一种平行充磁的少稀土组合局部Halbach阵列高速永磁电机

摘要

本发明公开了一种平行充磁的少稀土组合局部Halbach阵列高速永磁电机，包括定子铁心、绕组、转子、表贴式永磁体、保护套，定子铁心槽内设置有三相绕组；转子表面设置有一对极平行充磁的表贴式永磁体，表贴式永磁体采用了高剩磁钕铁硼材料和低剩磁铁氧体材料的组合，通过将钕铁硼进行分段平行充磁，并且改变充磁角度使得部分钕铁硼和铁氧体组成局部Halbach阵列，维持电机原有性能；保护套采用钛合金材料，安装在表贴式永磁体外侧，用来增加转子的结构强度，防止转子在高速旋转时解体。本发明使用了低成本的铁氧体材料替代了部分价格昂贵的稀土永磁材料，降低了电机的成本，同时电机性能保持不变。

权利要求

1.一种平行充磁的少稀土组合局部Halbach阵列高速永磁电机，其特征在于，包括定子铁心（6）、转子（3），所述转子（3）外表面设置有表贴式永磁体，所述表贴式永磁体包括第一至第六钕铁硼永磁体（11‑16）、第一铁氧体永磁体（21）、第二铁氧体永磁体（22），第一铁氧体永磁体（21）、第二铁氧体永磁体（22）关于转子（3）的直轴对称设置，且转子（3）的交轴穿过第一铁氧体永磁体（21）和第二铁氧体永磁体（22）的中心，定子铁心（6）设置于转子（3）的外部，定子铁心（6）的槽内设置有绕组（5）；

第一钕铁硼永磁体（11）、第二钕铁硼永磁体（12）分别设置于第一铁氧体永磁体（21）的上、下两侧，且第一钕铁硼永磁体（11）、第一铁氧体永磁体（21）、第二钕铁硼永磁体（12）采用Halbach阵列形式设置，第五钕铁硼永磁体（15）、第四钕铁硼永磁体（14）分别设置于第二铁氧体永磁体（22）的上、下两侧，且第五钕铁硼永磁体（15）、第二铁氧体永磁体（22）、第四钕铁硼永磁体（14）采用Halbach阵列形式设置；第六钕铁硼永磁体（16）设置于第一钕铁硼永磁体（11）与第五钕铁硼永磁体（15）之间，第三钕铁硼永磁体（13）设置于第二钕铁硼永磁体（12）与第四钕铁硼永磁体（14）之间，且第三钕铁硼永磁体（13）、第六钕铁硼永磁体（16）关于转子（3）的交轴对称设置，且转子（3）的直轴穿过第三钕铁硼永磁体（13）、第六钕铁硼永磁体（16）的中心，相邻两个永磁体之间无间隙；

第一至第六钕铁硼永磁体（11‑16）、第一铁氧体永磁体（21）、第二铁氧体永磁体（22）均为平行充磁，第一钕铁硼永磁体（11）和第四钕铁硼永磁体（14）充磁方向相同，第二钕铁硼永磁体（12）和第五钕铁硼永磁体（15）充磁方向相同，第三钕铁硼永磁体（13）和第六钕铁硼永磁体（16）充磁方向相同，第一铁氧体永磁体（21）和第二铁氧体永磁体（22）充磁方向相同；

所述第一钕铁硼永磁体（11）、第二钕铁硼永磁体（12）、第五钕铁硼永磁体（15）、第四钕铁硼永磁体（14）所对应的圆周角均为40°，第三钕铁硼永磁体（13）、第六钕铁硼永磁体（16）所对应的圆周角均为45°，第一铁氧体永磁体（21）、第二铁氧体永磁体（22）所对应的圆周角均为55°，定义直角坐标轴的x轴正方向与转子的交轴方向相同，第一钕铁硼永磁体（11）、第四钕铁硼永磁体（14）与直角坐标轴的x轴正方向均呈135°充磁，第二钕铁硼永磁体（12）、第五钕铁硼永磁体（15）与直角坐标轴的x轴正方向均呈45°充磁，第三钕铁硼永磁体（13）、第六钕铁硼永磁体（16）与直角坐标轴的x轴正方向均呈90°充磁，第一铁氧体永磁体（21）、第二铁氧体永磁体（22）与直角坐标轴的x轴正方向均呈90°充磁。

