基于多边形密铺Halbach外转子磁极构型的驱动器及电推进装置

基于多边形密铺halbach外转子磁极构型的驱动器及电推进装置
技术领域
1.本发明涉及高空电推进技术领域，特别是涉及一种基于多边形密铺halbach外转子磁极构型的驱动器及电推进装置。


背景技术：

2.在高空电推进飞机、电动汽车等电机应用领域，由于供电能源有限、平台体积质量有限，对动力来源电机的效率、体积和质量均提出苛刻要求，而传统电机难以适应高空电推进飞机的复杂工况需求。因此研制具有高功率密度的高空飞行器用电机，对于发掘电机的极限输出能力，解决在特殊场合下电机的应用受限问题，为我国高功率密度电机发展提供技术支撑等方面具有重要的现实意义。
3.永磁同步电机作为驱动器的一种，其功率密度高，调速性能好，广泛应用于各种工业领域。国内外研制开发高效、高功率密度永磁同步电动机已有20多年的历史，并逐渐代替异步电机应用在电动汽车、车床、飞轮储能等领域广泛应用。而随着永磁同步电机应用领域越来越广，各种应用场合不仅对电机单项性能的需求越来越高，还要求电机同时具有更好的综合性能。例如机器人高功率密度关节驱动、航空航天等应用场合不仅对电机功率密度提出了更高的要求，还要求电机同时具有低转矩脉动和高输出功率等优良特性。
4.永磁同步电机的发展与永磁材料的发展密切相关,随着永磁电机向高效、高速、高功率密度、微型化方向的发展,传统稀土永磁电机也表现出一定的局限性。如高速运转时,转子涡流损耗较大,效率不能保持较高水平；气隙磁密难以满足；转矩脉动相对较大等，从而产生振动噪声。
5.常规的永磁同步电机,比如：表贴结构，气隙磁场一般取1.0t左右，为实现高功率密度，很多采用高速和高电磁负荷设计，易造成电机温升过高，为电机稳定运行带来很大威胁。另外，由于高磁通意味着高磁密，在运行中极容易产生低阶数的振动。
6.针对高空电推进飞机工作环境的特点，在平流层空域，空气稀薄、白天太阳直射温度高，对电机的散热非常不利，电机的热问题更加突出。如若不能对电机的温升进行准确计算，则电机的可靠性难以保证，直接影响飞行器平台的可靠性和综合效能。电推进系统的体积和质量有限，常规的水冷、风冷等冷却装置由于质量重、体积大无法应用，故需要设计更加先进的散热系统。其次，电机直接驱动螺旋桨产生推力，电机一般为低转速电机，提升低转速电机的功率密度更加困难。高空低雷诺数条件下加大了提升推进效率的难度。


技术实现要素：

7.本发明的目的是：提供一种基于多边形密铺halbach(哈尔巴赫)外转子磁极构型的驱动器，能够确保电机中的气隙磁通密度足够大的同时，增大输出转矩，降低转矩脉动；还提供一种输出转矩大、转矩脉动小、推进效率高的电推进装置。
8.为了实现上述目的，本发明的第一个方面提供了一种基于多边形密铺halbach外
转子磁极构型的驱动器，包括机壳、定子和转子，所述定子和所述转子自内而外依次同轴套装在所述机壳内，所述转子能相对所述定子绕轴线转动，所述定子包括定子铁芯和线圈绕组，所述定子铁芯的外周均布有多个定子齿槽，所述线圈绕组绕设在所述定子齿槽内，所述转子包括转子磁极阵列，所述转子磁极阵列与所述机壳固定连接，所述转子磁极阵列的整体呈圆环状排布，所述转子磁极阵列与所述机壳固定连接，所述转子磁极阵列与所述定子铁芯之间留有气隙，所述转子磁极阵列包括外层类梯形永磁体、中间层矩形永磁体、内层类梯形永磁体、第一中间层三角形导磁体和第二中间层三角形导磁体；所述外层类梯形永磁体的下底与所述机壳的内表面相靠贴合，所述第一中间层三角形导磁体的下底与所述外层类梯形永磁体的上底相靠贴合，所述第一中间层三角形导磁体的顶角指向轴心，所述内层类梯形永磁体的上底朝向所述机壳的一侧，所述内层类梯形永磁体的下底形成所述转子的圆弧内面，所述第二中间层三角形导磁体的下底与所述外层类梯形永磁体的上底相靠贴合，所述第一中间层三角形导磁体的顶角背离轴心，所述外层类梯形永磁体和所述第一中间层三角形导磁体所形成的第一磁极单元与所述内层类梯形永磁体和所述第二中间层三角形导磁体所形成的第二磁极单元沿所述转子的圆周方向间隔交替布置，所述中间层矩形永磁体设置在相邻的所述第一磁极单元和所述第二磁极单元之间，且所述中间层矩形永磁体的第一侧面与所述第一磁极单元的侧面相靠贴合，所述中间层矩形永磁体的第二侧面与所述第一磁极单元的侧面相靠贴