專(zhuān)利名稱(chēng)：基于Halbach陣列的交流盤(pán)式無(wú)鐵心永磁同步電動(dòng)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及電動(dòng)機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及基于Halbach陣列的交流盤(pán)式無(wú)鐵心永磁同步電動(dòng)機(jī)。
背景技術(shù)：
作為現(xiàn)代高性能伺服電動(dòng)機(jī)及大力矩直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，近年來(lái)盤(pán)式永磁同步電動(dòng)機(jī)在國(guó)內(nèi)外得到了迅速的發(fā)展。隨著數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、計(jì)算機(jī)等高科技產(chǎn)品的興起和一些特殊應(yīng)用系統(tǒng)的需求，對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)提出了更高的性能指標(biāo)和薄型安裝的要求，盤(pán)式永磁同步電動(dòng)機(jī)開(kāi)始逐步地取代傳統(tǒng)地伺服電機(jī)產(chǎn)品。大功率化、高功能化和微型化是目前永磁電機(jī)發(fā)展的方向，高力能密度和高效率是對(duì)各類(lèi)永磁電機(jī)設(shè)計(jì)提出的共同要求。從永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)考慮，提高電機(jī)本身的磁負(fù)荷也就是增加電機(jī)氣隙中的磁通密度，這樣不但可以減小電機(jī)的體積，還可以提高力能密度。另外，傳統(tǒng)電機(jī)中為了減小磁路的磁阻，選用高磁導(dǎo)率的硅鋼片疊壓制成鐵心，而鐵心的存在又導(dǎo)致了電機(jī)體積大、重量大、損耗大、振動(dòng)噪聲大等問(wèn)題。如果能利用釹鐵硼永磁高矯頑力的優(yōu)異特性而不用或少用硅鋼片，制成無(wú)鐵心電機(jī)，不但電機(jī)重量可以大幅度下降，還可以降低振動(dòng)噪聲，同時(shí)效率也可提高。同時(shí)，還可以通過(guò)選擇不同的磁鋼結(jié)構(gòu)和排列方式來(lái)增加氣隙磁通密度。稀土永磁具有高剩磁密度、高矯頑力和高磁能積的特點(diǎn)，可以容許所制成的電機(jī)具有較大的氣隙長(zhǎng)度和氣隙磁密，因而在永磁體安放和磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上有很大靈活性，可以根據(jù)使用場(chǎng)合，制成與傳統(tǒng)電機(jī)不同的結(jié)構(gòu)形狀。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)盤(pán)式永磁同步電動(dòng)機(jī)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本實(shí)用新型提供一種基于Halbach陣列的交流盤(pán)式無(wú)鐵心永磁同步電動(dòng)機(jī)。
本實(shí)用新型的基于Halbach陣列的交流盤(pán)式無(wú)鐵心永磁同步電動(dòng)機(jī)不同于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的盤(pán)式永磁同步電動(dòng)機(jī)。該電機(jī)為軸向磁場(chǎng)電機(jī)，外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，雙轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子部分采用Halbach型永磁體陣列，磁鋼直接粘在外轉(zhuǎn)子內(nèi)壁上，外轉(zhuǎn)子材料為鋁合金，電機(jī)運(yùn)行時(shí)磁鋼和外轉(zhuǎn)子可一起轉(zhuǎn)動(dòng)，避免了磁鋼和外轉(zhuǎn)子相互運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的渦流損耗。定子電樞采用無(wú)鐵心結(jié)構(gòu)，直接由繞組注塑而成。電樞采用無(wú)槽無(wú)鐵心結(jié)構(gòu)，可以減少由齒槽效應(yīng)引起的電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，不受飽和的影響，降低損耗、增加效率，并且減輕了質(zhì)量。同時(shí)，雙轉(zhuǎn)子構(gòu)成的雙氣隙可以克服單邊磁拉力，增加氣隙磁密。
