一种Halbach磁体结构低功耗无刷直流电动机的制作方法
专利名称：一种Halbach磁体结构低功耗无刷直流电动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种永磁无刷直流电动机，特别是一种Halbach磁体结构低功耗无刷直流电动机，特别适用于低功耗、高速等场合。
背景技术：
传统的无刷直流电动机本体与永磁同步电动机相同，由于定子铁心的存在，在电机运转时，会在定子铁心中产生磁滞和涡流损耗，这些损耗与转子旋转频率的1.3次方成正比，特别是当转子在高速旋转时，会在定子铁心中产生巨大的损耗，从而大大增加了电机的功耗；同时，由于定子齿槽的存在，会使得转子旋转时产生齿槽转矩和齿谐波，从而会使转矩发生脉动并产生一定的损耗。无齿槽无刷直流电动机可以消除齿槽转矩以及齿谐波，但是由于无槽电机有效气隙大，气隙磁密低，从而会引起电机的功率密度降低。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，提供一种功耗低、电机损耗低、体积小、重量轻，且气隙磁密大大增加的Halbach磁体结构低功耗无刷直流电动机。
本发明的技术解决方案是一种Halbach磁体结构低功耗无刷直流电动机，其特点在于它包括外转子铁心、空心杯定子、Halbach磁体、内转子铁心和转子轴，外转子铁心与内转子铁心均连接到转子轴上，使外转子铁心与内转子铁心同转子轴一同旋转，Halbach磁体安装在内转子铁心或外转子铁心上，空心杯定子固定在机壳上，永磁磁路经过Halbach磁体、转子铁心以及它们之间的气隙构成闭合回路。
本发明的原理是本发明的永磁体为Halbach磁体结构，每一块永磁体按照一定方式进行充磁并粘结在一起，电机转子铁心分为外转子铁心和内转子铁心两部分，两者固定在转子轴上并与转轴一起旋转，由于Halbach磁体相对于转子铁心没有相对运动，从而不会在转子铁心和转子轴中产生涡流损耗。将霍尔元件置于杯形绕组中检测Halbach磁体磁极的位置，根据霍尔元件的输出信号，给相应的绕组中通以直流电流，这样绕组中就会产生磁场，该磁场与Halbach磁体产生的磁场相互作用，使得外转子铁心、内转子铁心以及转轴一同旋转。
本发明与现有技术相比的优点在于本发明采用了一种新型Halbach磁体结构和空心杯绕组结构，这会使得无刷直流电机具有体积小、重量轻、损耗小、转矩平稳、电枢反应小等优点，同时可以使得铁心厚度大大减小，气隙磁密大大增加，这是由于(1)与传统的无刷直流电机相比，由于本发明的电机没有齿槽，故消除了传统无刷直流电机的齿槽效应，无齿槽还有利于绕组散热，由于该种结构电机电枢反应弱，还有利于无传感器等各种控制方法的实现；(2)与无齿槽无刷直流电机相比，本发明采用了Halbach磁体结构，置于外转子铁心时，由于磁体磁通绝大部分与气隙及内转子铁心闭合，所以可使外转子铁心轭部尺寸大大减小，这有利于减小电机体积，减轻电机重量；置于内转子铁心时，由于磁体磁通绝大部分与气隙及外转子铁心闭合，所以可使内转子铁心轭部尺寸大大减小，这同样有利于减小电机体积、减轻电机重量；不论置于外转子铁心还是内转子铁心，由于Halbach磁体本身的充磁特点，都会使得气隙磁密大大提高，这有利于电机转矩的提高；(3)由于电机无定子铁心，所以从根本上消除了定子铁心损耗；又由于外转子铁心与内转子铁心和Halbach磁体均无相对运动，所以消除了转子铁心和转子轴中的涡流损耗。
图1为本发明的Halbach磁体置于外转子铁心时的无刷直流电机结构示意图；