合；所述外层类梯形永磁体的充磁方向指向轴线或背向轴线，且相邻的两个所述外层类梯形永磁体的充磁方向相反；所述内层类梯形永磁体的充磁方向平行于所述内层类梯形永磁体的底边，且相邻的两个所述内层类梯形永磁体的充磁方向相反；所述中间层矩形永磁体的充磁方向垂直于所述中间层矩形永磁体与所述外层类梯形永磁体或所述内层类梯形永磁体相靠的侧面，且在同一闭合磁路上的相邻两个所述中间层矩形永磁体中，其中一个中间层矩形永磁体的充磁方向由充磁方向为背离轴心的内层类梯形永磁体指向外层类梯形永磁体，另一个中间层矩形永磁体的充磁方向由外层类梯形永磁体指向充磁方向为指向轴心的内层类梯形永磁体；相邻的两个所述定子齿槽内的线圈绕组的通电方向相反。
9.作为上述驱动器的优选方案，每一所述定子齿槽内至少设有两个所述线圈绕组，同一所述定子齿槽内的各组线圈绕组的通电方向相同。
10.作为上述驱动器的优选方案，所述第一中间层三角形导磁体和第二中间层三角形导磁体均为软磁材料。
11.作为上述驱动器的优选方案，所述定子齿槽为等槽宽的凹槽。
12.作为上述驱动器的优选方案，所述第一磁极单元和所述第二磁极单元均设有16个，所述定子齿槽设有18个。
13.实施本发明提供的一种基于多边形密铺halbach外转子磁极构型的驱动器，与现有技术相比，其有益效果在于：
14.(1)本发明的驱动器对转子磁场进行优化，通过外层类梯形永磁体、中间层矩形永磁体、内层类梯形永磁体、第一中间层三角形导磁体和第二中间层三角形导磁体构成的转子磁极阵列，并采用哈尔巴赫充磁方式，使得每个定子齿槽内线圈绕组受到的电磁力沿圆周切向形成闭环，从而外转子受到稳定的力矩，实现稳定转动；同时，利用哈尔巴赫充磁方式，能够形成磁屏蔽，提高磁钢利用率，确保电机中的气隙磁通密度足够大的同时，增大输
出转矩，降低转矩脉动，提高功率密度；此外，本驱动器能够完全去除背铁，达到转子轻量化目的，即能够在降低转子重量的情况下，改善了气隙磁密分布，提升了转矩特性，提升电机动态性能。
15.(2)与在先申请的发明专利(专利号：zl 202110253188.0)相比，本发明的驱动器将两种三角形磁钢分别减少为原来的1/2和1/4，转矩增加了1.16％，转矩脉动降低了13％，同时磁钢用量减少39％，大大降低了成本；此外，完全去除背铁后，能够保证转矩基本不变甚至略有增加的情况下的转矩脉动与有背铁相比降低32.7％。
16.另外，本发明的第二个方面提供了一种电推进装置，其包括支座、固定轴、后端盖、轴承、螺旋桨以及上面各项内容所述的基于多边形密铺halbach外转子磁极构型的驱动器，所述固定轴与所述支座固定连接，所述后端盖为所述机壳的后端盖并通过所述轴承连接在所述固定轴上，所述螺旋桨固定连接在所述机壳上，所述定子上设有与所述固定轴连接的轴孔。
17.作为上述电推进装置的优选方案，所述机壳的前端连接有前端盖，所述前端盖的轴心位置设有与所述机壳连通的导流孔，所述前端盖的端面设有多个呈旋涡状布置的长短扇叶，多个所述长短扇叶朝向所述导流孔汇聚。
18.作为上述电推进装置的优选方案，所述前端盖的中部盖设有导流罩。
19.作为上述电推进装置的优选方案，所述的电推进装置还包括变压器，所述变压器固定在所述固定轴上，且位于所述后端盖和所述支座之间。
20.作为上述电推进装置的优选方案，所述后端盖和所述支座之间形成有可供所述变压器放置的容置腔。
21.实施本发明提供的一种电推进装置，与现有技术相比，其有益效果在于：
22.(1)本发明的电推进装置对转子磁场进行优化，通过外层类梯形永磁体、中间层矩形永磁体、内层类梯形永磁体、第一中间层三角形导磁体和第二中间层三角形导磁体构成的转子磁极阵列，并采用哈尔巴赫充磁方式，使得每个定子齿槽内线圈绕组受到的电磁力沿圆周切向形成闭环，从而外转子受到稳定的力矩，实现稳定转动；同时，利用哈尔巴赫充磁方式，能够形成磁屏蔽，提高磁钢利用率，确保电机中的气隙磁通密度足够大的同时，增大输出转矩，降低转矩脉动，提高功率密度；此外，本驱动器能够完全去除背铁，达到转子轻量化目的，即能够在降低转子重量的情况下，改善了气隙磁密分布，提升了转矩特性，提升电机动态性能；
