[發明專利]一種基于Halbach陣列的混合勵磁高效電動機

無效

• 申請號: 201010218522.0
• 申請日: 2010-07-06
• 公開（公告）號: CN102315707A
• 公開（公告）日: 2012-01-11
• 發明（設計）人: 李貴祥
• 申請（專利權）人: 李貴祥
• 主分類號: H02K1/27
• 分類號: H02K1/27;H02K3/04
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種動力系統，特別是一種基于Halbach陣列的混合勵磁高效電動機。

技術背景

目前，現代永磁電機正向著高速、高效、高功率密度方向發展。但是當常規永磁電機處于高速或超高速運轉時，鐵芯損耗非常大，這就導致了電機的效率大大降低；另外常規永磁電機的脈動轉矩也相對較大；同時受氣隙磁場的影響，功率密度小，使得其在大功率密度的微型電機中的應用受到了限制。鑒于常規永磁電機的這些缺點，早在1979年，美國伯克利實驗室的物理學家K.Halbach針對永磁體的構造，他提出了一種新奇的設計方法，即利用永久磁鐵的分布來形成正弦磁場，以后他又不斷的完善這一理論，從而形成了一種高效的永磁電機-Halbach電機。

磁鐵都有兩個磁極，電機的基本原理都是通過交變電磁鐵的磁場，利用磁鐵與磁鐵之間相吸或相斥的力，將電能轉換成機械能的。研究表明，多數常規電機只是利用一個電磁鐵中的一個磁極與另一個電磁鐵或永磁鐵中的一個磁極相吸或相斥的力將電能轉換成機械能的。

本發明利用了一個電磁鐵中的兩個磁極與兩個永磁鐵的磁極相吸或相斥的力將電能轉換成機械能，同時采用Halbach陣列的永磁體，將可以大大提高電機的工作效率。

發明內容

本發明是這樣實現的：一種基于Halbach陣列的混合勵磁高效電動機，主要由Halbach陣列磁環(1)，鐵芯(2)、繞組(3)、轉子軛(4)、定子架(5)、轉軸(6)、機殼(7)、前端蓋(8)、后端蓋(9)、換向器(10)和電刷(11)組成，其特征是：兩個由徑向永磁體與切向和/或斜向永磁體組成的S極與N極相間排列的Halbach陣列磁環固定在轉子軛上，兩個磁環的磁極排列方向相同，磁極的方向為徑向或軸向；4個或4個以上平均分布成環狀的磁極方向為徑向或軸向的鐵芯繞組，設在兩個磁環之間，固定在定子架或機殼上；或者，兩個磁環固定在定子架或機殼上，設在兩個磁環之間的鐵芯繞組固定在轉子軛上；一個磁環的磁極數量為3對或3對以上，鐵芯繞組的磁極數量為2對或2對以上，而且磁環的磁極數量是鐵芯繞組的磁極數量的1.5倍；轉軸上設有換向器和電刷，轉子每旋轉一定的角度，鐵芯繞組相鄰的磁極就交替變換S極和N極的方向一次，或者，轉子每旋轉一定的角度，鐵芯繞組相鄰的磁極就交替產生磁力及交替變換S極和N極一次，鐵芯繞組的S極和N極都分別與兩個磁環產生吸力和斥力，實現將電磁能轉換成機械能。

由于鐵芯繞組通電產生電磁場時，鐵芯繞組的S極和N極分別對著一個磁環，兩個磁環同時對鐵芯繞組產生相吸和相斥的力，而且相吸、相斥的力都被轉化成電動機旋轉的動力，效率非常高。

轉子、定子和機殼用鐵磁性材料或部份用鐵磁性材料制成。由于Halbach陣列磁環的磁路從磁環內部通過，具有單極子的趨向，因此用于固定磁環的材料也可以采用非鐵磁性材料制成，如鋁合金等。

鐵芯繞組和磁環的磁極徑向排列，或者，鐵芯繞組和磁環的磁極軸向排列。

鐵芯繞組為蘢型鐵芯繞組或繞線型鐵芯繞組。蘢型鐵芯繞組是由嵌在鐵芯槽內的銅條或鋁條以及與其兩端短接的端環組成。繞線型鐵芯繞組采用聚酯漆包線繞制而成。當鐵芯繞組的磁極徑向排列時，鐵芯繞組一般不做成蘢型。鐵芯用硅鋼片疊制而成。

當磁環的磁極徑向排列時，兩個磁環做成一大一小的外磁環和內磁環，磁極也是徑向排列的鐵芯繞組環設在內磁環和外磁環之間。當磁環的磁極軸向排列時，兩個磁環的大小相同，磁極也是軸向排列的鐵芯繞組環設在兩個磁環之間，按磁環-鐵芯繞組環-磁環的次序軸向排列。

有三對徑向磁極的磁環相當于磁環有3個S極向外、3個N極向外和3個S極向內、3個N極向內。有兩對徑向磁極的鐵芯繞組環相當于有2個S極向外、2個N極向外和2個S極向內、2個N極向內。

一個磁環的磁極的數量是鐵芯繞組磁極數量的1.5倍。若鐵芯繞組環有2對磁極，即有4個S極和4個N極，按照1.5倍的比例，那么磁環就是一個有6個S極和6個N極的三對極磁環。磁環的磁極的數量與鐵芯繞組的磁極數量的比為6∶4，12∶8，18∶12等。這個比例很重要，由于磁環的S極和N極相間排列，磁環的磁極數為偶數，無論轉子旋轉了多少度，都可以保證至少有一半的鐵芯繞組的磁極不是正對著磁環的磁極的。當鐵芯繞組的一個磁極在磁環的兩個相反的磁極之間的中間位置時，同時受到吸力和斥力的作用，可以實現功效的最大化。

鐵芯繞組環內的磁極是平均分布的，當一個鐵芯繞組環內有4相時，它們在相位上相差90度角，有6相時，它們在相位上相差60度角。