[发明专利]高效率、高功率密度Halbach阵列无刷直流电机

说明书

本发明涉及一种高效率、高功率密度Halbach阵列无刷直流电机，包括定子铁心、电枢绕组、转子护套、转子永磁体、磁轭、磁轭支架和转轴，转子永磁体为分块式Halbach阵列，Halbach阵列采用每极大于等于两块的结构；磁轭支架采用不导磁材料，对磁轭支架进行打洞处理。采用此种电机结构可提高无刷直流电机效率和功率密度，使用Halbach阵列调整气隙磁密并降低转子铁心磁密，转子磁轭使用尽可能少导磁材料，以保证电机输出功率，配合密度低、不导磁材料的转子磁轭支架，来达到降低转子损耗并降低重量，增大电机效率和功率密度。

技术领域

本发明属于无刷直流电机，涉及一种应用Halbach阵列的无刷直流电机，电机转子结构新颖并具有高效率和高功率密度。

背景技术

无刷直流电机因为控制简单，高功率密度，高效率等优良性能在航空航天航海、医疗器械、工业生产、交通运输、新能源等多领域中都得到广泛的应用。无刷直流电机采用永磁体励磁，每个磁极的充磁方向为平行充磁或径向充磁，电机气隙磁密波形接近方波。电机转子结构采用表贴式结构，转子磁轭降低磁阻，有利于增强电机气隙磁密。在电机的这种结构安排下，因为电机电枢磁场在永磁体和转子磁轭中旋转，在永磁体和转子磁轭中产生铁损，无刷直流电机因为电枢电流为方波性质，因此气隙场中的磁场谐波含量多，导致永磁体和转子磁轭中的铁损较大。

Halbach阵列是由美国物理学家Klaus Halbach提出的一种永磁体排列方式，每个磁极的充磁方向β_i按照限制为β_i＝(1-P)θ_i规律确定，其中θ_i为i块永磁体的位置角，P为电机极对数。在这种Halbach永磁体排列方式下，具有在Halbach阵列一侧增强电机气隙磁密，在另一侧具有磁屏蔽作用，Halbach阵列因为改善电机气隙磁密波形和磁屏蔽作用在永磁同步电机中得到了广泛的应用，增大了永磁同步电机的功率密度和和效率，降低了转矩波动。Halbach阵列的特性结合Halbach阵列在永磁同步电机中的成功应用，为将Halbach阵列应用于无刷直流电机中提供了基础。在无刷直流电机中应用Halbach阵列来提高电机效率和功率密度，为最大化的开发Halbach阵列的优势，提出电机转子结构的优化。

发明内容

要解决的技术问题

为进一步提高无刷直流电机的效率和功率密度，本发明将Halbach阵列用于无刷直流电机磁极并优化电机转子结构，提出了一种高效率、高功率密度Halbach阵列无刷直流电机。

技术方案

一种高效率、高功率密度Halbach阵列无刷直流电机，包括定子铁心、电枢绕组、转子护套、转子永磁体、磁轭、磁轭支架和转轴，其特征在于定子铁心与转子护套之间存在气隙，磁轭表面有转子永磁体，转子永磁体外面为转子护套，磁轭下为磁轭支架；所述的转子永磁体为分块式Halbach阵列，Halbach阵列采用每极大于等于两块的结构；所述的转子护套采用不导磁高强度材料；所述的磁轭支架采用不导磁材料，对磁轭支架进行打洞处理。

当Halbach阵列采用每极两块的结构，性能最优时主磁钢弧角α＝75°～76°。

当Halbach阵列采用每极三块的结构，性能最优时主磁钢弧角65°<α<80°，辅磁钢充磁角β＝32～33°。

有益效果

本发明在无刷直流电机中使用Halbach阵列，配合相应的转子磁轭结构和材料，电机的效率得到提高，电机整体重量得到降低，相应的增大电机功率密度。

附图说明

图1为本发明的高效率、高功率密度Halbach阵列无刷直流电机；

图2为图1中转子采用每极两块永磁体的Halbach阵列充磁示意图；