)外轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，通過(guò)改變通入 電樞繞組電流的頻率從而實(shí)現(xiàn)不同的角速度Q1，進(jìn)而得到不同的外轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度- 2，實(shí) 現(xiàn)調(diào)速驅(qū)動(dòng)。Q1 ω2為速度變比，等于外轉(zhuǎn)子永磁體數(shù)與內(nèi)定子電樞繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)極 對(duì)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(chǎng)調(diào)制式永磁電機(jī)相比，它能提供更大的有效磁場(chǎng)諧波成份 和輸出轉(zhuǎn)矩，降低外轉(zhuǎn)子磁軛的磁通密度及鐵芯損耗。另外，本發(fā)明(1)省去了機(jī)械變速齒輪箱，不存在齒輪箱的機(jī)械磨損、維護(hù)和噪音問(wèn)題，提高了 裝置可靠性。同時(shí)提高了電機(jī)轉(zhuǎn)速，減小電機(jī)的體積，重量和制造成本。(2)電機(jī)中有更多的磁力線通過(guò)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(chǎng)調(diào)制式永磁電機(jī)高，輸出轉(zhuǎn)矩增大。(3)外轉(zhuǎn)子磁軛磁通密度可以大量減少，這將減少外轉(zhuǎn)子磁軛鐵芯損耗，縮小外轉(zhuǎn) 子軛部大小，節(jié)省材料。(4)外轉(zhuǎn)子采用高磁能積釹鐵硼勵(lì)磁，沒(méi)有滑環(huán)和電刷，無(wú)需外加電源勵(lì)磁，具有 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(diǎn)。


圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)剖面示意圖。圖2為本發(fā)明電機(jī)三維示意圖。圖3為本發(fā)明外轉(zhuǎn)子局部永磁體充磁方向示意圖。
圖中，外轉(zhuǎn)子1、外轉(zhuǎn)子軛2、永磁體3、調(diào)磁環(huán)4、定子5、電樞繞組6、電機(jī)軸7、軸承 8、導(dǎo)磁塊9、定子槽10、調(diào)磁環(huán)的非導(dǎo)磁塊11。
具體實(shí)施例方式下面是本發(fā)明的具體實(shí)施，用來(lái)進(jìn)一步描述本發(fā)明是一種新型磁場(chǎng)調(diào)制式Halbach永磁直驅(qū)式電機(jī)裝置，它包括外轉(zhuǎn)子(1)、 外轉(zhuǎn)子軛(2)、永磁體(3)、調(diào)磁環(huán)(4)、定子(5)、電樞繞組(6)、電機(jī)軸(7)、軸承(8)；電機(jī) 的外轉(zhuǎn)子⑴通過(guò)軸承⑶與電機(jī)軸(7)轉(zhuǎn)動(dòng)連接，永磁體(3)沿圓周方向均勻嵌放在外 轉(zhuǎn)子軛( 上。定子( 采用傳統(tǒng)外轉(zhuǎn)子永磁無(wú)刷直流電機(jī)定子結(jié)構(gòu)，調(diào)磁環(huán)的導(dǎo)磁塊(9) 沿圓周方向均勻分布。電機(jī)軸(7)用來(lái)固定電機(jī)定子(5)和靜止的調(diào)磁環(huán)G)，同時(shí)與外 轉(zhuǎn)子(1)通過(guò)軸承(8)連接。調(diào)磁環(huán)(4)置于外轉(zhuǎn)子(1)和定子( 之間且固定于電機(jī)軸 (7)上，起調(diào)節(jié)磁場(chǎng)的作用，調(diào)磁環(huán)中導(dǎo)磁塊個(gè)數(shù)ns等于永磁體極對(duì)數(shù)r^加電樞繞組極對(duì) 數(shù)np，定子磁場(chǎng)極對(duì)數(shù)與永磁體極對(duì)數(shù)之比即為該復(fù)合電機(jī)可實(shí)現(xiàn)的速度變比。
本發(fā)明的基本原理為傳統(tǒng)磁齒輪調(diào)磁環(huán)的空間磁場(chǎng)調(diào)制原理，利用空間諧波傳遞 能量，既可以運(yùn)行在電動(dòng)狀態(tài)，也可以運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)。當(dāng)該裝置運(yùn)行在電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，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(zhuǎn)磁場(chǎng)角速度為Q1，經(jīng)過(guò)靜止調(diào)磁環(huán)的調(diào)制作用，在靠近外轉(zhuǎn)子一側(cè)的氣隙中 產(chǎn)生一個(gè)調(diào)制波磁場(chǎng)，其旋轉(zhuǎn)角速度為-ω 2，該磁場(chǎng)與外轉(zhuǎn)子處的永磁體相互作用，帶動(dòng)外 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，通過(guò)改變電樞電流的頻率從而實(shí)現(xiàn)不同的角速度Q1，進(jìn)而得到不同的外轉(zhuǎn)子旋 轉(zhuǎn)速度-ω2，實(shí)現(xiàn)調(diào)速驅(qū)動(dòng)。Co1 ω2為速度變比，等于外轉(zhuǎn)子永磁體數(shù)與內(nèi)定子磁場(chǎng) 極對(duì)數(shù)np之比。因此，該裝置可應(yīng)用在直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車輪轂電機(jī)中，滿足在低速時(shí)對(duì)較大 轉(zhuǎn)矩的要求，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)輪的電氣制動(dòng)、機(jī)電復(fù)合制動(dòng)和制動(dòng)能量回饋，節(jié)約能源。