复合结构永磁电机的Halbach阵列外转子

摘要

复合结构永磁电机的Halbach阵列外转子，它涉及复合结构永磁同步电机外转子，它解决了复合结构电机磁耦合问题和可灵活选择电机极数问题。它的转子铁心为圆筒形铁心，外层和内层Halbach永磁体阵列中的每一个永磁体均为瓦片形永磁体，外层和内层Halbach阵列永磁体的瓦片形永磁体分别沿圆周方向均匀排列在转子铁心的外部和内部，外层Halbach阵列永磁体的瓦片形永磁体的磁场减弱一侧的内表面和内层Halbach阵列永磁体的瓦片形永磁体的磁场减弱一侧的外表面分别与转子铁心的外表面和内表面固定连接。无论极数是否相同，都会使得转子铁心内磁通极少，便可实现独立控制，整个混合动力系统更协调的运行，复合在一起的每个电机也可根据实际需要的功率等级与基速来灵活选择自身磁极数。

说明书

技术领域

本发明涉及永磁同步电机转子，具体涉及的是一种复合结构永磁电机的Halbach阵列外转子。

背景技术

传统内燃机汽车的燃油消耗和尾气排放污染是举世关注的热点问题。为了克服现有车辆中内燃机系统单一驱动车辆造成的效率低、排放严重等问题，各种电机、电池和功率变换器被引入到车辆驱动系统中，与传统内燃机协调工作，实现汽车节能、减排。

专利号为PCT/NL03/00155、公开号为WO03075437、公开日2003年09月12日的国际专利和专利号为200510130739.5、公开号为CN1945939、公开日2007年04月11日的中国专利涉及的电机都是应用于混合动力汽车的具有复合结构电机的特征，即由一个定子和两个转子构成，两个转子作为一个双转子电机工作，与定子相邻的外转子与定子作为另一个普通电机工作，整个结构相当于两个电机高度复合在一起。

公开号为WO03075437国际专利中涉及的复合在一起的两个电机都为异步电机，共用的外转子为双鼠笼型结构，两个电机工作时，引起外转子的饱和，致使两个电机磁耦合极大，很难独立控制。公开号为CN1945939的中国专利涉及的复合在一起的两电机共用的外转子为永磁结构，该专利涉及外转子上有一层永磁体同时为两电机提供主磁通，这使得两电机控制时无法解耦，不能实现独立控制，影响整个混合动力系统的灵活运行。还有一些现有技术中在外转子上有两层永磁体分别为两个电机提供主磁通，两层永磁体数目相同且正对，这对于两个电机功率等级或者基速相差很多的情况来说，是一个不利的结构：若两侧都选择少极数，会导致速度低的电机体积增大，功率密度降低；若两侧都选择多极数，会导致速度高的电机铁损增大，效率降低。而且，如果根据两电机的功率等级或者基速选择两层永磁体极数不同，按照专利涉及的永磁体充磁方式，也会导致两个电机磁耦合严重，影响整个系统的控制和运行。

发明内容

本发明为了解决复合结构电机磁耦合问题和电机极数选择不灵活问题，而提供了复合结构永磁电机的Halbach阵列外转子。

本发明的复合结构永磁电机的Halbach阵列外转子由转子铁心1、外层Halbach永磁体阵列2和内层Halbach永磁体阵列3组成；转子铁心1为圆筒形铁心，外层Halbach永磁体阵列2和内层Halbach永磁体阵列3中的每一个永磁体均为瓦片形永磁体，外层Halbach阵列永磁体2的瓦片形永磁体沿圆周方向均匀排列在转子铁心1的外部，外层Halbach阵列永磁体2的瓦片形永磁体的磁场减弱一侧的内表面与转子铁心1的外表面固定连接，内层Halbach阵列永磁体3的瓦片形永磁体沿圆周方向均匀排列在转子铁心1的内部，内层Halbach阵列永磁体3的瓦片形永磁体的磁场减弱一侧的外表面与转子铁心1的内表面固定连接。