該電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子對(duì)等排列，定子繞組具有良好的散熱條件，可獲得很高的功率密度。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，機(jī)電時(shí)間常數(shù)小，峰值轉(zhuǎn)矩和堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩高，轉(zhuǎn)矩/重量大、低速運(yùn)行平穩(wěn)，具有優(yōu)越的動(dòng)態(tài)性能。
從永磁電機(jī)設(shè)計(jì)的角度看，要提高電機(jī)本身的磁負(fù)荷也就是要增加電機(jī)氣隙中的磁通密度，這樣不但可以減小電機(jī)的體積，還可以提高力能密度。本實(shí)用新型采用一種特殊的磁鋼排列方式——Halbach型永磁體陣列，利用Halbach陣列使得一側(cè)磁場(chǎng)增強(qiáng)的特點(diǎn)來(lái)提高電機(jī)中的氣隙磁密。本實(shí)用新型的電動(dòng)機(jī)永磁材料采用具有高矯頑力和高剩磁密度的釹鐵硼永磁，兩側(cè)磁鋼盤(pán)采用Halbach型永磁體陣列結(jié)構(gòu)，將徑向與切向陣列結(jié)合在一起，合成的結(jié)果使一邊的磁場(chǎng)增強(qiáng)而另一邊的磁場(chǎng)減弱。該陣列一方面可以提高氣隙磁密，另外還可以很容易地得到正弦型分布地氣隙磁場(chǎng)，減小轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，減小軛部磁通。隨著構(gòu)成Halbach型永磁體陣列每極永磁體塊數(shù)的增加，氣隙磁場(chǎng)波形正弦化的趨勢(shì)越來(lái)越理想，這也正是同步電動(dòng)機(jī)所要求達(dá)到的。同時(shí)氣隙磁密的增加意味著電磁轉(zhuǎn)矩的增大、電機(jī)出力提高，在保持出力不變時(shí)則可以減小電樞電流、降低繞組損耗、提高電機(jī)效率，由于軛部磁通減小可以相應(yīng)少用或不用軛部，這可以減少電機(jī)的體積和重量。而且，采用Halbach型永磁體陣列結(jié)構(gòu)后有效部分的氣隙磁密明顯增強(qiáng)，背部的氣隙磁密也有了顯著的下降。在永磁體用量相同的情況下，采用Halbach型永磁體陣列結(jié)構(gòu)后有效部分的氣隙磁密可增加30％，背部氣隙磁密可減弱50％。可見(jiàn)采用Halbach型永磁體陣列后可以有效地提高氣隙磁密，從而使電機(jī)的無(wú)鐵心成為可能。
本實(shí)用新型的電機(jī)軸向尺寸短、重量輕、噪聲低、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊；轉(zhuǎn)子無(wú)磁滯、渦流損耗，電機(jī)運(yùn)行效率高；適合于薄型安裝場(chǎng)合，對(duì)于要求大力矩直接驅(qū)動(dòng)的場(chǎng)合特別適用；本實(shí)用新型的產(chǎn)品能夠充分發(fā)揮我國(guó)稀土資源豐富的優(yōu)勢(shì)，變稀土資源的出口為高性能交流永磁伺服電動(dòng)機(jī)及其系統(tǒng)的出口，用高性能的稀土永磁電機(jī)來(lái)提高所配技術(shù)裝備的性能，改造和提升傳統(tǒng)機(jī)械行業(yè)，提高我們?cè)趪?guó)際市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。


圖1為本實(shí)用新型基于Halbach陣列的交流盤(pán)式無(wú)鐵心永磁同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為轉(zhuǎn)子永磁體陣列示意圖。
圖3為2塊90°角度排列的Halbach型永磁體陣列示意圖。
圖4為3塊60°角度排列的Halbach型永磁體陣列示意圖。
圖5為4塊45°角度排列的Halbach型永磁體陣列示意圖。
圖6為軸向充磁永磁體和Halbach型永磁體陣列結(jié)構(gòu)的氣隙磁場(chǎng)磁力線(xiàn)分布比較圖。其中(a)為軸向充磁永磁體的氣隙磁場(chǎng)磁力線(xiàn)分布圖，(b)為Halbach型永磁陣列結(jié)構(gòu)永磁體的氣隙磁場(chǎng)磁力線(xiàn)分布圖。
