CN1913284A - Halbach永磁容错无刷直流电机 - Google Patents
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Abstract
一种Halbach永磁容错无刷直流电机，属电机类的直流电机。本电机包括转子、定子，转子包括转子铁心(1)和外磁场halbach列(2)，halbach列的每极由径向磁化磁钢(5)和切向磁化磁钢(6)两块磁钢组成，它们分别为径向充磁和切向充磁，产生方波气隙磁密。定子由定子铁心(3)和集中绕组(4)组成，定子铁心的齿可以是各种齿形结构，且可以是有极靴或无极靴，定子可以直齿也可以斜齿，各相为集中绕组结构，相间套装在定子齿上。本电机的特点是通过磁钢的特殊规定产生满足要求的方波气隙磁密，且结合集中整距绕组间齿嵌线的方法，使本发明的无刷直流电机不仅具有功率密度高的特点而且具有各相磁隔离和各相热隔离容错能力。
Description
一、技术领域
本发明的Halbach永磁容错无刷直流电机属电机类的直流电机。
二、技术背景
1979年，美国著名学者Klaus Halbach针对永磁体的构造提出了一种新颖的设计——Halbach列。随后各国学者对Halbach列及其应用进行了大量研究：英国Sheffield大学的华裔学者Z.Q.Zhu系统的整理了Halbach电机的各种理论，建立了一套Halbach电机设计方法；美国的Ohio state大学利用有限元对Halbach电机进行了优化设计；Massachusetts剑桥科技学院分析了Halbach列与普通永磁体结构的异同点，指出了Halbach列在表面贴装式永磁电机中的优越性，详细阐述了Halbach电机力矩的产生；瑞典的苏黎世大学、韩国的Chungnam大学、日本的大阪省大学、南非的CAPE Town大学等都对Halbach电机做了深入的研究。综合上述研究，Halbach电机有以下优点：(1)功率密度大。相对于普通永磁体结构，由于Halbach列分解后的切向磁场与径向磁场的相互重叠使得气隙的磁感应强度大幅度提高，可有效的减小电机的体积，提高电机的功率密度。(2)定、转子不再需要斜槽。在Halbach电机中，由于气隙磁场正弦分布，谐波含量小，定、转子无需斜槽。(3)Halbach列自屏蔽效应，对于外磁场的Halbach电机，转子可采用非铁芯材料；对内磁场的Halbach电机，壳体不需导磁材料，甚至可不需要外壳，以减轻电机的体积重量。并使电机有较低的转动惯量。(4)可使用集中式绕组，在Halbach电机中由于其磁场正弦分布，谐波磁场较小，可采用集中式绕组提高导电材料利用率。
国内外研究的Halbach列有两种结构形式：采用烧结或压模浇铸成圆环在特制充磁装置充磁成正弦分布磁场Halbach列和用各向异性等宽的磁钢，按一定方向排列形成大致满足正弦分布磁场的Halbach列。这两者都是产生正弦磁场，使用在交流电机中。
随着航空航天事业的发展，对电机的高可靠性和容错性能提出了更高的要求。在不增加硬件成本和系统复杂程度的情况下实现电机本体的容错是最佳的方案，当电机一相或者多相出现故障时，仍然能够实现完全的输出或者只损失很小一部分性能，实现该容错功能的关键是每相的绕组具有足够大的自感来限制短路电流，同时相与相间的互感足够小，避免故障相对正常相的影响，即相间的磁隔离。
电机的硬件容错包括绕组各相磁隔离和各相热隔离。开关磁阻电机和电励磁双凸极电机各相磁隔离，但是同一槽中有两套或多套绕组，一套绕组发热很快影响到其他绕组，且相比永磁电机体积大，功率密度低，转矩脉动大，因此利用Halbach列的优点设计一个高可靠性的永磁电机，既具有体积小，功率密度高的特点，又具各相磁隔离和各相热隔离容错能力，成为本发明的初衷。
三、发明内容
本发明的目的是：克服现有技术的不足，提出了一种具有体积小，功率密度高具有各相磁隔离和各相热隔离的Halbach永磁容错无刷直流电机。
本发明的Halbach永磁容错无刷直流电机，由转子、定子、其他附件构成。转子包括转子铁心和外磁场Halbach列，转子铁心为导磁材料圆环，外面贴有外磁场halbach列，halbach列的每极由径向磁化磁钢和切向磁化磁钢两块磁钢组成，它们分别为径向充磁和切向充磁，产生方波气隙磁密。定子由定子铁心和集中绕组组成，定子铁心的齿可以是各种齿形结构，且可以是有极靴或无极靴，定子可以直齿也可以斜齿，各相为集中绕组结构，相间套装在定子齿上，同相绕组可以串联也可以并联输出。
本发明的Halbach永磁容错无刷直流电机，可以是五相或大于五相。定子齿数为相数的4mn倍，m为相数，n为整数，可以为1～15的自然数，每相有2n套绕组，定子共有2m套绕组，且相间套装在定子齿上，相临的两个齿只有一个齿上有绕组，同一槽中只有一套绕组。极对数可以是除m或m的整数倍外任意自然数。各相绕组可经过全桥整流输出，作无刷直流发电机用，也可以通入方波电流，作无刷直流电动机用。