本发明转子内外两侧都采用Halbach永磁体阵列，两层永磁体无论极数是否相同，都会使得转子铁心内磁通极少，转子铁心很不饱和，不会引起两个电机的磁路上的耦合，两个电机便可实现独立控制，整个混合动力系统更协调的运行，复合在一起的每个电机也可根据实际需要的功率等级与基速来灵活选择自身磁极数。另外Halbach永磁体阵列的采用可使转子铁心采用非导磁材料，从而可大大减小转子铁心铁耗，提高电机效率。

附图说明

图1是本发明转子结构剖视图；图2是外层Halbach永磁体阵列2和内层Halbach永磁体阵列3都是每极二块的90°充磁的Halbach永磁体阵列充磁方向示意图；图3是外层Halbach永磁体阵列2和内层Halbach永磁体阵列3都是每极三块的60°充磁的Halbach永磁体阵列充磁方向示意图；图4是外层Halbach永磁体阵列2和内层Halbach永磁体阵列3都是每极四块的45°充磁的Halbach永磁体阵列充磁方向示意图；图5是外层Halbach永磁体阵列2是每极二块的90°充磁的Halbach永磁体阵列、内层Halbach永磁体阵列3是每极三块的60°充磁的Halbach永磁体阵列充磁方向示意图；图6是外层Halbach永磁体阵列2是每极二块的90°充磁的Halbach永磁体阵列、内层Halbach永磁体阵列3是四块的45°充磁的Halbach永磁体阵列充磁方向示意图；图7是外层Halbach永磁体阵列2是每极三块的60°充磁的Halbach永磁体阵列、内层Halbach永磁体阵列3是四块的45°充磁的Halbach永磁体阵列充磁方向示意图；图8是两组Halbach永磁体阵列均是每极二块的90°充磁的Halbach永磁体阵列的磁场分布示意图，图9是两组Halbach永磁体阵列均是每极三块的60°充磁的Halbach永磁体阵列的磁场分布示意图，图10是两组Halbach永磁体阵列均是每极四块的45°充磁的Halbach永磁体阵列的磁场分布示意图；图11和图12是一组采用6极，另一组采用4极的磁场分布示意图，图11是现有技术中平行充磁的转子磁场分布示意图；图12是本发明的转子磁场分布示意图；图13和图14是转子铁心为导磁性材料和非导磁性材料时，电机气隙磁密沿圆周的分布情况的对比图，图13是转子采用Halbach阵列结构时的气隙磁密沿圆周的分布情况示意图，其中直线表示的是转子铁心1为导磁材料，虚线表示的是转子铁心1为非导磁材料，图14是转子的永磁体采用径向平行充磁结构时气隙磁密沿圆周的分布情况示意图，其中直线表示的是转子铁心1为导磁材料，虚线表示的是转子铁心1为非导磁材料。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式由转子铁心1、外层Halbach永磁体阵列2和内层Halbach永磁体阵列3组成；转子铁心1为圆筒形铁心，外层Halbach永磁体阵列2和内层Halbach永磁体阵列3中的每一个永磁体均为瓦片形永磁体，外层Halbach阵列永磁体2的瓦片形永磁体沿圆周方向均匀排列在转子铁心1的外部，外层Halbach阵列永磁体2的瓦片形永磁体的磁场减弱一侧的内表面与转子铁心1的外表面固定连接，外层Halbach阵列永磁体2固定时磁场增强的一侧背离转子铁心1，内层Halbach阵列永磁体3的瓦片形永磁体沿圆周方向均匀排列在转子铁心1的内部，内层Halbach阵列永磁体3的瓦片形永磁体的磁场减弱一侧的外表面与转子铁心1的内表面固定连接，内层Halbach阵列永磁体3固定时磁场增强的一侧背离转子铁心1。

