CN203278585U - Halbach并列转子混合励磁同步电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及电机技术领域，公开了一种Halbach并列转子混合励磁同步电机，包括定子、转子，转子设置在定子内部，在定子的内侧分别设置第一电枢齿和第二电枢齿，在第一电枢齿上绕有第一电枢绕组，在第二电枢齿上绕有第二电枢绕组，在第一电枢齿上绕有励磁绕组。转子包括转轴，在转轴上设置Halbach永磁体和凸极结构转子，Halbach永磁体与凸极结构转子之间形成隔磁环，Halbach永磁体位于第二电枢齿一侧，凸极结构转子位于第一电枢齿一侧，转子与定子之间形成气隙。本实用新型扩大了磁场的调节范围，省去了电刷和滑环等装置，使电机具有结构简单、坚固耐用、适合宽转速范围运行和高效率高功率密度的优点。

Description

Halbach并列转子混合励磁同步电机

技术领域

本实用新型涉及电机技术领域，特别是一种Halbach并列转子混合励磁同步电机。

背景技术

Halbach并列转子混合励磁电机利用Halbach阵列的磁屏蔽效应，使得电机有较高的气隙磁密，同时它又结合了永磁电机和电励磁电机的优势，成为近年来研究的热点。

常见的Halbach并列转子混合励磁电机的有如下几种结构。

第一种是Halbach并列转子混合励磁同步电机，参见附图1，包含转子和用于收容该转子的定子，定子包括定子铁芯、设置于该定子铁芯上的电枢齿，和环绕于该电枢齿的分布式电枢绕组；转子包括转轴和由转轴支撑的Halbach永磁转子与电励磁转子，Halbach永磁转子包含环绕转轴设置的非导磁转子和粘贴在该非导磁转子表面上的Halbach永磁转子，电励磁转子包括环绕转轴设置的转子铁芯、设置于转子铁芯上励磁绕组，以及电刷和滑环， Halbach永磁转子和电励磁转子并列固定于转轴上。其中Halbach永磁体产生的励磁磁场为主要磁场，励磁绕组产生的磁场作为辅助磁场。虽然这种电机的磁场是可调节的。但是由于励磁绕组在转子上，所以电机存在电刷和滑环，使得电机可靠性降低；又因为电励磁段气隙磁密正弦性差，故电机定子绕组须采用分布绕组，使得绕线和嵌装困难。

第二种是Halbach列并列转子混合励磁无刷同步电机，参见附图2，包含转子和收容该转子的定子，所述定子包括定子铁心、设置于该定子铁心上的电枢齿、以及环绕于电枢齿的分布式电枢绕组，以及导磁凹槽套筒、环形励磁绕组，所述导磁凹槽套筒通过螺栓固定在电机端盖上，与转子轴无接触，所述环形励磁绕组固定于导磁凹槽套筒的凹槽处。所述转子由转轴和并列设置于该转轴上的Halbach转子和电励磁转子组成：所述Halbach转子包含由所述转轴支撑的非导磁转子和设置于该非导磁转子表面的Halbach阵列永磁体；所述电励磁转子包含与转轴连接的爪极结构；所述Halbach转子和所述电励磁转子通过气隙组成的隔磁环隔开。这种电机由于使用了导磁凹槽套筒（固定在电机端盖上），实现了无刷结构。但是也使得整个电机结构复杂，导磁凹槽套筒占用了很大的体积，增大了电机的无用体积和重量，降低了功率密度。而且，其定子绕组仍然是分布式绕组，工艺复杂。

第三种是电励磁磁通切换电机，参见附图3，近年来，电励磁磁通切换电机由于其结构简单、宽调速范围，也引起了学者的高度重视。这种电机由定子和转子两部分组成，二者均为凸极结构，定子上装有集中式电枢绕组和励磁绕组，转子上无绕组，定、转子铁心均由硅钢片叠压而成。励磁绕组中通过的是直流电，集中式电枢绕组中通过的是三相对称的交流电，绕组交变的电流方向决定了电机中的磁通方向。当电枢绕组电流的极性发生改变时，合成磁场为紧邻励磁绕组两个定子齿的轴线方向，产生顺时针或逆时针的脉振磁场，由此定子电枢绕组匝链的磁通极性发生改变，故称为磁通切换电机。磁通切换过程，依靠转子惯性并且在恰当的时机改变电枢电流的极性，转子就可以获得连续的转矩，转子旋转的速度取决于电枢电流变化的频率。可以看出，定子上装有电枢绕组和励磁绕组，电枢绕组为集中绕组，当励磁电流发生变化时，气隙中的磁通也会随之发生变化，可以有效达到调节磁场的目的。但是由于励磁绕组的存在，使得电机铜耗较大，功率密度和效率降低。