23.(2)与在先申请的发明专利(专利号：zl 202110253188.0)相比，本发明的驱动器将两种三角形磁钢分别减少为原来的1/2和1/4，转矩增加了1.16％，转矩脉动降低了13％，同时磁钢用量减少39％，大大降低了成本；此外，完全去除背铁后，能够保证转矩基本不变甚至略有增加的情况下的转矩脉动与有背铁相比降低32.7％。
24.(3)本发明的电推进装置采用电机螺旋桨一体式结构，桨叶直接集成在外转子机壳上，取消了传动装置，有效地提高推进效率；
25.(4)本发明的电推进装置对前端盖进行改进，设计了自扇冷端盖结构，采用多个呈旋涡状布置的长短扇叶，使空气朝向导流孔汇聚并进入机壳内部，增大了机壳内部的通风量，改善电机发热情况，有利于增大电机输出转矩。
附图说明
26.图1是本发明实施例的基于多边形密铺halbach外转子磁极构型的驱动器的结构示意图；
27.图2是本发明另一实施例的基于多边形密铺halbach外转子磁极构型的驱动器的结构示意图；
28.图3是现有技术中“多边形燕尾式拼接磁钢结构的外转子电机”(专利号：zl 202110253188.0)的结构示意图；
29.图4是三组仿真实验下对应的输出转矩的数据波形图；
30.图5是电推进装置未装配有驱动器及螺旋桨时的结构示意图；
31.图6是电推进装置装配有驱动器及螺旋桨时的结构示意图；
32.图7是前端盖和导流罩的结构示意图。
33.附图标记：
34.机壳1；定子2；转子3；支座4；固定轴5；后端盖6；轴承7；螺旋桨8；前端盖9；导流罩10；变压器11；容置腔12；定子铁芯21；线圈绕组22；定子齿槽23；外层类梯形永磁体31；中间层矩形永磁体32；内层类梯形永磁体33；第一中间层三角形导磁体34；第二中间层三角形导磁体35；长短扇叶91。
具体实施方式
35.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
36.在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
37.在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
38.本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
39.如图1所示，本发明的优选实施例，基于多边形密铺halbach外转子磁极构型的驱动器，即外转子电机，其包括机壳1、定子2和转子3，所述定子2和所述转子3自内而外依次同轴套装在所述机壳1内，所述转子3能相对所述定子2绕轴线转动，所述定子2包括定子铁芯21和线圈绕组22，所述定子铁芯21的外周均布有多个定子齿槽23，所述线圈绕组22绕设在所述定子齿槽23内，所述转子3包括转子磁极阵列，所述转子磁极阵列与所述机壳1固定连接，所述转子磁极阵列的整体呈圆环状排布，所述转子磁极阵列与所述机壳1固定连接，所述转子磁极阵列与所述定子铁芯21之间留有气隙。
40.针对高空电推进领域，由于平台空间和质量有限、有限电池能源供电，对驱动电机
maxwell 2d平台对不同层永磁体的组合进行有限元仿真，得到其输出转矩(见表一)，从中找到每层磁钢对电机性能的影响程度，以此为依据进行改进。
44.表一：不同层永磁体的组合得到的输出转矩
[0045][0046]
上述第一组仿真实验中，对永磁体不同层充磁之后，通过对有限元仿真得到的结果进行分析对比可以发现：外层三角形永磁体对于转矩的提升较小，并且外层三角形永磁体的磁钢用量较多，出现了磁饱和现象，使得转矩有所下降，所以需要减少外层三角形永磁体用量，即可以采用导磁体(如：软磁材料)替换外层三角形永磁体部分磁钢，在减少磁钢用量的同时增加到导磁效果。同理，通过仿真发现，还可以减少内层三角形永磁体磁钢用量，用导磁体(如：软磁材料)替换部分磁钢，在保证磁密的同时降低磁阻，使得输出转矩提升；同时，还能够达到更好的磁屏蔽效果。最关键的是磁钢用量大大减少，从而降低了成本。
[0047]
然后，同样的仿真实验条件下，根据本发明实施例的基于多边形密铺halbach外转子磁极构型的驱动器，设计第二组仿真实验和第三组仿真实验。其中，如图1所示，第二组仿真实验中的第一中间层三角形导磁体34的横截面为整个第一磁极单元的横截面的1/4，第二中间层三角形导磁体35的横截面为整个第二磁极单元的横截面的3/4；如图2所示，第三组仿真实验中的第一中间层三角形导磁体34的横截面为整个第一磁极单元的横截面的1/4，第二中间层三角形导磁体35的横截面为整个第二磁极单元的横截面的1/4。