所述Halbach列的径向磁化磁钢按N-S-N-S……的规律平均分布在转子铁心上，切向磁化磁钢充满余下的铁心空间，其N极指向径向磁化磁钢的N极，S极指向径向磁化磁钢的S极，共同拼成一个磁环。两块磁化磁钢的尺寸可不相等，形状可不同。Halbach列的极对数可以是除m或m的整数倍外任意自然数，m为相数。
本发明的Halbach永磁容错无刷直流电机，与现有技术相比，打破KlausHalbach对Halbach列分块磁钢形状一致和尺寸相等的约束，通过磁钢的特殊规定产生满足要求的方波气隙磁密，从而将Halbach列引用到无刷直流电机中；该特殊的Halbach列结合集中整距绕组间齿嵌线的方法，使本发明的无刷直流电机不仅具有永磁电机功率密度高的特点，而且具有各相磁隔离和各相热隔离容错能力。
四、附图说明
图1是五相八对极二十齿电机截面图；
图2是转子Halbach列磁钢磁化方式示意图，箭头方向代表磁钢的磁化方向；
图3是A相绕组磁通路径；
图4是作发电机用，定子绕组与功率电路的连接；
图5是五相正常工作相电势波形和输出直流电势波形；
图6是缺一相(例A相)工作相电势波形和输出直流电势波形；
上述图中标号名称：1.定子铁心，2.电枢绕组，3.Halbach列，4.转子铁心，5.径向磁化磁钢，6.切向磁化磁钢，A-A’代表A相绕组，B-B’代表B相绕组，C-C’代表C相绕组，D-D’代表D相绕组，E-E’代表E相绕组。
五、具体实施方式
由于相数大于五的电机结构同五相电机相似，下面以五相八对极二十齿电机为例来说明具体的实施方式。
本发明的Halbach永磁容错无刷直流电机，由转子、定子、其他附件构成，其电机截面图如图1所示。定子由定子铁心1和电枢绕组2构成，定子铁心1为硅钢片迭压而成，定子铁心的齿可以是各种齿形结构，且可以是有极靴或无极靴，且可以是直齿或斜齿形式。定子齿数为相数的4mn倍，m为相数，n为整数，可为1～15的自然数，每相有2n套电枢绕组2，定子共有2mn套电枢绕组2，且相间套装在定子齿上，相临的两个齿只有一个齿上有电枢绕组2，同一槽中只有一套电枢绕组2，有绕组的齿宽相等，为180度电角度(即绕组为整距)接近180度电角度，且可不等于非绕组齿的宽。相绕组可经过全桥整流输出，作无刷直流发电机用，如图4所示，也可以通入方波电流，作无刷直流电动机用。
本发明的Halbach永磁容错无刷直流电机，其转子由转子铁心3和Halbach列4构成，转子铁心3可以是硅钢片迭压而成，也可以是整块钢加工而成。Halbach列4用径向磁化磁钢5和切向磁化磁钢6排列形成一个磁环。与现有研究的Halbach列不同的是，每极只有两块磁钢组成——径向磁化磁钢5和切向磁化磁钢6，且径向磁化磁钢5和切向磁化磁钢6的形状不同、尺寸不等。径向磁化磁钢5为瓦片状，其机械极弧系数大于720/m，m为相数，径向磁化磁钢5按N-S-N-…的规律平均分布在转子铁心上，切向磁化磁钢6充满了余下的铁心空间，其N极指向径向磁化磁钢5的N极，S极指向径向磁化磁钢5的S极，共同拼成一个磁环，产生平顶的气隙磁密，只要气隙磁密由径向磁化磁钢5提供，微调切向磁化磁钢6的尺寸使气隙磁密顶宽大于720/m度电角度。Halbach列的极对数可以是除m或m的整数倍外任意自然数，m为相数。
本发明的Halbach永磁容错无刷直流电机，每套绕组的主要磁通路径为：该绕组所在的齿→气隙→径向磁化磁钢5→切向磁化磁钢6→气隙→相临无绕组齿→定子轭→该绕组所在的齿，只有极少磁通耦合到其他相绕组，如图3所示(图中给出A相磁通路径)，故各相绕组具有磁隔离能力，一相绕组发生故障对其他相绕组影响可以忽略不计。且同一个槽中只有一套绕组，绕组之间具有热隔离能力。因气隙磁密方波，且绕组为整距，每相电势为方波，方波的顶宽大于720/m度电角度，通过图4所示整流桥整流输出，每相都正常工作时，各相电势及整流输出电势如图5所示，发生一相故障时，系统切除该相绕组，其余各相电势及整流输出电势如图6所示，整流输出电势波形基本不变。
Claims (1)
1、一种Halbach永磁容错无刷直流电机，包括由定子铁心(1)和电枢绕组(2)构成的定子，由转子铁心(3)和Halbach列(4)构成的转子，其特征在于，所述定子的定子齿数为相数的4mn倍，m为相数，n为1～15的自然数，每相有2n套电枢绕组(2)，定子共有2mn套电枢绕组(2)，且相间套装在定子齿上，相临的两个齿只有一个齿上有电枢绕组(2)，同一槽中只有一套电枢绕组(2)，有电枢绕组齿的宽相等，为180度电角度或接近180度电角度，且可不等于非电枢绕组齿的宽；所述转子的Halbach列(4)的每一极由径向磁化磁钢(5)和切向磁化磁钢(6)所组成，径向磁化磁钢(5)为瓦片状，其机械极弧系数大于720/m，m为相数，并按N-S-N-S-……的规律平均分布在转子铁心上，切向磁化磁钢(6)充满余下的铁心空间，其N极指向径向磁化磁钢(5)的N极，S极指向径向磁化磁钢(5)的S极，共同拼成磁环；径向磁化磁钢(5)和切向磁化磁钢(6)的尺寸可不相等，形状可不同，Halbach列的极对数可以是除m或m的整数倍外任意自然数，m为相数。
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