实用新型内容

本实用新型实用新型的目的是为了解决上述技术问题，提供一种Halbach并列转子混合励磁同步电机，以期通过将电励磁段转换为电励磁磁通切换电机，来改善电机的结构和气隙磁通密度。

本实用新型采取的技术方案是：

一种Halbach并列转子混合励磁同步电机，包括定子、转子，所述转子设置在所述定子内部，其特征是，在所述定子的内侧分别设置第一电枢齿和第二电枢齿，在所述第一电枢齿上绕有第一电枢绕组；在所述第二电枢齿上绕有第二电枢绕组，在所述第一电枢齿上绕有励磁绕组，所述转子包括转轴，在所述转轴上设置Halbach永磁体和凸极结构转子，所述Halbach永磁体与所述凸极结构转子之间形成隔磁环，所述Halbach永磁体位于所述第二电枢齿一侧，所述凸极结构转子位于所述第一电枢齿一侧，所述转子与所述定子之间形成气隙。

进一步，所述隔磁环由所述Halbach永磁体与所述凸极结构转子之间的气隙形成。

进一步，所述Halbach永磁体与所述转轴之间设有非导磁转子轭。

进一步，所述非导磁转子轭的材料为铝合金。

进一步，所述Halbach永磁体的极数与所述定子的极数相同。

进一步，所述转子的凸极齿的个数与所述定子的极数配合。

进一步，所述Halbach永磁体和所述定子的极数为6，所述转子的凸极齿的个数为7个。

进一步，在所述转子外面包覆不锈钢套。

本实用新型的有益效果是：

新型Halbach并列转子混合励磁同步电机采用Halbach列永磁体与电励磁两种磁势源并联结构，扩大了磁场的调节范围，省去了电刷和滑环等装置。励磁装置采用Halbach列与电励磁相结合，由于Halbach列磁体产生的磁场的单边性（即自屏蔽效应），使气隙磁通具有较好的正弦性且转子轭部磁通接近于零，从而使得：①本实用新型的Halbach列部分的转子轭部能够使用质轻的非导磁材料（如铝），减少了转子轭部的涡流损耗的同时也减少了电机的转动惯量，提高了电机的性能。②本实用新型的定子电枢绕组可以采用集中式，从而绕线和嵌装方便，工艺简单。另外，由于电励磁段转子为凸极齿结构，使得电励磁段为电励磁磁通切换电机，从而整个电机具有结构简单、坚固耐用、适合宽转速范围运行和高效率高功率密度的优点，能广泛用于电力工业、交通运输业等领域。

附图说明

附图1为现有技术中一种Halbach并列转子混合励磁同步电机的结构示意图；

附图2为现有技术中另一种Halbach列并列转子混合励磁无刷同步电机的结构示意图；

附图3为现有技术中一种电励磁磁通切换电机的结构示意图；

附图4为本实用新型的结构示意图；

附图5为附图4的A-A剖视图；

附图6为附图4的B-B剖视图。

附图中的标记分别为：

1．定子；                                     2．转子；

3．第一电枢齿；                         4．第二电枢齿；

5．第一电枢绕组；                     6．第二电枢绕组；

7．励磁绕组；                             8．转轴；

9．Halbach永磁体；                    10．凸极结构转子；

11．非导磁转子轭；                   12．气隙；

13．气隙。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型Halbach并列转子混合励磁同步电机的具体实施方式作详细说明。