图2为本发明的Halbach磁体置于内转子铁心时的无刷直流电机结构示意图；图3为Halbach磁体结构示意图，其中图3a为当Halbach磁体置于内转子时的充磁方式，图3b为当Halbach磁体结构置于外转子时采用的充磁方式；图4为本发明的空心杯定子结构示意图。
具体实施例方式
如图1和图2所示，本发明的Halbach磁体结构的无刷直流电机由转子轴1、机壳2、套筒3、Halbach磁体4、内转子铁心5、空心杯定子6、外转子铁心7和轴承8组成，外转子铁心7与内转子铁心5通过套筒3连接到转子轴1上，这样外转子铁心7与内转子铁心5同转子轴1一同旋转，Halbach磁体4可以安装在内转子铁心5上，如图1所示，也可以安装在外转子铁心7上，如图2所示，考虑到转子在高速旋转时会产生巨大的离心力，一般将Halbach磁体4置于外转子铁心7上。
当转子轴1和套筒3采用导磁材料时，外转子铁心7与内转子铁心5均需通过隔磁材料(如铜、铝、钛合金等)固定连接到套筒3和转子轴1上，以减小漏磁。当转子轴1和套筒3采用非导磁材料如不锈钢、铝、钛合金等时，外转子铁心7和内转子铁心5可以直接固定在套筒3和转子轴1上。
图1和图2中的轴承8可以用机械轴承，也可以用磁悬浮轴承，对于低功耗、高速等场合，应使用磁悬浮轴承。
如图3所示，当本发明的Halbach磁体结构置于内转子时，应采用图3a的充磁方式，如果电机的极对数为p，每极所分成Halbach磁体的块数为n，则第i块磁体的充磁方向按照式θi=(1-p)·360·(i-1)2pn]]>进行，然后将各个磁体粘结在一起。当Halbach磁体结构置于外转子时，应采用图3b的充磁方式，如果电机的极对数为p，每极所分成Halbach磁体的块数为n，则第i块磁体的充磁方向按照式θi=(1+p)·360·(i-1)2pn]]>进行，然后将各个磁体粘结在一起。图3所示的是4极电机，每个磁极分为3块Halbach磁体时的情况。Halbach磁体4可以采用衫钴、铁氧体、钕铁硼等永磁材料。
如图4所示，空心杯形子6包括由杯形骨架61和绕组62组成，骨架61上开有槽，绕组62绕成链式缠绕在骨架61上，并用环氧树脂63灌封，霍尔元件64置于杯形绕组中，用于检测Halbach磁体4磁极的位置，根据霍尔元件64的输出信号，给绕组62中通以直流电流，这样绕组62中就会产生磁场，该磁场与Halbach磁体4产生的磁场相互作用，使得外转子铁心7、内转子铁心5、套筒3以及转子轴1一同旋转。
权利要求
1.一种Halbach磁体结构低功耗无刷直流电动机，其特征在于它包括转子轴(1)、机壳(2)、套筒(3)、Halbach磁体(4)、内转子铁心(5)空心杯定子(6)、外转子铁心(7)和轴承(8)，外转子铁心(7)与内转子铁心(5)通过套筒(3)连接到转子轴(1)上，可使外转子铁心(7)与内转子铁心(5)同转子轴(1)一同旋转，Halbach磁体(4)安装在内转子铁心(5)或外转子铁心(7)上，杯形定子(6)安装于机壳(2)上。
2.根据权利要求1所述的Halbach磁体结构低功耗无刷直流电动机，其特征在于当所述转子轴(1)和套筒(3)采用导磁材料时，外转子铁心(7)与内转子铁心(5)均需通过隔磁材料固定连接到套筒(3)和转子轴(1)上，以减小漏磁。
3.根据权利要求1所述的Halbach磁体结构低功耗无刷直流电动机，其特征在于当所述转子轴(1)和套筒(3)采用非导磁材料时，外转子铁心(7)和内转子铁心(5)可以直接固定在套筒(3)和转子轴(1)上。
