[发明专利]优化半插入双层三段Halbach阵列永磁电机的方法

说明书

本发明公开了一种优化半插入双层三段Halbach阵列永磁电机的方法。通过半插入双层三段Halbach阵列内外层磁极磁化角度与中心永磁极弧系数，达到获取最优气隙磁密的方法。转子与对应的定子配合构成具有内外层磁极最优边磁磁化角度与中心永磁极弧系数的半插入双层三段Halbach阵列永磁电机。本发明可以提高插入式永磁电机的无槽径向气隙磁密基波幅值，从而在相同的体积和成本下，可以提高输出转矩，因此可提高该类电机的转矩密度和功率密度，同样适用于无转子铁心电机和外转子电机。

技术领域

本发明涉及永磁电机技术领域，尤其涉及一种优化半插入双层三段Halbach阵列永磁电机的方法。

背景技术

永磁电机在各个领域都得到了广泛的应用，许多学者对此做了大量的研究。与传统磁体相比，使用Halbach阵列磁体的永磁电机具有更多的正弦场波形和更低的电磁转矩脉动，由于这些优点，Halbach阵列被应用于多种永磁机器。许多研究人员在两段/三段Halbach阵列上做了大量工作，并且已经有研究人员提出了双层两段Halbach永磁电机。相比于插入式双层三段Halbach阵列永磁电机的性能来说，半插入双层三段Halbach阵列永磁电机气隙磁密具有更高的基波幅值以及较低的谐波。

发明内容

本发明目的就是为了弥补已有技术表面插入式永磁电机存在空载感应电动势较小、转矩较小的缺陷，提供一种优化半插入双层三段Halbach阵列永磁电机的方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种优化半插入双层三段Halbach阵列永磁电机的方法，通过优化双层Halbach阵列表面半插入永磁电机的各层磁极最优边磁磁化角与中心永磁极弧系数组合以获取最优气隙磁密。

所述的Halbach阵列表面插入式永磁电机为半插入双层三段Halbach阵列永磁电机。

所述的半插入双层Halbach阵列的永磁电机具有最优边磁磁化角与中心永磁极弧系数组合的Halbach阵列，包括转子以及与转子对应的定子，所述转子由双层三段Halbach阵列和嵌入铁构成，该阵列内外两层分别由一段中心永磁和一对两两对称的永磁体构成，对称轴为中心永磁的几何中心，且内外层几何中心保持一致；中心永磁的磁化方式平行磁化，内外层磁极每对边磁的磁化角η₁与η₂均为锐角，N极中心对称轴左侧永磁的磁化角为磁化方向与顺时针圆周切向方向的夹角；N极中心对称轴右侧永磁的磁化角为磁化方向与逆时针圆周切向方向的夹角；S极中心对称轴左侧永磁的磁化角为磁化方向与逆时针圆周切向方向的夹角；S极中心对称轴右侧永磁的磁化角为磁化方向与顺时针圆周切向方向的夹角。嵌入铁占据到磁极厚度的一半之处，与内层磁极永磁体高度保持一致。转子与对应的定子配合构成具有最优边磁磁化角与中心永磁极弧系数组合的半插入双层三段Halbach永磁电机。

所述的内外层磁极的对应的最优边磁磁化角与中心永磁极弧系数由解析法获得：首先通过解析方法得到永磁电机空载径向气隙磁密的函数表达式，然后通过将内外层磁极空载径向气隙磁密的函数表达式分别对内外层磁极的磁化角进行求导，以获取最大气隙磁密时，分别对应内外层磁极的最优边磁磁化角度和中心永磁极弧系数的组合值。

当求解半插入双层三段Halbach阵列永磁电机最优气隙磁密时，分别求出内外层磁极所产生的径向气隙磁密，再通过线性叠加的方式获得最终表达式；当求解外层磁极所产生径向气隙磁密时，将内层磁极区域看作空气，所述的解析法具体过程如下：

在极坐标下，磁化强度由磁体的方向决定，写成

式中：M_r为磁化强度径向分量；M_θ为磁化强度切向分量；和分别为两个方向的单位矢量。

一个电周期内，半插入双层三段Halbach阵列永磁电机外层磁极具有三段Halbach阵列的磁化强度，写成分段函数如下：