一种新型类哈尔巴赫磁极阵列构型

1.本实用新型涉及电机技术领域，特别是涉及一种新型类哈尔巴赫磁极阵列构型。

背景技术：

2.目前，采用合适的磁极构型能有效的提高电机的输出性能，哈尔巴赫(halbach)磁极构型是一种常见的磁极构型，可以屏蔽单侧磁场增强另一侧磁场，降低背铁用量，进一步提高电机的输出力。虽然halbach磁极阵列具有增加推力，减小漏磁的优势，但是矩形磁体构成的磁极阵列磁场屏蔽效果不好(如图1所示)，不能完全的去除背铁，仍然存在严重的漏磁，磁场损耗大。

技术实现要素：

3.本实用新型的目的是：提供一种新型类哈尔巴赫磁极阵列构型，能够解决传统矩形halbach磁极阵列的结构存在漏磁，单侧增强磁场效果有限的问题。
4.为了实现上述目的，本实用新型采用以下方案：
5.一种新型类哈尔巴赫磁极阵列构型，其由多个磁路闭合的磁极构型单元依次拼接构成，相邻的两个所述磁极构型单元的磁路走势方向相反；所述磁极构型单元包括一个横截面为等腰三角形的第一磁极、两个横截面为直角三角形的第二磁极和两个横截面为矩形的第三磁极，所述第一磁极的腰边侧面与所述第二磁极的斜边侧面拼合，所述第三磁极的直角侧面与所述第二磁极的直角侧面拼合；同一个所述磁极构型单元中，当所述第一磁极的充磁方向为水平向左充磁时，位于所述第一磁极左侧方向的所述第二磁极的充磁方向为斜向左上充磁，位于所述第一磁极左侧方向的所述第三磁极的充磁方向为竖直向上充磁，位于所述第一磁极右侧方向的所述第二磁极的充磁方向为斜向左下充磁，位于所述第一磁极右侧方向的所述第三磁极的充磁方向为竖直向下充磁；当所述第一磁极的充磁方向为水平向右充磁时，位于所述第一磁极左侧方向的所述第二磁极的充磁方向为斜向右下充磁，位于所述第一磁极左侧方向的所述第三磁极的充磁方向为竖直向下充磁，位于所述第一磁极右侧方向的所述第二磁极的充磁方向为斜向右上充磁，位于所述第一磁极右侧方向的所述第三磁极的充磁方向为竖直向上充磁。
6.作为本实用新型的优选方案，相邻的两个所述磁极构型单元中，位于前一个磁极构型单元右侧的第三磁极与位于后一个磁极构型单元左侧的第三磁极为同一个磁极。
7.作为本实用新型的优选方案，所述第二磁极的充磁方向平行于所述第二磁极的斜边。
8.作为本实用新型的优选方案，所述第二磁极的充磁方向与所述第一磁极的充磁方向所形成的夹角为45度。
9.实施本实用新型提供的新型类哈尔巴赫磁极阵列构型，与现有技术相比，其有益效果在于：
10.(1)本实用新型具有很好的磁屏蔽效果，减少了磁能损耗，能达到传统halbach阵
列使用背铁的效果，从而避免了使用背铁，能减轻电机次级的质量，能提高电机的推力密度；
11.(2)本实用新型采用的类halbach阵列，能增强需要区域里磁场的强度；与传统halbach阵列相比，本实用新型产生的磁通密度的纵向分量更大，能够提供更大的横向输出力。
附图说明
12.图1是传统的传统矩形halbach磁极阵列构型的结构示意图；
13.图2是本实用新型实施例的新型类哈尔巴赫磁极阵列构型的结构示意图；
14.图3是本实施例的新型类哈尔巴赫磁极阵列构型(无背铁)的气隙磁场磁力线分布图；
15.图4是传统矩形halbach磁极阵列构型(无背铁)和本实施例的新型类哈尔巴赫磁极阵列构型(无背铁)的自屏蔽磁场对比图；
16.图5是传统矩形halbach磁极阵列构型(有背铁)和本实施例的新型类哈尔巴赫磁极阵列构型(无背铁)的磁场强度对比图；
17.图6是传统矩形halbach磁极阵列构型(有背铁)和本实施例的新型类哈尔巴赫磁极阵列构型(无背铁)分别应用于双边直线电机时的气隙磁密波形对比图；
18.图7是传统矩形halbach磁极阵列构型(有背铁)和本实施例的新型类哈尔巴赫磁极阵列构型(无背铁)分别应用于双边直线电机时的fft对比图；
19.图8是传统矩形halbach磁极阵列构型(有背铁)和本实施例的新型类哈尔巴赫磁极阵列构型(无背铁)分别应用于双边直线电机时的静态输出力的均值和波动对比图。
20.附图标记：
21.第一磁极1；第二磁极2；第三磁极3。
具体实施方式
22.下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。
23.在本实用新型的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
24.在本实用新型的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
25.本实用新型的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本实用新型中的具体含义。
26.如图2所示，本实用新型实施例提供的新型类哈尔巴赫磁极阵列构型，其由多个磁