2.根据权利要求1所述平行充磁的少稀土组合局部Halbach阵列高速永磁电机，其特征在于，所述高速永磁电机还包括保护套（4），保护套（4）设置于表贴式永磁体外表面，保护套（4）与定子铁心（6）之间存在间隙。

3.根据权利要求2所述平行充磁的少稀土组合局部Halbach阵列高速永磁电机，其特征在于，所述保护套（4）所采用的材料为钛合金材料。

4.根据权利要求1所述平行充磁的少稀土组合局部Halbach阵列高速永磁电机，其特征在于，所述高速永磁电机的极对数为一对极。

说明书

一种平行充磁的少稀土组合局部Halbach阵列高速永磁电机

技术领域

[0001] 本发明涉及一种高速永磁电机，具体涉及一种平行充磁的少稀土组合局部Halbach阵列高速永磁电机，属于高速电机技术领域。

背景技术

[0002] 高速电机的研究目前正成为电气工程领域的研究热点之一。与普通电机相比，高速电机的功率密度较大，其几何尺寸远小于输出功率相同的中低速电机；转动惯量较小，动
态响应快；可以直接驱动高速负载，省去了传统的机械变速装置，避免了变速装置引起的损
耗、机械振动与噪声，从而使设备体积减小，降低了维护成本，提高了传动系统的效率和精
度。高速电机的这些优点使之广泛应用于诸多领域，如高速机床、离心式压缩机、鼓风机、高
压水泵等。

[0003] 应用于高速传动领域的高速电机主要有直流电机、交流同步电机、开关磁阻电机和感应电机等。与其他类型电机相比，永磁同步电机具有效率高、运行可靠、功率因数高、控
制特性好等优点，因此永磁电机被广泛应用于高速传动领域。

[0004] 20世纪80年代美国劳伦斯伯克利国家实验室的Klaus Halbach教授最先提出了Halbach(海尔贝克)型永磁体阵列的概念，与通常的永磁电机设计不同，Halbach阵列通过
将不同充磁方向的磁钢进行组合，使得一侧磁场增强而另一侧磁场减弱。Halbach阵列有以
下优良特性：(1)Halbach型永磁体阵列可以得到在空间按理想正弦分布的磁场，可大大减
弱电机的齿槽效应力矩。(2)Halbach阵列具有磁自屏蔽特性，有助于提高电机气隙中的磁
密，从而提高电机的力能密度和缩小电机体积。(3)Halbach型永磁体阵列可以提高电机的
效率。与常规的永磁体径向励磁结构的电机相比，采用Halbach阵列电机的空载损耗降低。
(4)Halbach阵列，可以降低电机的电磁力矩脉动,降低对电机轴承的要求。但是使用
Halbach阵列需要更多的永磁材料。

[0005] 以钕铁硼永磁、钐钴永磁等为代表的稀土材料具有高磁能积、高矫顽力的优点，被认为是目前已知的综合性能最优的永磁材料，目前已在多种领域中得到应用。随着绿色环
保概念的提出以及新能源技术的发展需要，世界各国对稀土材料的需求量明显增大。稀土
材料存储量的不断减少和需求量的持续增加，会导致稀土永磁的供应链不稳定，价格继续
走高，对于稀土永磁电机而言，这一市场背景会直接增加电机的总制造成本，限制该类电机
大规模的应用。因此如何在减少稀土永磁材料用量的同时保证较好的电机电磁性能成为了
当下永磁无刷电机领域中的热点问题。

[0006] 为了缓解稀土资源紧缺的现状，减少稀土永磁的用量，许多学者将目光投向非稀土永磁电机。2010年，日本北海道大学的学者Masatsugu Takemoto提出了一种新型分割式
轴向间隙的铁氧体永磁电机，该结构电机充分利用磁阻转矩来实现提升电机的总输出转矩
的目的。法国学者提出了一种轮辐式铁氧体永磁电机，该结构中每部分的气隙磁通都是由
一对永磁体共同产生，因而能起到聚磁作用。然而与稀土永磁电机相比，铁氧体永磁电机不
仅体积较大，而且还不可避免地会存在转矩脉动和噪声等缺点。

