本发明专利技术公开了基于多边形密铺Halbach外转子磁极构型的驱动器，其通过外层类梯形永磁体、中间层矩形永磁体、内层类梯形永磁体、第一中间层三角形导磁体和第二中间层三角形导磁体构成的转子磁极阵列，并采用哈尔巴赫充磁方式，使得每个定子齿槽内线圈绕组受到的电磁力沿圆周切向形成闭环，从而外转子受到稳定的力矩，实现稳定转动；同时还能够形成磁屏蔽，提高磁钢利用率，确保电机中的气隙磁通密度足够大的同时，增大输出转矩，降低转矩脉动，提高功率密度；此外，本驱动器能够完全去除背铁，达到转子轻量化目的，即能够在降低转子重量的情况下，改善了气隙磁密分布，提升了转矩特性，提升电机动态性能。本发明专利技术还公开了应用该驱动器的电推进装置。电推进装置。电推进装置。
【技术实现步骤摘要】
基于多边形密铺Halbach外转子磁极构型的驱动器及电推进装置
[0001]本专利技术涉及高空电推进
，特别是涉及一种基于多边形密铺Halbach外转子磁极构型的驱动器及电推进装置。
技术介绍
[0002]在高空电推进飞机、电动汽车等电机应用领域，由于供电能源有限、平台体积质量有限，对动力来源电机的效率、体积和质量均提出苛刻要求，而传统电机难以适应高空电推进飞机的复杂工况需求。因此研制具有高功率密度的高空飞行器用电机，对于发掘电机的极限输出能力，解决在特殊场合下电机的应用受限问题，为我国高功率密度电机发展提供技术支撑等方面具有重要的现实意义。
[0003]永磁同步电机作为驱动器的一种，其功率密度高，调速性能好，广泛应用于各种工业领域。国内外研制开发高效、高功率密度永磁同步电动机已有20多年的历史，并逐渐代替异步电机应用在电动汽车、车床、飞轮储能等领域广泛应用。而随着永磁同步电机应用领域越来越广，各种应用场合不仅对电机单项性能的需求越来越高，还要求电机同时具有更好的综合性能。例如机器人高功率密度关节驱动、航空航天等应用场合不仅对电机功率密度提出了更高的要求，还要求电机同时具有低转矩脉动和高输出功率等优良特性。
[0004]永磁同步电机的发展与永磁材料的发展密切相关,随着永磁电机向高效、高速、高功率密度、微型化方向的发展,传统稀土永磁电机也表现出一定的局限性。如高速运转时,转子涡流损耗较大,效率不能保持较高水平；气隙磁密难以满足；转矩脉动相对较大等，从而产生振动噪声。
[0005]常规的永磁同步电机,比如：表贴结构，气隙磁场一般取1.0T左右，为实现高功率密度，很多采用高速和高电磁负荷设计，易造成电机温升过高，为电机稳定运行带来很大威胁。另外，由于高磁通意味着高磁密，在运行中极容易产生低阶数的振动。
[0006]针对高空电推进飞机工作环境的特点，在平流层空域，空气稀薄、白天太阳直射温度高，对电机的散热非常不利，电机的热问题更加突出。如若不能对电机的温升进行准确计算，则电机的可靠性难以保证，直接影响飞行器平台的可靠性和综合效能。电推进系统的体积和质量有限，常规的水冷、风冷等冷却装置由于质量重、体积大无法应用，故需要设计更加先进的散热系统。其次，电机直接驱动螺旋桨产生推力，电机一般为低转速电机，提升低转速电机的功率密度更加困难。高空低雷诺数条件下加大了提升推进效率的难度。
技术实现思路
[0007]本专利技术的目的是：提供一种基于多边形密铺Halbach(哈尔巴赫)外转子磁极构型的驱动器，能够确保电机中的气隙磁通密度足够大的同时，增大输出转矩，降低转矩脉动；还提供一种输出转矩大、转矩脉动小、推进效率高的电推进装置。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术的第一个方面提供了一种基于多边形密铺Halbach外
转子磁极构型的驱动器，包括机壳、定子和转子，所述定子和所述转子自内而外依次同轴套装在所述机壳内，所述转子能相对所述定子绕轴线转动，所述定子包括定子铁芯和线圈绕组，所述定子铁芯的外周均布有多个定子齿槽，所述线圈绕组绕设在所述定子齿槽内，所述转子包括转子磁极阵列，所述转子磁极阵列与所述机壳固定连接，所述转子磁极阵列的整体呈圆环状排布，所述转子磁极阵列与所述机壳固定连接，所述转子磁极阵列与所述定子铁芯之间留有气隙，所述转子磁极阵列包括外层类梯形永磁体、中间层矩形永磁体、内层类梯形永磁体、第一中间层三角形导磁体和第二中间层三角形导磁体；所述外层类梯形永磁体的下底与所述机壳的内表面相靠贴合，所述第一中间层三角形导磁体的下底与所述外层类梯形永磁体的上底相靠贴合，所述第一中间层三角形导磁体的顶角指向轴心，所述内层类梯形永磁体的上底朝向所述机壳的一侧，所述内层类梯形永磁体的下底形成所述转子的圆弧内面，所述第二中间层三角形导磁体的下底与所述外层类梯形永磁体的上底相靠贴合，所述第一中间层三角形导磁体的顶角背离轴心，所述外层类梯形永磁体和所述第一中间层三角形导磁体所形成的第一磁极单元与所述内层类梯形永磁体和所述第二中间层三角形导磁体所形成的第二磁极单元沿所述转子的圆周方向间隔交替布置，所述中间层矩形永磁