[发明专利]一种基于Halbach阵列的混合励磁高效电动机

说明书

技术领域

本发明涉及一种动力系统，特别是一种基于Halbach阵列的混合励磁高效电动机。

技术背景

目前，现代永磁电机正向着高速、高效、高功率密度方向发展。但是当常规永磁电机处于高速或超高速运转时，铁芯损耗非常大，这就导致了电机的效率大大降低；另外常规永磁电机的脉动转矩也相对较大；同时受气隙磁场的影响，功率密度小，使得其在大功率密度的微型电机中的应用受到了限制。鉴于常规永磁电机的这些缺点，早在1979年，美国伯克利实验室的物理学家K.Halbach针对永磁体的构造，他提出了一种新奇的设计方法，即利用永久磁铁的分布来形成正弦磁场，以后他又不断的完善这一理论，从而形成了一种高效的永磁电机-Halbach电机。

磁铁都有两个磁极，电机的基本原理都是通过交变电磁铁的磁场，利用磁铁与磁铁之间相吸或相斥的力，将电能转换成机械能的。研究表明，多数常规电机只是利用一个电磁铁中的一个磁极与另一个电磁铁或永磁铁中的一个磁极相吸或相斥的力将电能转换成机械能的。

本发明利用了一个电磁铁中的两个磁极与两个永磁铁的磁极相吸或相斥的力将电能转换成机械能，同时采用Halbach阵列的永磁体，将可以大大提高电机的工作效率。

发明内容

本发明是这样实现的：一种基于Halbach阵列的混合励磁高效电动机，主要由Halbach阵列磁环(1)，铁芯(2)、绕组(3)、转子轭(4)、定子架(5)、转轴(6)、机壳(7)、前端盖(8)、后端盖(9)、换向器(10)和电刷(11)组成，其特征是：两个由径向永磁体与切向和/或斜向永磁体组成的S极与N极相间排列的Halbach阵列磁环固定在转子轭上，两个磁环的磁极排列方向相同，磁极的方向为径向或轴向；4个或4个以上平均分布成环状的磁极方向为径向或轴向的铁芯绕组，设在两个磁环之间，固定在定子架或机壳上；或者，两个磁环固定在定子架或机壳上，设在两个磁环之间的铁芯绕组固定在转子轭上；一个磁环的磁极数量为3对或3对以上，铁芯绕组的磁极数量为2对或2对以上，而且磁环的磁极数量是铁芯绕组的磁极数量的1.5倍；转轴上设有换向器和电刷，转子每旋转一定的角度，铁芯绕组相邻的磁极就交替变换S极和N极的方向一次，或者，转子每旋转一定的角度，铁芯绕组相邻的磁极就交替产生磁力及交替变换S极和N极一次，铁芯绕组的S极和N极都分别与两个磁环产生吸力和斥力，实现将电磁能转换成机械能。

由于铁芯绕组通电产生电磁场时，铁芯绕组的S极和N极分别对着一个磁环，两个磁环同时对铁芯绕组产生相吸和相斥的力，而且相吸、相斥的力都被转化成电动机旋转的动力，效率非常高。

转子、定子和机壳用铁磁性材料或部份用铁磁性材料制成。由于Halbach阵列磁环的磁路从磁环内部通过，具有单极子的趋向，因此用于固定磁环的材料也可以采用非铁磁性材料制成，如铝合金等。

铁芯绕组和磁环的磁极径向排列，或者，铁芯绕组和磁环的磁极轴向排列。

铁芯绕组为茏型铁芯绕组或绕线型铁芯绕组。茏型铁芯绕组是由嵌在铁芯槽内的铜条或铝条以及与其两端短接的端环组成。绕线型铁芯绕组采用聚酯漆包线绕制而成。当铁芯绕组的磁极径向排列时，铁芯绕组一般不做成茏型。铁芯用硅钢片叠制而成。

当磁环的磁极径向排列时，两个磁环做成一大一小的外磁环和内磁环，磁极也是径向排列的铁芯绕组环设在内磁环和外磁环之间。当磁环的磁极轴向排列时，两个磁环的大小相同，磁极也是轴向排列的铁芯绕组环设在两个磁环之间，按磁环-铁芯绕组环-磁环的次序轴向排列。

有三对径向磁极的磁环相当于磁环有3个S极向外、3个N极向外和3个S极向内、3个N极向内。有两对径向磁极的铁芯绕组环相当于有2个S极向外、2个N极向外和2个S极向内、2个N极向内。

一个磁环的磁极的数量是铁芯绕组磁极数量的1.5倍。若铁芯绕组环有2对磁极，即有4个S极和4个N极，按照1.5倍的比例，那么磁环就是一个有6个S极和6个N极的三对极磁环。磁环的磁极的数量与铁芯绕组的磁极数量的比为6∶4，12∶8，18∶12等。这个比例很重要，由于磁环的S极和N极相间排列，磁环的磁极数为偶数，无论转子旋转了多少度，都可以保证至少有一半的铁芯绕组的磁极不是正对着磁环的磁极的。当铁芯绕组的一个磁极在磁环的两个相反的磁极之间的中间位置时，同时受到吸力和斥力的作用，可以实现功效的最大化。

铁芯绕组环内的磁极是平均分布的，当一个铁芯绕组环内有4相时，它们在相位上相差90度角，有6相时，它们在相位上相差60度角。