参见附图4、5、6，Halbach并列转子混合励磁同步电机，包括环形的定子1，在定子1的内圆面内设置转子2，定子1的铁心由硅钢片叠压而成，定子1的铁心内侧为凸极齿槽结构，形成电枢齿槽。定子1的内部分别固定设置第一电枢齿3和第二电枢齿4，第一电枢齿3设置于定子1的内侧，在第一电枢齿3上绕有第一电枢绕组5；第二电枢齿4也设置于定子1的内侧，与第一电枢齿3并排，中间形成空隙，在第二电枢齿4上绕有第二电枢绕组6；在第一电枢齿3上还绕有励磁绕组7，第一电枢齿3与第二电枢齿4的位置可互换，即励磁绕组7可以绕制在第一电枢齿3上也可以绕制在第二电枢齿4上。转子2包括转轴8以及在转轴8上设置Halbach永磁体9和凸极结构转子10，Halbach永磁体9的极数与定子1的极数相同，而凸极结构转子10的凸极齿的个数与定子1的极数配合恰当也是电机高效运转的前提。Halbach永磁体9与凸极结构转子10并列设置，Halbach永磁体9与转轴8之间还可设有非导磁转子轭11，非导磁转子轭11的材料选用铝合金，不仅重量轻，而且阻磁性能良好。非导磁转子轭11为圆柱状，中心具有穿孔，用来供转轴8穿过。Halbach永磁体9的充磁方式为Halbach列的特有充磁方式。Halbach永磁体9与凸极结构转子10之间形成隔磁环，隔磁环由Halbach永磁体9与凸极结构转子10之间的气隙12形成，也可以通过在气隙12内填充阻磁材料。Halbach永磁体9位于没有绕制励磁绕组的第二电枢齿4的一侧，凸极结构转子10位于绕制励磁绕组的第一电枢齿3的一侧，如果第一电枢齿3和第二电枢齿4互换的话，Halbach永磁体9与凸极结构转子10也要互换，以保证凸极结构转子10位于绕有励磁绕组7的电枢齿的一侧。转子2与定子1之间形成气隙13。在转子2外面还可包覆不锈钢套。

下面详细介绍本实用新型的工作原理和工作过程，Halbach并列转子混合励磁同步电机有两个磁势源：一个是永磁磁势；另一个是直流励磁绕组中通电后的电励磁磁势。改变励磁绕组中电流的大小和方向，气隙合成磁场就会发生变化，包括以下三种情况：

1）若定子励磁绕组中直流励磁电流为零，则气隙磁场只由永磁体产生，是不变的。

2）若定子励磁绕组中直流励磁电流大于零，则励磁电流产生的磁场方向与同一极端Halbach列永磁体产生的磁场方向相同，使得同步电机中的气隙合成磁场增大，起到增磁作用。

3）反之，若定子励磁绕组中直流励磁电流小于零，则励磁电流产生的磁场方向与同一极端Halbach列永磁体产生的磁场方向相反，使得同步电机中的气隙合成磁场减小，起到弱磁作用。因此调节励磁电流的大小和方向即可方便地调节气隙合成磁场，从而达到调磁的目的。

当励磁绕组中通有直流励磁电流参与气隙磁场的调节时，气隙磁场由Halbach列永磁体、励磁绕组中的励磁电流共同产生，此时气隙磁场中的磁通走向可大体概括如下：

（1）电励磁部分磁通：所述励磁绕组中的励磁电流产生的径向磁通经电枢齿、定转子间的工作气隙到达转子凸极，该径向磁通由转子凸极转换为轴向磁通，之后该轴向磁通再经另一磁极下的转子齿、气隙、电枢齿、定子轭部到定子励磁绕组，形成一个磁通回路。

（2）Halbach永磁体部分：Halbach列N极永磁体产生径向磁通，流经气隙、电枢齿、定子轭部，再经另一磁极下的定子齿、气隙，回到Halbach列S极永磁体，形成一个磁通回路。当励磁绕组中没有直流励磁电流而不参与气隙磁场的调节时，气隙磁场中的磁通走向仅包含Halbach永磁部分。

另外，负载时，该新型Halbach并列转子混合励磁同步电机的三相对称电枢绕组中将流过一组对称的三相电流，从而电枢绕组就会产生电枢磁动势及相应的电枢磁场，使得气隙内的合成磁场由电枢磁动势和主极磁动势（Halbach永磁体产生）的共同作用所产生。负载时电枢磁动势对主极磁场的影响就称为电枢反应，其性质（增磁、去磁或交磁）取决于电枢磁动势与主磁场在空间的相对位置。

由于本实用新型励磁磁场的主要部分由Halbach列永磁体产生，励磁绕组仅仅作为辅助的调节装置，电机正常工作时励磁绕组中的励磁电流为零，励磁绕组不消耗功率，仅当负载变化时，才适当的加入励磁电流来调节气隙磁场，因此本实用新型是一种节能型同步电机。

本实用新型的电励磁部分通过把励磁绕组安装在定子凸极结构齿上，转子上无绕组，实现了无刷结构，使所述Halbach并列转子混合励磁同步电机的故障率降低，且由于Halbach永磁体的气隙磁通的正弦性较好，使电机的噪声也较小。 

