一种Halbach磁极阵列结构、内转子及永磁同步电机

一种halbach磁极阵列结构、内转子及永磁同步电机
技术领域
1.本发明涉及电机技术领域，特别是涉及一种halbach磁极阵列结构、内转子及永磁同步电机。


背景技术：

2.传统用于内转子永磁同步电机的哈尔巴赫(halbach)磁极阵列通常由四个方向充磁的永磁体交替结合组成(如图1所示)，相比径向充磁磁极阵列，具有磁屏蔽效果好，磁极利用率高，气隙磁密谐波含量小的优点，在此基础上，现有技术对传统halbach磁极阵列进行了多方改进，常见的现有技术改进方向有以下几种：
3.第一种，通过改变不同充磁方向磁极的长宽比提高基波磁密的极弧系数优化技术通常具有很大的局限性，在功能上不能在提高电磁转矩输出的同时降低转矩脉动；在通用性上不同尺寸电机的最佳极弧系数差异较大，对电机加工设计方面具有较大困难；
4.第二种，通过改变不同充磁方向磁极的形状优化气隙磁密谐波的异形优化方法可以抑制转矩脉动，但与此同时会大幅降低电磁转矩的输出，在大功率高精度的精细加工领域上这种方法的应用有较大局限；
5.第三种，通过切割气隙侧永磁阵列表面来优化气隙侧磁场分布的磁极切割技术改善气隙磁密的分布特性，但是气隙侧的相对磁阻明显加大，会导致磁极利用率下降，电磁转矩输出性能变差等缺点。在加工方面，电机磁极材质较脆，异形表面的磁极需要特殊的模具制备，制作成本较高，不利于大范围生产。


技术实现要素：

6.本发明的第一个目的是提供一种的halbach磁极阵列结构，具有更好的磁屏蔽效果，降低了背铁质量，并且在不增加永磁体体积的情况下，既提高了电磁输出转矩性能，又降低了电磁转矩的脉动。
7.本发明的第二个目的是提供一种应用该halbach磁极阵列结构的内转子。
8.本发明的第三个目的是提供一种应用该halbach磁极阵列结构的永磁同步电机。
9.为了实现上述第一个目的，本发明采用了以下方案：
10.一种halbach磁极阵列结构，其由多个磁路闭合的磁极构型单元呈圆环状拼接构成，相邻的两个所述磁极构型单元的磁路走势方向相反，所述磁极构型单元包括两个横截面为类等腰三角形的第一磁极、两个横截面为类直角梯形的第二磁极和一个横截面为类矩形的第三磁极，所述第一磁极的顶角指向圆心，所述第一磁极的腰边侧面与所述第二磁极的倾斜侧面拼合，所述第三磁极的直角侧面与所述第二磁极的直角侧面拼合；
11.同一个所述磁极构型单元中，当所述第三磁极的充磁方向为顺时针切线方向充磁时，位于所述第三磁极逆时针方向一侧的所述第一磁极的磁极方向为指向圆心充磁，位于所述第三磁极逆时针方向一侧的所述第二磁极的磁极方向相对所述第三磁极的充磁方向顺时针偏转 45度，位于所述第三磁极顺时针方向一侧的所述第一磁极的磁极方向为背向
圆心充磁，位于所述第三磁极顺时针方向一侧的所述第二磁极的磁极方向相对所述第三磁极的充磁方向逆时针偏转45度；
12.同一个所述磁极构型单元中，当所述第三磁极的充磁方向为逆时针切线方向充磁时，位于所述第三磁极逆时针方向一侧的所述第一磁极的磁极方向为背向圆心充磁，位于所述第三磁极逆时针方向一侧的所述第二磁极的磁极方向相对所述第三磁极的充磁方向顺时针偏转 45度，位于所述第三磁极顺时针方向一侧的所述第一磁极的磁极方向为指向圆心充磁，位于所述第三磁极顺时针方向一侧的所述第二磁极的磁极方向相对所述第三磁极的充磁方向逆时针偏转45度；
13.相邻的两个所述磁极构型单元中，前一个磁极构型单元顺时针方向一侧的第一磁极构型单元与后一个磁极构型单元逆时针方向一侧的第一磁极为同一个磁极。
14.作为本发明优选的方案，所述第一磁极共设有16个，所述第二磁极共设有32个，所述第三磁极共设有16个。
15.为了实现上述第二个目的，本发明采用了以下方案：
16.一种内转子，其包括转子铁芯和上面各项内容所述的halbach磁极阵列结构，所述的halbach磁极阵列结构环设固定在所述转子铁芯的外周。
17.为了实现上述第三个目的，本发明采用了以下方案：
18.一种永磁同步电机，其包括机壳、转轴以及设于所述机壳内且自内而外依次同轴套装在所述转轴上的内转子和外定子，所述内转子相对所述外定子转动，所述外定子包括定子线圈和定子背铁，所述定子背铁与所述机壳固定连接，所述定子背铁的圆周方向上均布有多个定子齿槽，所述定子线圈绕设在所述定子齿槽内，所述内转子包括转子铁芯和上面各项内容所述的halbach磁极阵列结构，所述的halbach 磁极阵列结构环设固定在所述转子铁芯的外周。