[0048]
最后，通过仿真实验，分别获得三组仿真实验下对应的输出转矩、转矩脉动等数据(如图4所示)，并且可以计算出转矩增加百分比以及转矩脉动降低百分比，同时可以计算磁钢质量及其减少百分比。从下表二中的数据可以看出，第二组仿真实验和第三组仿真实验均比第一组仿真实验增大了输出转矩，降低了转矩脉动，减少磁钢用量。效果十分明显的是，第二组仿真实验的输出转矩比较第一组仿真实验增大了1.16％，转矩脉动降低了13％，磁钢用量减少了39.0％。
[0049]
表二
[0050][0051]
此外，通过仿真实验，可以获得上述三组仿真实验对应的最大漏磁，见下表三，可以看出三组仿真实验基本上都达到了磁屏蔽效果，其中第二组仿真实验的效果最好。
[0052]
表三
[0053]
项目最大漏磁(tesla)第一组0.322第二组0.225第三组0.285
[0054]
上述已经验证了第二组仿真实验具有最好的磁屏蔽效果，本实施例的驱动器可以完全去除背铁。从下表四的数据可以看出，完全去除背铁转矩基本不变，甚至还有所增加，但是转矩脉动与有背铁相比降低了32.7％，同时去除了0.798kg的背铁，效果改善明显。
[0055]
表四
[0056][0057]
示例性的，为进一步增大外转子力矩，每一所述定子齿槽23内至少设有两个所述线圈绕组22，同一所述定子齿槽23内的各组线圈绕组22的通电方向相同。
[0058]
示例性的，所述第一中间层三角形导磁体34和第二中间层三角形导磁体35均优选为软磁材料，易于磁化，磁导率高，能够在较小的外磁场下实现最大的磁化强度。
[0059]
示例性的，所述定子齿槽23为等槽宽的凹槽，从而能够在有限的空间下，增大了槽面积，同样的电流密度下，增大输入电流，可以增大输出转矩。
[0060]
示例性的，所述第一磁极单元和所述第二磁极单元均设有16个，所述定子齿槽23设有18个。
[0061]
另外，如图5和图6所示，根据上述的基于多边形密铺halbach外转子磁极构型的驱动器，本发明实施例还提供了一种电推进装置，其包括支座4、固定轴5、后端盖6、轴承7、螺旋桨8以及上面各项内容所述的基于多边形密铺halbach外转子磁极构型的驱动器，所述固定轴5与所述支座4固定连接，所述后端盖6为所述机壳1的后端盖并通过所述轴承7连接在所述固定轴5上，所述螺旋桨8固定连接在所述机壳1上，所述定子2上设有与所述固定轴5连接的轴孔。由于该电推进装置包括上面各项内容所述的基于多边形密铺halbach外转子磁极构型的驱动器，故具有上述基于多边形密铺halbach外转子磁极构型的驱动器所有的有
益效果，在此不再赘述。
[0062]
需要说明的是，该电推进装置采用电机螺旋桨一体式结构，螺旋桨8直接集成在外转子机壳1上，取消了传动装置，有效地提高推进效率。
[0063]
进一步地，如图6所示，所述机壳1的前端连接有前端盖9，所述前端盖9的轴心位置设有与所述机壳1连通的导流孔，所述前端盖9的端面设有多个呈旋涡状布置的长短扇叶91，多个所述长短扇叶91朝向所述导流孔汇聚。由此，本发明的电推进装置对前端盖9进行改进，设计了自扇冷端盖结构，采用多个呈旋涡状布置的长短扇叶91，使空气朝向导流孔汇聚并进入机壳1内部，增大了机壳1内部的通风量，改善电机发热情况，有利于增大电机输出转矩。
[0064]
更进一步地，如图6和图7所示，所述前端盖9的中部盖设有导流罩10。这样的设计，能够有效地减小电推进装置工作时的空气阻力，达到降低能耗的目的。
[0065]
示例性的，如图5所示，所述的电推进装置还包括变压器11。为使装置结构更加紧凑合理，所述变压器11固定在所述固定轴5上，且位于所述后端盖6和所述支座4之间。本实施例中，所述后端盖6和所述支座4之间形成有可供所述变压器11放置的容置腔12。
[0066]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0067]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不退出本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。