路闭合的磁极构型单元依次拼接构成，相邻的两个所述磁极构型单元的磁路走势方向相反；所述磁极构型单元包括一个横截面为等腰三角形的第一磁极1、两个横截面为直角三角形的第二磁极2和两个横截面为矩形的第三磁极3，所述第一磁极1的腰边侧面与所述第二磁极2的斜边侧面拼合，所述第三磁极3的直角侧面与所述第二磁极2的直角侧面拼合；同一个所述磁极构型单元中，当所述第一磁极1的充磁方向为水平向左充磁时，位于所述第一磁极1左侧方向的所述第二磁极2的充磁方向为斜向左上充磁，位于所述第一磁极1左侧方向的所述第三磁极3的充磁方向为竖直向上充磁，位于所述第一磁极1右侧方向的所述第二磁极2的充磁方向为斜向左下充磁，位于所述第一磁极1右侧方向的所述第三磁极3的充磁方向为竖直向下充磁；当所述第一磁极1的充磁方向为水平向右充磁时，位于所述第一磁极1左侧方向的所述第二磁极2的充磁方向为斜向右下充磁，位于所述第一磁极1左侧方向的所述第三磁极3的充磁方向为竖直向下充磁，位于所述第一磁极1右侧方向的所述第二磁极2的充磁方向为斜向右上充磁，位于所述第一磁极1右侧方向的所述第三磁极3的充磁方向为竖直向上充磁。本实施例中，相邻的两个所述磁极构型单元中，位于前一个磁极构型单元右侧的第三磁极3与位于后一个磁极构型单元左侧的第三磁极3为同一个磁极。所述第二磁极2的充磁方向平行于所述第二磁极2的斜边，或者所述第二磁极2的充磁方向与所述第一磁极1的充磁方向所形成的夹角为45度。
27.当然，在其它实施例中，所述第一磁极1的横截面也可以为等腰梯形。
28.下面，为验证本实用新型实施例提供的新型类哈尔巴赫磁极阵列构型与传统矩形halbach磁极阵列构型的差异，进行以下对比仿真实验：
29.使用电磁学有限元仿真软件ansys electronics desktop，在相同电机尺寸条件下，对有背铁的传统矩形halbach磁极阵列构型和本实施例的新型类哈尔巴赫磁极阵列构型做了对比，图1示出传统矩形halbach磁极阵列构型(有背铁)的气隙磁场磁力线分布，图3示出本实施例的新型类哈尔巴赫磁极阵列构型(无背铁)的气隙磁场磁力线分布。从图1和图3可以看出，两种halbach磁极阵列构型均有具有增强一侧磁场，削弱另一侧磁场的功能，还可以看出新型halbach阵列不加装背铁，磁屏蔽效果就很好，其原因在于特殊的形状与充磁方向配合，使磁力线方向在阵列内发生改变，无需借助阵列外部范围的背铁。
30.图4示出传统矩形halbach磁极阵列构型(无背铁)和本实施例的新型类哈尔巴赫磁极阵列构型(无背铁)的自屏蔽磁场对比。因为磁极阵列是周期性的，取一个周期内的漏磁进行验证。从图4可以看出，新型类哈尔巴赫磁极阵列构型和传统矩形halbach磁极阵列构型的厚度极距均相同，对具有磁屏蔽侧的空气区域磁通密度进行对比，求解路径为漏磁侧，从中可以看出新型类哈尔巴赫磁极阵列构型的屏蔽侧漏磁大约100mt，而无背铁的halbach磁屏蔽侧漏磁达350mt，远大于本实施例的新型类哈尔巴赫磁极阵列构型。因此，本实施例的新型类哈尔巴赫磁极阵列构型能够有效降低背铁厚度。
31.图5示出传统矩形halbach磁极阵列构型(有背铁)和本实施例的新型类哈尔巴赫磁极阵列构型(无背铁)的磁场强度对比。因为磁极阵列是周期性的，只有切向的磁场产生有效输出力，取一个周期内的磁场切线强度进行验证。新型类哈尔巴赫磁极阵列构型和传统矩形halbach磁极阵列构型的厚度极距均相同，从图5可以看出，本实施例的新型类哈尔巴赫磁极阵列构型的有效磁场强度明显大于有背铁的传统矩形halbach磁极阵列构型，并且本实施例的新型类哈尔巴赫磁极阵列构型去掉了背铁，使得推力密度进一步提升。
32.相同电机尺寸条件下，对有背铁的传统矩形halbach阵列构型和本实施例的新型类哈尔巴赫磁极阵列构型做了对比，得到气隙磁场一个周期内的轴向距离分布波形，并对波形做傅里叶分解。图6示出传统矩形halbach磁极阵列构型(有背铁)和本实施例的新型类哈尔巴赫磁极阵列构型(无背铁)分别应用于双边直线电机时的气隙磁密波形对比；图7示出传统矩形halbach磁极阵列构型(有背铁)和本实施例的新型类哈尔巴赫磁极阵列构型(无背铁)分别应用于双边直线电机时的fft对比。从图6和图7可以看出，传统矩形halbach阵列构型即使加装了背铁，但其气隙磁密值也小于本实施例的新型类哈尔巴赫磁极阵列构型，而本实施例的新型类哈尔巴赫磁极阵列构型能够去掉背铁的结构，以减轻电机的重量。本实施例的新型类哈尔巴赫磁极阵列构型的气隙磁场基波占谐波分量的90.86％；而有背铁的传统矩形halbach阵列构型的气隙磁场基波占谐波分量的82.81％。由于本实施例的新型类哈尔巴赫磁极阵列构型产生的气隙磁场的基波分量明显大于传统矩形halbach阵列构型，并且谐波分量小于传统矩形halbach阵列构型，因此本实施例的新型类哈尔巴赫磁极阵列构型的气隙磁密波形的正弦性更好，并且气隙磁密大于传统矩形halbach阵列构型。但是气隙磁密的谐波分量与输出力波动相关，基波分量才与电机的输出力均值有关，也就是说，基波分量越大电机的推力均值越大，谐波越小推力波动越小，电机输出性能越好。
33.图8示出传统矩形halbach磁极阵列构型(有背铁)和本实施例的新型类哈尔巴赫磁极阵列构型(无背铁)分别应用于双边直线电机时的静态输出力的均值和波动对比。从图8可以看出，本实施例的新型类哈尔巴赫磁极阵列构型的推力均值为49.3794n，推力波动为1.52％。传统矩形halbach磁极阵列构型的推力均值为30.9520，推力波动为16.70％。由此可见，本实施例的新型类哈尔巴赫磁极阵列构型的推力的均值比在相同电机尺寸条件下的传统矩形halbach磁极阵列构型的推力提升了37.32％，推力波动降低了90.90％，本实施例的新型类哈尔巴赫磁极阵列构型具有更大的优势。
34.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
35.尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不退出本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。