19.实施本发明提供的halbach磁极阵列结构、内转子及永磁同步电机，与现有技术相比，其有益效果在于：
20.(1)本发明实施例通过对不同形状磁极以及不同充磁方向磁极进行排列组合，更好地发挥了halbach阵列一侧漏磁很小的优势，对比现有技术具有更好的磁屏蔽效果，降低了背铁质量，甚至可以做到避免背铁的使用，减小了内转子永磁同步电机运行过程中的能量消耗；并且，在不增加永磁体体积的情况下，显著提高了电磁输出转矩性能，提高了推力密度，可用于高精尖电机驱动领域；
21.(2)本发明实施例通过不同充磁方向的磁极相互作用，定向抑制了气隙磁密中对电磁转矩输出影响最大的谐波分量，能够在提高电磁转矩输出的同时降低电磁转矩脉动，大幅度提高电磁转矩的输出性能，有效地解决了电磁转矩输出以及电磁转矩脉动之间的矛盾；
22.(3)本发明实施例采用新型的halbach磁极阵列结构能够增强气隙区域里磁场的强度，相较于现有的矩形halbach阵列，产生的磁通密度的径向分量更大，能够提供更大的输出力；
23.(4)本发明实施例的生产过程简便，在旋转电机领域，相较于现有的矩形切向磁极阵列，由于增加了不同充磁方向的磁极，因此相邻磁极充磁方向夹角小，排斥力低，在安装过程中可以有效抑制相邻磁极的冲突关系，减小了安装过程的难度。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。
25.图1是现有磁极阵列(矩形磁极阵列)的结构示意图；
26.图2是本发明实施例的halbach磁极阵列结构的结构示意图；
27.图3是本发明实施例的halbach磁极阵列结构中的第一磁极和现有磁极阵列中的矩形磁极分别与背铁接触时的接触面积对比图；
28.图4是本发明实施例的halbach磁极阵列结构与现有磁极阵列的磁力线走势方向的示意图；
29.图5是本发明实施例的halbach磁极阵列结构的气隙侧的磁极层对气隙磁密分布更趋近于正弦的示意图；
30.图6是现有磁极阵列的气隙磁场磁力线分布图；
31.图7是本发明实施例的halbach磁极阵列结构的气隙磁场磁力线分布图；
32.图8是本发明实施例的halbach磁极阵列结构和现有磁极阵列的漏磁磁场强度波形对比图；
33.图9是本发明实施例的halbach磁极阵列结构和现有磁极阵列的气隙磁密波形对比图；
34.图10是本发明实施例的halbach磁极阵列结构与现有磁极阵列谐波分布图；
35.图11是本发明实施例的halbach磁极阵列结构与现有磁极阵列的输出转矩波形对比图。
36.图12是应用本发明实施例的halbach磁极阵列结构的内转子的结构示意图；
37.图13是应用本发明实施例的halbach磁极阵列结构的永磁同步电机的结构示意图。
38.图中标记：
39.第一磁极1；第二磁极2；第三磁极3。
40.halbach磁极阵列结构10；转子铁芯20；机壳30；转轴40；定子线圈50；定子背铁60。
具体实施方式
41.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。
42.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”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。
43.如图2所示，本发明实施例提供的halbach磁极阵列结构，其由多个磁路闭合的磁极构型单元呈圆环状拼接构成，相邻的两个所述磁极构型单元的磁路走势方向相反，所述磁极构型单元包括两个横截面为类等腰三角形的第一磁极1、两个横截面为类直角梯形的第二磁极 2和一个横截面为类矩形的第三磁极3，所述第一磁极1的顶角指向圆心，所述第一磁极1的腰边侧面与所述第二磁极2的倾斜侧面拼合，所述第三磁极3的直角侧面与所述