圖7為不同結(jié)構(gòu)的Halbach型永磁體陣列氣隙磁場(chǎng)波形圖。其中(a)為每極兩塊永磁體陣列氣隙磁場(chǎng)波形圖，(b)為每極三塊永磁體陣列氣隙磁場(chǎng)波形圖，(c)為每極四塊永磁體陣列氣隙磁場(chǎng)波形圖。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，本實(shí)用新型的基于Halbach陣列的交流盤(pán)式無(wú)鐵心永磁同步電動(dòng)機(jī)包括外轉(zhuǎn)子1、定子電樞2、磁鋼盤(pán)3、支架4、轉(zhuǎn)軸5、定子引線(xiàn)6，該電動(dòng)機(jī)為雙外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，外轉(zhuǎn)子1與轉(zhuǎn)軸5通過(guò)軸承連接，磁鋼盤(pán)3粘在轉(zhuǎn)子1的內(nèi)壁，磁鋼盤(pán)3采用如圖2所示的Halbach型永磁體陣列結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生軸向磁場(chǎng)，定子電樞2采用無(wú)鐵心結(jié)構(gòu)，直接由繞組注塑而成，定子電樞2通過(guò)支架4固定在轉(zhuǎn)軸5上；雙外轉(zhuǎn)子1與定子電樞2構(gòu)成雙側(cè)氣隙。定子引線(xiàn)6由轉(zhuǎn)軸5的中心穿出。
本實(shí)用新型的電機(jī)可以采用一定角度的Halbach型永磁體陣列，即可以采用如圖3、圖4、圖5所示的分別為2塊90°角度排列、3塊60°角度排列、4塊45°角度排列的Halbach型永磁體陣列。圖6所示的是Halbach型永磁體陣列結(jié)構(gòu)的明顯優(yōu)勢(shì)(與軸向充磁永磁體比較)。每極永磁體塊數(shù)的增加，氣隙磁場(chǎng)波形正弦化變化如圖7所示，分別為每極兩塊永磁體、每極三塊永磁體、每極四塊永磁體的氣隙磁場(chǎng)波形。
權(quán)利要求1.基于Halbach陣列的交流盤(pán)式無(wú)鐵心永磁同步電動(dòng)機(jī)，包括外轉(zhuǎn)子、定子電樞、轉(zhuǎn)軸、磁鋼盤(pán)、支架，外轉(zhuǎn)子為雙外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，磁鋼盤(pán)粘在外轉(zhuǎn)子的內(nèi)壁，磁鋼盤(pán)采用Halbach型永磁體陣列結(jié)構(gòu)，外轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)軸通過(guò)軸承連接，定子電樞采用無(wú)鐵心結(jié)構(gòu)，直接由繞組注塑而成，通過(guò)支架固定在轉(zhuǎn)軸上，雙外轉(zhuǎn)子與定子電樞構(gòu)成雙側(cè)氣隙。
2.按照權(quán)利要求1所述的基于Halbach陣列的交流盤(pán)式無(wú)鐵心永磁同步電動(dòng)機(jī)，其特征在于磁鋼盤(pán)采用一定角度的Halbach型永磁體陣列，即采用2塊90°角度排列、3塊60°角度排列或4塊45°角度排列的Halbach型永磁體陣列。
3.按照權(quán)利要求1所述的基于Halbach陣列的交流盤(pán)式無(wú)鐵心永磁同步電動(dòng)機(jī)，其特征在于外轉(zhuǎn)子以鋁合金材料制造，永磁體采用釹鐵硼永磁材料。
4.按照權(quán)利要求1所述的基于Halbach陣列的交流盤(pán)式無(wú)鐵心永磁同步電動(dòng)機(jī)，其特征在于磁鋼盤(pán)產(chǎn)生軸向磁場(chǎng)。
專(zhuān)利摘要基于Halbach陣列的交流盤(pán)式無(wú)鐵心永磁同步電動(dòng)機(jī)，為雙外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，磁鋼盤(pán)粘在外轉(zhuǎn)子的內(nèi)壁，磁鋼盤(pán)采用Halbach型永磁體陣列結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生軸向磁場(chǎng)，定子電樞采用無(wú)鐵心結(jié)構(gòu)，直接由繞組注塑而成，雙轉(zhuǎn)子與定子電樞構(gòu)成雙側(cè)氣隙。Halbach型永磁體陣列可提高氣隙磁密，并很容易得到正弦型分布地氣隙磁場(chǎng)，減小轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，減小軛部磁通。氣隙磁密的增加使得電磁轉(zhuǎn)矩增大、電機(jī)出力提高，由于軛部磁通減小可以相應(yīng)少用或不用軛部，這可以減少電機(jī)的體積和重量。本實(shí)用新型的電機(jī)軸向尺寸短、重量輕、噪聲低、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊；轉(zhuǎn)子無(wú)磁滯、渦流損耗，電機(jī)運(yùn)行效率高；適合于薄型安裝場(chǎng)合，對(duì)于要求大力矩直接驅(qū)動(dòng)的場(chǎng)合特別適用。
文檔編號(hào)H02K21/12GK2850109SQ20052009339
公開(kāi)日2006年12月20日 申請(qǐng)日期2005年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月11日
發(fā)明者唐任遠(yuǎn), 王曉遠(yuǎn), 陳麗香, 韓雪巖 申請(qǐng)人:沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)