[0007] 为了在保持电机性能的前提下降低电机制造成本，本发明提出了一种平行充磁的少稀土组合局部Halbach阵列高速永磁电机。

发明内容

[0008] 本发明所要解决的技术问题是：提供一种平行充磁的少稀土组合局部Halbach阵列高速永磁电机，在保持电机性能的前提下，减少稀土永磁材料用量，降低电机制造成本。

[0009] 本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

[0010] 一种平行充磁的少稀土组合局部Halbach阵列高速永磁电机，包括定子铁心、转子，所述转子外表面设置有表贴式永磁体，所述表贴式永磁体包括第一至第六钕铁硼永磁
体、第一铁氧体永磁体、第二铁氧体永磁体，第一铁氧体永磁体、第二铁氧体永磁体关于转
子的直轴对称设置，且转子的交轴穿过第一铁氧体永磁体和第二铁氧体永磁体的中心，定
子铁心设置于转子的外部，定子铁心的槽内设置有绕组；

[0011] 第一钕铁硼永磁体、第二钕铁硼永磁体分别设置于第一铁氧体永磁体的上、下两侧，且第一钕铁硼永磁体、第一铁氧体永磁体、第二钕铁硼永磁体采用Halbach阵列形式设
置，第五钕铁硼永磁体、第四钕铁硼永磁体分别设置于第二铁氧体永磁体的上、下两侧，且
第五钕铁硼永磁体、第二铁氧体永磁体、第四钕铁硼永磁体采用Halbach阵列形式设置；第
六钕铁硼永磁体设置于第一钕铁硼永磁体与第五钕铁硼永磁体之间，第三钕铁硼永磁体设
置于第二钕铁硼永磁体与第四钕铁硼永磁体之间，且第三钕铁硼永磁体、第六钕铁硼永磁
体关于转子的交轴对称设置，且转子的直轴穿过第三钕铁硼永磁体、第六钕铁硼永磁体的
中心，相邻两个永磁体之间无间隙；

[0012] 第一至第六钕铁硼永磁体、第一铁氧体永磁体、第二铁氧体永磁体均为平行充磁，第一钕铁硼永磁体和第四钕铁硼永磁体充磁方向相同，第二钕铁硼永磁体和第五钕铁硼永
磁体充磁方向相同，第三钕铁硼永磁体和第六钕铁硼永磁体充磁方向相同，第一铁氧体永
磁体和第二铁氧体永磁体充磁方向相同。

[0013] 作为本发明的一种优选方案，所述高速永磁电机还包括保护套，保护套设置于表贴式永磁体外表面，保护套与定子铁心之间存在间隙。

[0014] 作为本发明的一种优选方案，所述保护套所采用的材料为钛合金材料。

[0015] 作为本发明的一种优选方案，所述高速永磁电机的极对数为一对极。

[0016] 作为本发明的一种优选方案，所述第一钕铁硼永磁体、第二钕铁硼永磁体、第五钕铁硼永磁体、第四钕铁硼永磁体所对应的圆周角均为40°，第三钕铁硼永磁体、第六钕铁硼
永磁体所对应的圆周角均为45°，第一铁氧体永磁体、第二铁氧体永磁体所对应的圆周角均
为55°，第一钕铁硼永磁体、第四钕铁硼永磁体与坐标轴均呈135°充磁，第二钕铁硼永磁体、
第五钕铁硼永磁体与坐标轴均呈45°充磁，第三钕铁硼永磁体、第六钕铁硼永磁体与坐标轴
均呈90°充磁，第一铁氧体永磁体、第二铁氧体永磁体与坐标轴均呈90°充磁。

[0017] 本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

[0018] 1、本发明利用在直轴使用不同角度平行充磁的分段钕铁硼永磁体代替整块钕铁硼永磁体，在交轴使用铁氧体永磁体来代替钕铁硼永磁体并采用了Halbach阵列，在降低了
稀土永磁材料的用量的同时，使得改进后的电机气隙磁密不变，维持原有电机性能。