本实用新型Halbach列永磁体的极对数与定子凸极齿槽的极对数相同。励磁绕组构成的磁势源和Halbach永磁体构成的磁势源产生的磁场在空间上没有太大关联。

本实用新型所提供的Halbach列并列转子混合励磁同步电机，当励磁绕组中通有直流励磁电流时，气隙中的主磁通由两部分组成：

（1）电励磁部分磁通：所述励磁绕组中的励磁电流产生的径向磁通经电枢齿、定转子间的工作气隙到达转子凸极，该径向磁通由转子凸极转换为轴向磁通，之后该轴向磁通再经另一磁极下的转子齿、气隙、电枢齿、定子轭部到励磁绕组，形成一个磁通回路。

（2）Halbach列永磁部分：Halbach列N极永磁体产生径向磁通，流经气隙、电枢齿、定子轭部，再经另一磁极下的定子齿、气隙，回到Halbach列S极永磁体，形成一个磁通回路。当励磁绕组中无励磁电流时，气隙中的主磁通仅包含该部分。

当励磁绕组中励磁电流产生的磁场方向和Halbach永磁体的磁场方向相同时，电机中气隙磁场增大；反之电机中的气隙磁场减小。因此通过调节励磁电流的大小和方向就可方便的调节气隙磁场。

本实用新型的技术方案中，转子由Halbach永磁体和凸极结构转子并列形成。永磁部分由于Halbach永磁体产生单边的气隙磁场，使电机的气隙磁通的正弦性较好，并且Halbach永磁体转子形成的磁极数与定子极数相同，均设置为6极。而磁通切换部分转子段为7个凸极齿，即7极结构，从而该部分为6/7极电励磁磁通切换电机。因此该Halbach并列转子混合励磁同步电机的定子电枢绕组可以采用集中式绕组，从而绕线和嵌装方便。而且，通过将Halbach列转子和电励磁段凸极结构转子并列放置以及励磁绕组安放在定子凸极齿上，使得转子上无绕组，省去了电刷和滑环，从而电机结构简单，提高了可靠性。

由于Halbach列转子和电励磁段凸极结构转子并列放置，励磁磁场的主要部分由Halbach列永磁体产生，励磁绕组仅仅作为辅助的调节装置，电机正常工作时励磁绕组中的励磁电流为零，励磁绕组不消耗功率，仅当负载变化时，才适当的加入励磁电流来调节气隙磁场，因此本实用新型是一种节能型同步电机；另外Halbach列转子和电励磁段凸极结构转子中间用气隙组成的隔磁环隔开，使Halbach列永磁体不会产生去磁的风险，而且两部分的气隙磁场在气隙中是可以相互叠加的，因此功率密度也不会降低。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种Halbach并列转子混合励磁同步电机，包括定子、转子，所述转子设置在所述定子内部，其特征在于：在所述定子的内侧分别设置第一电枢齿和第二电枢齿，在所述第一电枢齿上绕有第一电枢绕组；在所述第二电枢齿上绕有第二电枢绕组，在所述第一电枢齿上绕有励磁绕组，所述转子包括转轴，在所述转轴上设置Halbach永磁体和凸极结构转子，所述Halbach永磁体与所述凸极结构转子之间形成隔磁环，所述Halbach永磁体位于所述第二电枢齿一侧，所述凸极结构转子位于所述第一电枢齿一侧，所述转子与所述定子之间形成气隙。

2.根据权利要求1所述的Halbach并列转子混合励磁同步电机，其特征在于：所述隔磁环由所述Halbach永磁体与所述凸极结构转子之间的气隙形成。

3.根据权利要求1所述的Halbach并列转子混合励磁同步电机，其特征在于：所述Halbach永磁体与所述转轴之间设有非导磁转子轭。

4.根据权利要求3所述的Halbach并列转子混合励磁同步电机，其特征在于：所述非导磁转子轭的材料为铝合金。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的Halbach并列转子混合励磁同步电机，其特征在于：所述Halbach永磁体的极数与所述定子的极数相同。

6.根据权利要求5所述的Halbach并列转子混合励磁同步电机，其特征在于：所述转子的凸极齿的个数与所述定子的极数配合。

7.根据权利要求6所述的Halbach并列转子混合励磁同步电机，其特征在于：所述Halbach永磁体和所述定子的极数为6，所述转子的凸极齿的个数为7个。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的Halbach并列转子混合励磁同步电机，其特征在于：在所述转子外面包覆不锈钢套。

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