具体实施方式二：结合图2、图3、图4、图8、图9和图10说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于外层Halbach永磁体阵列2和内层Halbach永磁体阵列3采用相同形式的Halbach永磁体阵列，并且外层Halbach永磁体阵列2和内层Halbach永磁体阵列3同时采用每极二块的90°充磁的Halbach永磁体阵列、每极三块的60°充磁的Halbach永磁体阵列或每极四块的45°充磁的Halbach永磁体阵列中的一种。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。每极永磁体块数越多，两层Halbach阵列之间的磁通越少。

具体实施方式三：结合图5至图7说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于外层Halbach永磁体阵列2和内层Halbach永磁体阵列3采用不同形式的Halbach永磁体阵列，并且外层Halbach永磁体阵列2和内层Halbach永磁体阵列3分别采用每极二块的90°充磁的Halbach永磁体阵列、每极三块的60°充磁的Halbach永磁体阵列或每极四块的45°充磁的Halbach永磁体阵列中的一种。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：结合图5说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式三不同点在于外层Halbach永磁体阵列2采用每极二块的90°充磁的Halbach永磁体阵列，内层Halbach永磁体阵列3采用每极三块的60°充磁的Halbach永磁体阵列，或者内层Halbach永磁体阵列3和外层Halbach永磁体阵列2所采用的Halbach永磁体阵列形式互换，内层Halbach永磁体阵列3采用每极二块的90°充磁的Halbach永磁体阵列，外层Halbach永磁体阵列2采用每极三块的60°充磁的Halbach永磁体阵列。其它组成和连接方式与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图6说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式三不同点在于外层Halbach永磁体阵列2采用每极二块的90°充磁的Halbach永磁体阵列，内层Halbach永磁体阵列3采用每极四块的45°充磁的Halbach永磁体阵列，或者内层Halbach永磁体阵列3和外层Halbach永磁体阵列2所采用的Halbach永磁体阵列形式互换，内层Halbach永磁体阵列3采用每极二块的90°充磁的Halbach永磁体阵列，外层Halbach永磁体阵列2采用每极四块的45°充磁的Halbach永磁体阵列。其它组成和连接方式与具体实施方式三相同。

具体实施方式六：结合图7说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式三不同点在于外层Halbach永磁体阵列2采用每极三块的60°充磁的Halbach永磁体阵列，内层Halbach永磁体阵列3采用每极四块的45°充磁的Halbach永磁体阵列，或者内层Halbach永磁体阵列3和外层Halbach永磁体阵列2所采用的Halbach永磁体阵列形式互换，内层Halbach永磁体阵列3采用每极三块的60°充磁的Halbach永磁体阵列，外层Halbach永磁体阵列2采用每极四块的45°充磁的Halbach永磁体阵列。其它组成和连接方式与具体实施方式三相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一、二、三、四、五或六不同点在于内层Halbach永磁体阵列2和外层Halbach永磁体阵列3的极数相同或极数不同.其它组成和连接方式与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同.见图11和图12，两个电机极数不同时，如图11采用现有技术中轴向充磁的转子使得两个电机的磁场相互影响大，电机气隙磁场沿圆周分布不再均匀对称，这会对电机的磁拉力和转矩特性造成不良影响；如图12而采用本发明的复合结构永磁电机的Halbach阵列盘式转子后，两个电机磁场相互干涉很小，电机气隙磁场几乎不干扰.通过对比可以看出，采用本专利结构可以获得更好的气隙磁场分布和转矩特性，并很好地解决两台电机由于采用不同极数而造成的磁场干涉和磁场耦合问题.

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同点在于转子铁心1采用导磁材料或非导磁材料。其它组成和连接方式与具体实施方式七相同。见图13和图14，由于Halbach磁场减弱的一侧磁场强度很小，转子铁心是否为导磁性材料对电机气隙磁场影响很小。而转子铁心若为非导磁性材料，则转子铁心的损耗很小。因为这部分损耗的减少，电机效率计算时也会提高。而轴向充磁的电机如果转子铁心为非导磁性材料，则气隙磁密有较明显的下降，对电机性能的影响也会很大。

本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。