技术特征：

1.一种新型类哈尔巴赫磁极阵列构型，由多个磁路闭合的磁极构型单元依次拼接构成，相邻的两个所述磁极构型单元的磁路走势方向相反；其特征在于，所述磁极构型单元包括一个横截面为等腰三角形的第一磁极、两个横截面为直角三角形的第二磁极和两个横截面为矩形的第三磁极，所述第一磁极的腰边侧面与所述第二磁极的斜边侧面拼合，所述第三磁极的直角侧面与所述第二磁极的直角侧面拼合；同一个所述磁极构型单元中，当所述第一磁极的充磁方向为水平向左充磁时，位于所述第一磁极左侧方向的所述第二磁极的充磁方向为斜向左上充磁，位于所述第一磁极左侧方向的所述第三磁极的充磁方向为竖直向上充磁，位于所述第一磁极右侧方向的所述第二磁极的充磁方向为斜向左下充磁，位于所述第一磁极右侧方向的所述第三磁极的充磁方向为竖直向下充磁；当所述第一磁极的充磁方向为水平向右充磁时，位于所述第一磁极左侧方向的所述第二磁极的充磁方向为斜向右下充磁，位于所述第一磁极左侧方向的所述第三磁极的充磁方向为竖直向下充磁，位于所述第一磁极右侧方向的所述第二磁极的充磁方向为斜向右上充磁，位于所述第一磁极右侧方向的所述第三磁极的充磁方向为竖直向上充磁。2.根据权利要求1所述的新型类哈尔巴赫磁极阵列构型，其特征在于，相邻的两个所述磁极构型单元中，位于前一个磁极构型单元右侧的第三磁极与位于后一个磁极构型单元左侧的第三磁极为同一个磁极。3.根据权利要求1所述的新型类哈尔巴赫磁极阵列构型，其特征在于，所述第二磁极的充磁方向平行于所述第二磁极的斜边。4.根据权利要求1所述的新型类哈尔巴赫磁极阵列构型，其特征在于，所述第二磁极的充磁方向与所述第一磁极的充磁方向所形成的夹角为45度。

技术总结

本实用新型公开了一种新型类哈尔巴赫磁极阵列构型，其由多个磁路闭合的磁极构型单元依次拼接构成，相邻的两个磁极构型单元的磁路走势方向相反；磁极构型单元包括一个横截面为等腰三角形的第一磁极、两个横截面为直角三角形的第二磁极和两个横截面为矩形的第三磁极，第一磁极的腰边侧面与第二磁极的斜边侧面拼合，第三磁极的直角侧面与第二磁极的直角侧面拼合；第一磁极的充磁方向包括水平向左充磁和水平向右充磁，第二磁极的充磁方向包括斜向左下充磁、斜向左上充磁、斜向右下充磁和斜向右上充磁，第三磁极的充磁方向包括竖直向上充磁和竖直向下充磁。采用本实用新型，能够解决传统矩形Halbach磁极阵列的结构存在漏磁，单侧增强磁场效果有限的问题。增强磁场效果有限的问题。增强磁场效果有限的问题。