第二磁极2的直角侧面拼合；同一个所述磁极构型单元中，当所述第三磁极3的充磁方向为顺时针切线方向充磁时，位于所述第三磁极3逆时针方向一侧的所述第一磁极1 的磁极方向为指向圆心充磁，位于所述第三磁极3逆时针方向一侧的所述第二磁极2的磁极方向相对所述第三磁极3的充磁方向顺时针偏转45度，位于所述第三磁极3顺时针方向一侧的所述第一磁极1的磁极方向为背向圆心充磁，位于所述第三磁极3顺时针方向一侧的所述第二磁极2的磁极方向相对所述第三磁极3的充磁方向逆时针偏转 45度；同一个所述磁极构型单元中，当所述第三磁极3的充磁方向为逆时针切线方向充磁时，位于所述第三磁极3逆时针方向一侧的所述第一磁极1的磁极方向为背向圆心充磁，位于所述第三磁极3逆时针方向一侧的所述第二磁极2的磁极方向相对所述第三磁极3的充磁方向顺时针偏转45度，位于所述第三磁极3顺时针方向一侧的所述第一磁极1的磁极方向为指向圆心充磁，位于所述第三磁极3顺时针方向一侧的所述第二磁极2的磁极方向相对所述第三磁极3的充磁方向逆时针偏转45度；相邻的两个所述磁极构型单元中，前一个磁极构型单元顺时针方向一侧的第一磁极1构型单元与后一个磁极构型单元逆时针方向一侧的第一磁极1为同一个磁极。本实施例中，所述第一磁极1共设有16个，所述第二磁极2共设有32个，所述第三磁极3共设有16个。
44.需要说明的是，上文提及的类等腰梯形、类直角梯形和类矩形分别为常规的等腰梯形、直角梯形和矩形经圆环状排布以及在转子与定子之间气隙要求下，各个不同形状的磁极对应的外侧面和内侧面均形成圆弧状。
45.由此，根据本发明实施例提供的halbach磁极阵列结构(下文简称为“新型磁极阵列”)，其技术关键在于：
46.(1)本发明实施例的新型磁极阵列中采用横截面为类等腰三角形且径向充磁(即指向圆心或背向圆心，如图2所示)的第一磁极1 来取代现有磁极阵列中的矩形磁极(如图1所示)，在同等背铁的条件下，由于第一磁极1的顶角指向磁极阵列的圆心，其与背铁的接触面积远小于矩形磁极(如图3所示)，更小的接触面积能够有效降低磁极在背铁处的漏磁现象，提高了磁场能量的利用率，降低背铁处的能量损耗，提高了电磁转矩的输出性能，一定程度上抑制了背铁处的涡流发热现象，提高电机整体输出效率。
47.(2)本发明实施例的新型磁极阵列采用了横截面为等腰三角形且径向充磁的第一磁极1、横截面为类直角梯形且斜向充磁的第二磁极2以及横截面为类矩形且切向充磁的第三磁极3组合，相较于现有磁极阵列，提高了磁极的聚磁能力，将现有磁极阵列中分散的磁力线更好地集中起来(如图4所示)，显著地提高了气隙磁密的基波幅值，进而提高了内转子式永磁同步电机的电磁转矩输出能力。
48.(3)经过对内转子式永磁同步电机的磁极结构进行研究，发现气隙侧的磁极层对气隙磁密分布的作用远高于底层磁极，针对永磁同步电机气隙磁密正弦性的考虑，本发明实施例的新型磁极阵列采用了不同长度不同充磁方向的分段结构，不同磁极的表层长度更趋近于正弦的气隙磁密分布(如图5所示)，具有更好的气隙磁密正弦性，显著抑制了电磁转矩的输出脉动，提高了电磁转矩的输出质量。
49.使用电磁学有限元仿真软件ansys electronics desktop，在相同电机尺寸条件下，对现有磁极阵列和本发明实施例提出的新型磁极阵列做了对比，得到的气隙磁场磁力线分布图如图6和图7所示。其中，图6为现有磁极阵列的磁力线分布图，图7为本发明实施例的新型磁极阵列的磁力线分布图。halbach阵列具有增强一侧磁场，削弱另一侧磁场的功
能，2种halbach阵列均能增强上方的磁场。从图7可以看出，本发明实施例的新型磁极阵列的磁屏蔽效果更好，气隙侧的磁场强度更大，其原因在于特殊的形状与充磁方向配合，使磁力线方向在阵列内发生改变，不仅提高了气隙侧的磁场强度，而且显著改善了气隙磁密的分布情况，对影响电磁转矩较大的五次谐波有较好的抑制作用，明显降低了电磁转矩的脉动，提高了电机运行平稳性。
50.为了验证本发明实施例提出的新型磁极阵列的自屏蔽特性，将其与现有磁极阵列进行对比。因为磁极阵列是周期性的，取一个周期内的漏磁进行验证。其中，新型磁极阵列和无背铁的现有磁极阵列的厚度及极距均相同，对具有磁屏蔽侧的空气区域磁通密度进行对比，求解路径为漏磁侧。从图8中可以看出，新型磁极阵列的屏蔽侧漏磁大约0.436t，远小于现有磁极阵列的0.671t，漏磁抑制效果达到52.8％，因此采用本发明实施例提出的新型磁极阵列能够有效降低背铁厚度，提高电磁输出效率。
51.表一：漏磁程度性能对比
52.构型漏磁磁场强度峰峰值漏磁磁场强度均方根值现有磁极阵列0.67070.1660新型磁极阵列0.43600.0937