4.根据权利要求1所述的Halbach磁体结构低功耗无刷直流电动机，其特征在于当Halbach磁体置于内转子时，如果电机的极对数为p，每极所分成Halbach磁体的块数为n，则第i块磁体的充磁方向按照式θi=(1-p)·360·(i-1)2pn]]>进行，然后将各个磁体粘结在一起。
5.根据权利要求1所述的Halbach磁体结构低功耗无刷直流电动机，其特征在于所述的Halbach磁体(4)结构置于外转子时，如果电机的极对数为p，每极所分成Halbach磁体的块数为n，则第i块磁体的充磁方向按照式θi=(1+p)·360·(i-1)2pn]]>进行，然后将各个磁体粘结在一起。
6.根据权利要求1所述的Halbach磁体结构低功耗无刷直流电动机，其特征在于所述的空心杯定子(6)由杯形骨架(61)和绕组(62)组成。
7.根据权利要求1所述的Halbach磁体结构低功耗无刷直流电动机，其特征在于所述的Halbach磁体(4)的材料为衫钴、铁氧体、钕铁硼永磁材料。
全文摘要
一种Halbach磁体结构低功耗无刷直流电动机，主要包括外转子铁心、空心杯定子(包括绕组和骨架)、Halbach磁体、内转子铁心和转子轴，外转子铁心与内转子铁心均连接到转子轴上，使外转子铁心与内转子铁心同转子轴一同旋转，Halbach磁体安装在内转子铁心或外转子铁心上，空心杯定子固定在机壳上。永磁磁路经过Halbach磁体、转子铁心以及它们之间的气隙构成闭合回路。本发明利用了新型Halbach磁体结构，可以使得铁心厚度大大减小，气隙磁密大大增加，从而减小了体积和重量，并降低了电机的损耗。
文档编号H02K1/27GK1652438SQ20051001124
公开日2005年8月10日 申请日期2005年1月24日 优先权日2005年1月24日
发明者房建成, 孙津济, 马善振 申请人:北京航空航天大学
技术领域：
本发明涉及一种永磁无刷直流电动机，特别是一种Halbach磁体结构低功耗无刷直流电动机，特别适用于低功耗、高速等场合。
背景技术：
传统的无刷直流电动机本体与永磁同步电动机相同，由于定子铁心的存在，在电机运转时，会在定子铁心中产生磁滞和涡流损耗，这些损耗与转子旋转频率的1.3次方成正比，特别是当转子在高速旋转时，会在定子铁心中产生巨大的损耗，从而大大增加了电机的功耗；同时，由于定子齿槽的存在，会使得转子旋转时产生齿槽转矩和齿谐波，从而会使转矩发生脉动并产生一定的损耗。无齿槽无刷直流电动机可以消除齿槽转矩以及齿谐波，但是由于无槽电机有效气隙大，气隙磁密低，从而会引起电机的功率密度降低。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，提供一种功耗低、电机损耗低、体积小、重量轻，且气隙磁密大大增加的Halbach磁体结构低功耗无刷直流电动机。
本发明的技术解决方案是一种Halbach磁体结构低功耗无刷直流电动机，其特点在于它包括外转子铁心、空心杯定子、Halbach磁体、内转子铁心和转子轴，外转子铁心与内转子铁心均连接到转子轴上，使外转子铁心与内转子铁心同转子轴一同旋转，Halbach磁体安装在内转子铁心或外转子铁心上，空心杯定子固定在机壳上，永磁磁路经过Halbach磁体、转子铁心以及它们之间的气隙构成闭合回路。
本发明的原理是本发明的永磁体为Halbach磁体结构，每一块永磁体按照一定方式进行充磁并粘结在一起，电机转子铁心分为外转子铁心和内转子铁心两部分，两者固定在转子轴上并与转轴一起旋转，由于Halbach磁体相对于转子铁心没有相对运动，从而不会在转子铁心和转子轴中产生涡流损耗。将霍尔元件置于杯形绕组中检测Halbach磁体磁极的位置，根据霍尔元件的输出信号，给相应的绕组中通以直流电流，这样绕组中就会产生磁场，该磁场与Halbach磁体产生的磁场相互作用，使得外转子铁心、内转子铁心以及转轴一同旋转。
