[发明专利]一种具有最优磁化角的两段式Halbach永磁电机

摘要

本发明公开了一种具有最优磁化角的两段式Halbach永磁电机，且N极第一段永磁的最优磁化角为磁化方向与顺时针圆周切向方向的夹角；N极第二段永磁的最优磁化角为磁化方向与逆时针圆周切向方向的夹角；S极第一段永磁的最优磁化角为磁化方向与逆时针圆周切向方向的夹角；S极第二段永磁的最优磁化角为磁化方向与顺时针圆周切向方向的夹角，转子与对应的定子配合构成具有最优磁化角的两段式Halbach永磁电机。本发明可以提高径向气隙磁密基波幅值，且减小气隙磁密的谐波分量，从而在相同的体积和成本下，可以提高输出转矩，因此可提高该类电机的转矩密度和功率密度，同样适用于无转子铁心电机和外转子电机。

主权项

1.一种具有最优磁化角的两段式Halbach永磁电机，包括有转子和与转子对应的定子，其特征在于：所述的转子是由具有最优磁化角的两段式Halbach阵列构成，所述的两段式Halbach阵列的每极是由两段相邻且对称的永磁构成，对称轴为两段永磁的几何中心，两段永磁所有的磁化角Δθ都为锐角，且N极第一段永磁的最优磁化角为磁化方向与顺时针圆周切向方向的夹角；N极第二段永磁的最优磁化角为磁化方向与逆时针圆周切向方向的夹角；S极第一段永磁的最优磁化角为磁化方向与逆时针圆周切向方向的夹角；S极第二段永磁的最优磁化角为磁化方向与顺时针圆周切向方向的夹角，转子与对应的定子配合构成具有最优磁化角的两段式Halbach永磁电机；所述的两段式Halbach阵列为单层的两段式Halbach阵列或双层的两段式Halbach阵列，所述的双层的两段式Halbach阵列是通过两层两段式Halbach阵列叠加而成的；所述的单层的两段式Halbach阵列的最优磁化角通过解析方法计算求得：首先通过解析方法得到永磁电机空载径向气隙磁密的函数表达式，然后通过空载径向气隙磁密的基波函数对磁化角进行求导计算，从而得到空载径向气隙磁密的基波幅值最大时的最优磁化角；具体计算过程如下：一个电周期内具有单层两段式Halbach陈列的磁化强度，写成分段函数如下：式中：δ＝π/(4p)，p为极对数，B_r为永磁体剩磁，Δθ为每段永磁的磁化角，θ为转子的位置角，对M_r和M_θ分别进行傅里叶分解，得到根据磁场的拉普拉斯方程、准泊松方程以及边界条件，得到无槽电机空载径向气隙磁密为：M_n＝M_rn+npM_θn式中：r为某点与圆心的距离，R_s为定子内半径，R_m1为永磁的外半径，R_m2为永磁的内半径，R_r为转子外半径，对于单层结构，R_m2＝R_r，μ₀为真空的磁导率，μ_r为永磁的相对磁导率；对于定子有槽结构，利用卡特系数，有槽电机空载径向气隙磁密基波为：B′_r1(r,θ)＝K_c(θ)·B_r1(r,θ)                               (7)式中：B_r1为径向气隙磁密基波，由式(6)取n＝1得到；K_c为卡特系数，已知定子为等厚齿尖结构，利用卡特系数，即用等效的气隙长度代替实际的气隙长度，即式中：Q_s为定子槽数，α₀为槽开口对应的角度，α_s为定子齿宽对应的角度，m为小于Q_s的非负整数；对式(8)进行傅里叶分解，可以得到：式中：再利用函数求极值的方法，于是得到单层两段式Halbach永磁电机径向气隙磁密基波幅值最大时的最优磁化角；所述的双层的两段式Halbach阵列，每层的最优磁化角是不同的，先计算上层的最优磁化角，把下层永磁区域看成空气，即在式(6)中，R_m1为上层永磁的外半径，R_m2为上层永磁的内半径，R_r为转子外半径，然后计算下层永磁的最优磁化角，把上层永磁区域看成空气，即在式(6)中R_m1为下层永磁的外半径，R_m2为下层永磁的内半径，R_r为转子外半径，取R_m2＝R_r，于是分别求得每层的最优磁化角，再利用叠加原理，从而得到双层Halbach永磁电机气隙磁密基波幅值的最大值。