53.为了验证本发明实施例提出的新型磁极阵列对磁场强度的增强作用，借助ansys electronics desktop电磁有限元仿真软件对现有磁极阵列以及本发明实施例提出的新型磁极阵列进行径向磁场强度对比，如图9所示。径向气隙磁密的幅值表现为电磁转矩的输出大小，径向气隙磁密的谐波分布表现为电磁转矩的脉动大小，从图9可以看出，本发明实施例提出的新型磁极阵列的幅值较大，正弦性更好，有效提升了内转子式永磁同步电机的输出性能。
54.表二：磁场强度性能对比
[0055][0056]
通过对两种磁极阵列产生的气隙磁密进行分析，以及对比新型磁极阵列与现有磁极阵列谐波分布，从上表二和图10可以看出，本发明实施例提出的新型磁极阵列相较于现有磁极阵列在气隙磁密强度上提升了4.3％，基波幅值提升了0.6％，五次谐波幅值抑制了89.5％，整体谐波畸变率降低了60.17％，大幅改善了气隙磁密的分布状态，显著提升了内转子式永磁同步电机的电磁转矩输出性能。
[0057]
表三：电磁转矩输出性能对比
[0058]
构型平均转矩(nm)转矩脉动(nm)现有磁极阵列1.88120.0341新型磁极阵列2.00650.0131对比效果提升6％降低67％
[0059]
图11为现有磁极阵列与新型磁极阵列的气隙磁密波形对比图。从图11和表三可以看出，本发明实施例提出的新型磁极阵列产生的电磁转矩均值2.0065nm，对比现有磁极阵列的1.8812nm提升了6％，新型磁极阵列的转矩脉动为0.0131nm，对比现有磁极阵列的0.0341nm降低了67％。可见，本发明实施例提出的新型磁极阵列具有显著的优势。
[0060]
综上所述，实施本发明实施例提供的halbach磁极阵列结构，与现有技术相比，其有益效果在于：
[0061]
(1)本发明实施例通过对不同形状磁极以及不同充磁方向磁极进行排列组合，更好地发挥了halbach阵列一侧漏磁很小的优势，对比现有技术具有更好的磁屏蔽效果，降低了背铁质量，甚至可以做到避免背铁的使用，减小了内转子永磁同步电机运行过程中的能量消耗；并且，在不增加永磁体体积的情况下，显著提高了电磁输出转矩性能，提高了推力密度，可用于高精尖电机驱动领域；
[0062]
(2)本发明实施例通过不同充磁方向的磁极相互作用，定向抑制了气隙磁密中对电磁转矩输出影响最大的谐波分量，能够在提高电磁转矩输出的同时降低电磁转矩脉动，大幅度提高电磁转矩的输出性能，有效地解决了电磁转矩输出以及电磁转矩脉动之间的矛盾；
[0063]
(3)本发明实施例采用新型的halbach磁极阵列结构能够增强气隙区域里磁场的强度，相较于现有的矩形halbach阵列，产生的磁通密度的径向分量更大，能够提供更大的输出力；
[0064]
(4)本发明实施例的生产过程简便，在旋转电机领域，相较于现有的矩形切向磁极阵列，由于增加了不同充磁方向的磁极，因此相邻磁极充磁方向夹角小，排斥力低，在安装过程中可以有效抑制相邻磁极的冲突关系，减小了安装过程的难度。
[0065]
如图12所示，基于本发明实施例提出的halbach磁极阵列结构，本发明还提供了一种内转子，其包括转子铁芯20和上面各项内容所述的halbach磁极阵列结构10，所述的halbach磁极阵列结构10环设固定在所述转子铁芯20的外周。由于该内转子包含上述的halbach 磁极阵列结构10，故该内转子具有上述halbach磁极阵列结构10所有的有益效果，在此不再赘述。
[0066]
如图12和图13所示，基于本发明实施例提出的halbach磁极阵列结构，本发明还提供了一种永磁同步电机，其包括机壳30、转轴 40以及设于所述机壳30内且自内而外依次同轴套装在所述转轴40 上的内转子和外定子，所述内转子相对所述外定子转动，所述外定子包括定子线圈50和定子背铁60，所述定子背铁60与所述机壳30固定连接，所述定子背铁60的圆周方向上均布有多个定子齿槽，所述定子线圈50绕设在所述定子齿槽内，所述内转子包括转子铁芯20和上面各项内容所述的halbach磁极阵列结构10，所述的halbach磁极阵列结构10环设固定在所述转子铁芯20的外周。由于该永磁同步电机包含上述的halbach磁极阵列结构10，故该永磁同步电机具有上述 halbach磁极阵列结构10所有的有益效果，在此不再赘述。
[0067]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中
的具体含义。
[0068]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。