[发明专利]Halbach阵列并列转子混合励磁无刷同步电机

说明书

技术领域

本发明涉及一种交流同步电机，特别是涉及一种混合励磁无刷同步电机。 

背景技术

Halbach阵列是美国学者Klaus.Halbach针对永磁体结构提出的一种新颖的磁体排列方式。Halbach阵列内转子永磁体的合成磁场如附图1所示，其气隙磁场呈独特分布，为单边磁场，合适的充磁方向能使电机的气隙磁通获得较好的正弦性。采用Halbach阵列的电机在高速运转时能使铁耗得到很好控制，极大的提高电机的效率和功率密度；而且在Halbach电机中，由于气隙磁场的正弦分布程度较高，谐波含量小，因此定、转子结构上不需要采用斜槽来削弱谐波磁场的影响，定、转子不需要斜槽。 

附图2所示为一种Halbach双凸极电机，如中国专利公开第1645713中揭示。该电机包含定子铁芯1和转子铁芯3两部分，且定转子间是电机的气隙2，定、转子铁芯1和3均由硅钢片叠压而成；定子铁芯1外表面贴有一层Halbach阵列结构的磁钢4；定子铁芯1内侧是凸极齿槽结构5，齿上套有集中电枢绕组；转子铁芯3是凸极齿槽结构，无绕组。由于Halbach阵列的自屏蔽效应，电机不需要壳体作磁场的通路，所以Halbach双凸极电机的体积、重量大大降低，使得转动惯量减小，快速响应性能提高，只是该种电机磁场调节较为困难。Halbach永磁电机磁场难以调节的特点，限制了其在许多领域中的应用，为了解决永磁电机磁场难以调节的问题，混合励磁电机成为目前研究的一个热点。 

附图3所示为一种永磁-电励磁并列转子混合励磁同步电机，包含定子1’和转子2’，直流励磁绕组3’直接安装在转子2’上，励磁电流由电刷和滑环6’引 入。所述转子2’包含永磁转子4’和电励磁转子5’，它们呈并列结构，中间用气隙组成的隔磁环隔开，故永磁转子的气隙磁通和电励磁转子的气隙磁通不会互相影响；但在结构上由于部分励磁绕组位于永磁体下，故此部分电励磁磁路和永磁磁路相当于串联，因此励磁电流发生变化时，永磁部分的气隙磁通也会随之发生变化，要达到调节磁场的目的需要较大的励磁电流，这无疑增大了励磁时间常数、增大了铜损、降低了电机的效率；而且由于直流励磁绕组直接安装在转子上，使得励磁电流由电刷和滑环引入，电机的可靠性降低，不适合在恶劣的工况下运行、维护费用增加。 

现有技术中另外一种永磁-电励磁并列转子混合励磁同步电机，是无刷形式的稀土永磁-电励磁并列转子混合励磁同步电机，其永磁主发电机部分和辅助电励磁部分共用一个电枢绕组，电枢绕组感应电势有两个部分，分别由永磁磁场和电励磁磁场感应产生，相应的励磁磁势分别为：主发电机部分是永磁磁钢产生的磁势，调节电压所需的辅助磁场靠辅助电励磁绕组产生的磁势来建立，两部分磁势基本上单独地作用于各自的磁路，形成各自的气隙磁场。此电机虽然去掉了电刷和滑环，但电励磁部分的有效长度较小，使得磁场调节范围较小，影响电机整体性能的发挥。 

现有技术中还有一种并列转子混合励磁同步电机，其永磁磁通和“弱磁”磁通，具有各自不同的物理磁路-永磁磁通只在永磁段的磁路流通(径向)，“弱磁”磁通只在磁阻段流通(径向)，“弱磁”表现为一种合成的效果，在定子铁心的硅钢片中，并不存在真正的磁场削弱。因此，在低速运行时，磁阻部分基本上不产生转矩，从而导致了较低的电机转矩密度，而高速“弱磁”运行时，永磁段的磁通基本不变，磁阻段的磁通则随“弱磁”程度的增大而增大，从而导致铁磁损耗随速度几何级数增大，永磁体直接暴露在电枢之下，容易使其产生不可恢复的去磁。 

概而言之，现有技术中的并列转子混合励磁同步电机要么永磁体采用传统的径向充磁方式，与Halbach电机相比，较难形成理想的正弦波气隙磁通和单边磁场，永磁转子部分要用铁心提供磁路，电机的重量大且高速运转时转子涡流较大，降低了电机的功率密度；要么电机的磁场虽然可调节的，但Halbach磁体的有效部分较小，由Halbach磁体提供的功率较小，正常运行时要较大的励磁电流配合，才能满足输出电压的稳定，这无疑增大了电励磁功率和励磁时间常数；要么电励磁部分使用了电刷和滑环，使得电机的可靠性降低。 

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种Halbach阵列并列转子混合励磁无刷同步电机，本发明的技术方案能够提高电机的功率密度和电机的励磁调节范围。 

本发明采取的技术方案是：