本发明与现有技术相比的优点在于本发明采用了一种新型Halbach磁体结构和空心杯绕组结构，这会使得无刷直流电机具有体积小、重量轻、损耗小、转矩平稳、电枢反应小等优点，同时可以使得铁心厚度大大减小，气隙磁密大大增加，这是由于(1)与传统的无刷直流电机相比，由于本发明的电机没有齿槽，故消除了传统无刷直流电机的齿槽效应，无齿槽还有利于绕组散热，由于该种结构电机电枢反应弱，还有利于无传感器等各种控制方法的实现；(2)与无齿槽无刷直流电机相比，本发明采用了Halbach磁体结构，置于外转子铁心时，由于磁体磁通绝大部分与气隙及内转子铁心闭合，所以可使外转子铁心轭部尺寸大大减小，这有利于减小电机体积，减轻电机重量；置于内转子铁心时，由于磁体磁通绝大部分与气隙及外转子铁心闭合，所以可使内转子铁心轭部尺寸大大减小，这同样有利于减小电机体积、减轻电机重量；不论置于外转子铁心还是内转子铁心，由于Halbach磁体本身的充磁特点，都会使得气隙磁密大大提高，这有利于电机转矩的提高；(3)由于电机无定子铁心，所以从根本上消除了定子铁心损耗；又由于外转子铁心与内转子铁心和Halbach磁体均无相对运动，所以消除了转子铁心和转子轴中的涡流损耗。
图1为本发明的Halbach磁体置于外转子铁心时的无刷直流电机结构示意图；
图2为本发明的Halbach磁体置于内转子铁心时的无刷直流电机结构示意图；图3为Halbach磁体结构示意图，其中图3a为当Halbach磁体置于内转子时的充磁方式，图3b为当Halbach磁体结构置于外转子时采用的充磁方式；图4为本发明的空心杯定子结构示意图。
具体实施例方式
如图1和图2所示，本发明的Halbach磁体结构的无刷直流电机由转子轴1、机壳2、套筒3、Halbach磁体4、内转子铁心5、空心杯定子6、外转子铁心7和轴承8组成，外转子铁心7与内转子铁心5通过套筒3连接到转子轴1上，这样外转子铁心7与内转子铁心5同转子轴1一同旋转，Halbach磁体4可以安装在内转子铁心5上，如图1所示，也可以安装在外转子铁心7上，如图2所示，考虑到转子在高速旋转时会产生巨大的离心力，一般将Halbach磁体4置于外转子铁心7上。
当转子轴1和套筒3采用导磁材料时，外转子铁心7与内转子铁心5均需通过隔磁材料(如铜、铝、钛合金等)固定连接到套筒3和转子轴1上，以减小漏磁。当转子轴1和套筒3采用非导磁材料如不锈钢、铝、钛合金等时，外转子铁心7和内转子铁心5可以直接固定在套筒3和转子轴1上。
图1和图2中的轴承8可以用机械轴承，也可以用磁悬浮轴承，对于低功耗、高速等场合，应使用磁悬浮轴承。
如图3所示，当本发明的Halbach磁体结构置于内转子时，应采用图3a的充磁方式，如果电机的极对数为p，每极所分成Halbach磁体的块数为n，则第i块磁体的充磁方向按照式θi=(1-p)·360·(i-1)2pn]]>进行，然后将各个磁体粘结在一起。当Halbach磁体结构置于外转子时，应采用图3b的充磁方式，如果电机的极对数为p，每极所分成Halbach磁体的块数为n，则第i块磁体的充磁方向按照式θi=(1+p)·360·(i-1)2pn]]>进行，然后将各个磁体粘结在一起。图3所示的是4极电机，每个磁极分为3块Halbach磁体时的情况。Halbach磁体4可以采用衫钴、铁氧体、钕铁硼等永磁材料。