[0019] 2、本发明能够减少稀土永磁材料的体积，降低电机制造成本，为永磁电机在高速领域的应用提供了广阔的前景。

附图说明

[0020] 图1是本发明一种平行充磁的少稀土组合局部Halbach阵列高速永磁电机的结构示意图。

[0021] 图2是本发明电机钕铁硼永磁体和铁氧体永磁体所放置的位置、角度及充磁方向示意图。

[0022] 图3是本发明电机与传统平行充磁稀土永磁电机反电动势对比图。

[0023] 图4是本发明电机与传统平行充磁稀土永磁电机反电动势谐波分析对比图。

[0024] 图5是本发明电机与传统平行充磁稀土永磁电机径向气隙磁密对比图。

[0025] 图6是本发明电机与传统平行充磁稀土永磁电机径向气隙磁密谐波分析对比图。

具体实施方式

[0026] 下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参
考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

[0027] 如图1所示，本发明的一种平行充磁的少稀土组合局部Halbach阵列高速永磁电机，包括分段的第一至第六钕铁硼永磁体11、12、13、14、15、16，第一至第二铁氧体永磁体
21、22，转子3，保护套4，绕组5，定子铁心6。转子3表面设置有第一至第六钕铁硼永磁体和第
一至第二铁氧体永磁体，电机主要部分为钕铁硼永磁体，交轴部分使用铁氧体永磁体，以此
来减少稀土永磁材料的用量，并且第一、二钕铁硼永磁体11、12和第一铁氧体永磁体21采用
Halbach阵列，第四、五钕铁硼永磁体14、15和第二铁氧体永磁体22采用Halbach阵列，维持
气隙磁密不变；永磁体外侧设置有保护套4，保护套4为钛合金材料，可以增加转子的结构强
度，防止高速旋转时解体；保护套4外部设置有定子铁心6；定子铁心6槽内设置有三相绕组
5。电机极对数为一对极，此结构能达到较高的转速。

[0028] 如图2所示，第一、二、四、五钕铁硼永磁体11、12、14、15各占40°圆周角，第三、六钕铁硼永磁体13、16各占45°圆周角，第一、二铁氧体永磁体各占55°圆周角。第一至第六钕铁
硼永磁体11、12、13、14、15、16和第一至第二铁氧体永磁体21、22均为平行充磁。第一和第四
钕铁硼永磁体11和14充磁方向相同，与坐标轴呈135°充磁；第二和第五钕铁硼永磁体12和
15充磁方向相同，与坐标轴呈45°充磁；第三和第六钕铁硼永磁体13和16充磁方向相同，与
坐标轴呈90°充磁；第一和第二铁氧体永磁体21和22充磁方向相同，与坐标轴呈90°充磁。

[0029] 如图3所示，传统稀土永磁电机一对极平行充磁时，空载反电势近似于正弦波，而少稀土组合局部Halbach电机的空载反电动势近似于平顶波，两者的空载反电动势波形接
近，从图4可以看出两种结构的基波幅值基本相等。

[0030] 如图5所示，传统稀土永磁电机一对极平行充磁时，径向气隙磁密近似于正弦波，而少稀土组合局部Halbach电机的径向气隙磁密近似于平顶波，两者的径向气隙磁密波形
接近，从图6可以看出两种结构的基波幅值基本相等。

[0031] 为了体现少稀土组合局部Halbach电机在成本上的优势，表1给出了传统稀土永磁电机和少稀土组合局部Halbach电机永磁材料用量的占比，该少稀土组合局部Halbach电机
的钕铁硼永磁体的用量只有传统稀土永磁电机的69.44％左右。

[0032] 表1

[0033]  少稀土组合局部Halbach电机 传统稀土永磁电机
钕铁硼用量比例 69.44％ 100％
铁氧体用量比例 30.56％ 0

[0034] 本发明提供了一种平行充磁的少稀土组合局部Halbach阵列高速永磁电机，不仅能够提供与传统稀土永磁电机相同的电磁性能，而且还极大地减少了稀土永磁材料的用
量，为永磁电机在高速领域的应用提供了广阔的前景。

[0035] 以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围
之内。