當(dāng)該裝置運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)時(shí)，永磁低速外轉(zhuǎn)子以角速度_ω2旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過(guò)靜止調(diào)磁 環(huán)導(dǎo)磁塊的調(diào)制作用，調(diào)制出匝鏈定子的磁場(chǎng)，其旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)角速度為ω工，該磁場(chǎng)與電機(jī)定 子電樞繞組產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，切割電樞繞組導(dǎo)線產(chǎn)生電能。Q1 2為速度變比，等于外轉(zhuǎn) 子永磁體數(shù)r^與內(nèi)定子的磁場(chǎng)極對(duì)數(shù)np之比。通常情況下，外轉(zhuǎn)子永磁體數(shù)r^是遠(yuǎn)大于 定子磁場(chǎng)極對(duì)數(shù) 的，所以這可實(shí)現(xiàn)電機(jī)在低速條件下發(fā)電運(yùn)行，故本裝置也可應(yīng)用在風(fēng) 力發(fā)電的場(chǎng)合。圖3是外轉(zhuǎn)子局部永磁體充磁方向示意圖，Halbach列中一個(gè)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(yùn)用軟件優(yōu)化調(diào)節(jié) 充磁方向。另外可以通過(guò)優(yōu)化Halbach列的寬度以便獲得最大的輸出轉(zhuǎn)矩。
權(quán)利要求
1.一種磁場(chǎng)調(diào)制式Halbach永磁直驅(qū)式電機(jī)，其特征在于它包括外轉(zhuǎn)子(1)、外轉(zhuǎn)子 軛(2)、永磁體(3)、調(diào)磁環(huán)(4)、與外轉(zhuǎn)子(1)同心的定子(5)、電樞繞組(6)、電機(jī)軸(7)； 外轉(zhuǎn)子⑴與電機(jī)軸(7)轉(zhuǎn)動(dòng)連接，電機(jī)軸(7)上固定電機(jī)定子(5)和調(diào)磁環(huán)⑷；調(diào)磁環(huán) (4)位于外轉(zhuǎn)子軛O)與定子( 之間；永磁體C3)沿圓周方向均勻嵌放在外轉(zhuǎn)子軛(2) 上；電樞繞組(6)設(shè)置在定子( 上的定子槽內(nèi)；調(diào)磁環(huán)的導(dǎo)磁塊(9)沿圓周方向均勻分 布；永磁體極對(duì)數(shù)r^與電樞繞組極對(duì)數(shù)np之和為調(diào)磁環(huán)中導(dǎo)磁塊個(gè)數(shù)ns。
2.如權(quán)利要求1所述的永磁直驅(qū)式電機(jī)，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(quán)利要求1所述的永磁直驅(qū)式電機(jī)，其特征在于調(diào)磁環(huán)⑷是由導(dǎo)磁塊與非導(dǎo) 磁材料間隔排列組成，其中導(dǎo)磁塊材料為鐵氧體，非導(dǎo)磁材料為鋁。
4.如權(quán)利要求1所述的永磁直驅(qū)式電機(jī)，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(quán)利要求1所述的永磁直驅(qū)式電機(jī)，其特征在于電機(jī)軸(7)和軸承⑶的材料 為鋁。
6.如權(quán)利要求1所述的永磁直驅(qū)式電機(jī)，其特征在于外轉(zhuǎn)子軛(2)材料為硅鋼片。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種新型磁場(chǎng)調(diào)制式Halbach永磁直驅(qū)式電機(jī)，它通過(guò)電機(jī)中調(diào)磁環(huán)的調(diào)磁作用，解決了傳統(tǒng)電機(jī)低速運(yùn)行體積大、系統(tǒng)復(fù)雜的問(wèn)題，同時(shí)外轉(zhuǎn)子采用了Halbach永磁陣列，它能提供更大的有效磁場(chǎng)諧波成份和輸出轉(zhuǎn)矩，減少外轉(zhuǎn)子磁軛的磁通密度，降低鐵心損耗。其電機(jī)軸固定電機(jī)定子和調(diào)磁環(huán)，外轉(zhuǎn)子與電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)連接，永磁體沿圓周方向均勻嵌放在外轉(zhuǎn)子軛上，調(diào)磁環(huán)的導(dǎo)磁塊沿圓周方向均勻分布，永磁體極對(duì)數(shù)nr與電樞繞組極對(duì)數(shù)np之和為調(diào)磁環(huán)中導(dǎo)磁塊個(gè)數(shù)ns，定子磁場(chǎng)極對(duì)數(shù)與永磁體極對(duì)數(shù)之比即為該裝置可實(shí)現(xiàn)的速度變比。通過(guò)適當(dāng)選擇電機(jī)的外轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)和調(diào)磁環(huán)中導(dǎo)磁塊個(gè)數(shù)，可應(yīng)用于不同需要的低速直驅(qū)場(chǎng)合。
文檔編號(hào)H02K1/27GK102055291SQ20111000224
公開日2011年5月11日 申請(qǐng)日期2011年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月7日
發(fā)明者樊英, 江和和, 金小香 申請(qǐng)人:東南大學(xué)