如图4所示，空心杯形子6包括由杯形骨架61和绕组62组成，骨架61上开有槽，绕组62绕成链式缠绕在骨架61上，并用环氧树脂63灌封，霍尔元件64置于杯形绕组中，用于检测Halbach磁体4磁极的位置，根据霍尔元件64的输出信号，给绕组62中通以直流电流，这样绕组62中就会产生磁场，该磁场与Halbach磁体4产生的磁场相互作用，使得外转子铁心7、内转子铁心5、套筒3以及转子轴1一同旋转。
权利要求
1.一种Halbach磁体结构低功耗无刷直流电动机，其特征在于它包括转子轴(1)、机壳(2)、套筒(3)、Halbach磁体(4)、内转子铁心(5)空心杯定子(6)、外转子铁心(7)和轴承(8)，外转子铁心(7)与内转子铁心(5)通过套筒(3)连接到转子轴(1)上，可使外转子铁心(7)与内转子铁心(5)同转子轴(1)一同旋转，Halbach磁体(4)安装在内转子铁心(5)或外转子铁心(7)上，杯形定子(6)安装于机壳(2)上。
2.根据权利要求1所述的Halbach磁体结构低功耗无刷直流电动机，其特征在于当所述转子轴(1)和套筒(3)采用导磁材料时，外转子铁心(7)与内转子铁心(5)均需通过隔磁材料固定连接到套筒(3)和转子轴(1)上，以减小漏磁。
3.根据权利要求1所述的Halbach磁体结构低功耗无刷直流电动机，其特征在于当所述转子轴(1)和套筒(3)采用非导磁材料时，外转子铁心(7)和内转子铁心(5)可以直接固定在套筒(3)和转子轴(1)上。
4.根据权利要求1所述的Halbach磁体结构低功耗无刷直流电动机，其特征在于当Halbach磁体置于内转子时，如果电机的极对数为p，每极所分成Halbach磁体的块数为n，则第i块磁体的充磁方向按照式θi=(1-p)·360·(i-1)2pn]]>进行，然后将各个磁体粘结在一起。
5.根据权利要求1所述的Halbach磁体结构低功耗无刷直流电动机，其特征在于所述的Halbach磁体(4)结构置于外转子时，如果电机的极对数为p，每极所分成Halbach磁体的块数为n，则第i块磁体的充磁方向按照式θi=(1+p)·360·(i-1)2pn]]>进行，然后将各个磁体粘结在一起。
6.根据权利要求1所述的Halbach磁体结构低功耗无刷直流电动机，其特征在于所述的空心杯定子(6)由杯形骨架(61)和绕组(62)组成。
7.根据权利要求1所述的Halbach磁体结构低功耗无刷直流电动机，其特征在于所述的Halbach磁体(4)的材料为衫钴、铁氧体、钕铁硼永磁材料。
全文摘要
一种Halbach磁体结构低功耗无刷直流电动机，主要包括外转子铁心、空心杯定子(包括绕组和骨架)、Halbach磁体、内转子铁心和转子轴，外转子铁心与内转子铁心均连接到转子轴上，使外转子铁心与内转子铁心同转子轴一同旋转，Halbach磁体安装在内转子铁心或外转子铁心上，空心杯定子固定在机壳上。永磁磁路经过Halbach磁体、转子铁心以及它们之间的气隙构成闭合回路。本发明利用了新型Halbach磁体结构，可以使得铁心厚度大大减小，气隙磁密大大增加，从而减小了体积和重量，并降低了电机的损耗。
文档编号H02K1/27GK1652438SQ20051001124
公开日2005年8月10日 申请日期2005年1月24日 优先权日2005年1月24日
发明者房建成, 孙津济, 马善振 申请人:北京航空航天大学
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