体设置在相邻的所述第一磁极单元和所述第二磁极单元之间，且所述中间层矩形永磁体的第一侧面与所述第一磁极单元的侧面相靠贴合，所述中间层矩形永磁体的第二侧面与所述第一磁极单元的侧面相靠贴合；所述外层类梯形永磁体的充磁方向指向轴线或背向轴线，且相邻的两个所述外层类梯形永磁体的充磁方向相反；所述内层类梯形永磁体的充磁方向平行于所述内层类梯形永磁体的底边，且相邻的两个所述内层类梯形永磁体的充磁方向相反；所述中间层矩形永磁体的充磁方向垂直于所述中间层矩形永磁体与所述外层类梯形永磁体或所述内层类梯形永磁体相靠的侧面，且在同一闭合磁路上的相邻两个所述中间层矩形永磁体中，其中一个中间层矩形永磁体的充磁方向由充磁方向为背离轴心的内层类梯形永磁体指向外层类梯形永磁体，另一个中间层矩形永磁体的充磁方向由外层类梯形永磁体指向充磁方向为指向轴心的内层类梯形永磁体；相邻的两个所述定子齿槽内的线圈绕组的通电方向相反。
[0009]作为上述驱动器的优选方案，每一所述定子齿槽内至少设有两个所述线圈绕组，同一所述定子齿槽内的各组线圈绕组的通电方向相同。
[0010]作为上述驱动器的优选方案，所述第一中间层三角形导磁体和第二中间层三角形导磁体均为软磁材料。
[0011]作为上述驱动器的优选方案，所述定子齿槽为等槽宽的凹槽。
[0012]作为上述驱动器的优选方案，所述第一磁极单元和所述第二磁极单元均设有16个，所述定子齿槽设有18个。
[0013]实施本专利技术提供的一种基于多边形密铺Halbach外转子磁极构型的驱动器，与现有技术相比，其有益效果在于：
[0014](1)本专利技术的驱动器对转子磁场进行优化，通过外层类梯形永磁体、中间层矩形永磁体、内层类梯形永磁体、第一中间层三角形导磁体和第二中间层三角形导磁体构成的转子磁极阵列，并采用哈尔巴赫充磁方式，使得每个定子齿槽内线圈绕组受到的电磁力沿圆周切向形成闭环，从而外转子受到稳定的力矩，实现稳定转动；同时，利用哈尔巴赫充磁方式，能够形成磁屏蔽，提高磁钢利用率，确保电机中的气隙磁通密度足够大的同时，增大输
出转矩，降低转矩脉动，提高功率密度；此外，本驱动器能够完全去除背铁，达到转子轻量化目的，即能够在降低转子重量的情况下，改善了气隙磁密分布，提升了转矩特性，提升电机动态性能。
[0015](2)与在先申请的专利技术专利(专利号：ZL 202110253188.0)相比，本专利技术的驱动器将两种三角形磁钢分别减少为原来的1/2和1/4，转矩增加了1.16％，转矩脉动降低了13％，同时磁钢用量减少39％，大大降低了成本；此外，完全去除背铁后，能够保证转矩基本不变甚至略有增加的情况下的转矩脉动与有背铁相比降低32.7％。
[0016]另外，本专利技术的第二个方面提供了一种电推进装置，其包括支座、固定轴、后端盖、轴承、螺旋桨以及上面各项内容所述的基于多边形密铺Halba本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于多边形密铺Halbach外转子磁极构型的驱动器，包括机壳、定子和转子，所述定子和所述转子自内而外依次同轴套装在所述机壳内，所述转子能相对所述定子绕轴线转动，所述定子包括定子铁芯和线圈绕组，所述定子铁芯的外周均布有多个定子齿槽，所述线圈绕组绕设在所述定子齿槽内，所述转子包括转子磁极阵列，所述转子磁极阵列与所述机壳固定连接，所述转子磁极阵列的整体呈圆环状排布，所述转子磁极阵列与所述机壳固定连接，所述转子磁极阵列与所述定子铁芯之间留有气隙，其特征在于：所述转子磁极阵列包括外层类梯形永磁体、中间层矩形永磁体、内层类梯形永磁体、第一中间层三角形导磁体和第二中间层三角形导磁体；所述外层类梯形永磁体的下底与所述机壳的内表面相靠贴合，所述第一中间层三角形导磁体的下底与所述外层类梯形永磁体的上底相靠贴合，所述第一中间层三角形导磁体的顶角指向轴心，所述内层类梯形永磁体的上底朝向所述机壳的一侧，所述内层类梯形永磁体的下底形成所述转子的圆弧内面，所述第二中间层三角形导磁体的下底与所述外层类梯形永磁体的上底相靠贴合，所述第一中间层三角形导磁体的顶角背离轴心，所述外层类梯形永磁体和所述第一中间层三角形导磁体所形成的第一磁极单元与所述内层类梯形永磁体和所述第二中间层三角形导磁体所形成的第二磁极单元沿所述转子的圆周方向间隔交替布置，所述中间层矩形永磁体设置在相邻的所述第一磁极单元和所述第二磁极单元之间，且所述中间层矩形永磁体的第一侧面与所述第一磁极单元的侧面相靠贴合，所述中间层矩形永磁体的第二侧面与所述第一磁极单元的侧面相靠贴合；所述外层类梯形永磁体的充磁方向指向轴线或背向轴线，且相邻的两个所述外层类梯形永磁体的充磁方向相反；所述内层类梯形永磁体的充磁方向平行于所述内层类梯形永磁体的底边，且相邻的两个所述内层类梯形永磁体的充磁方向相反；所述中间层矩形永磁体的充磁方向垂直于所述中间层矩形永磁体与所述外层类梯形永磁体或所述内层类梯形永磁体相靠的侧面，且在同一闭合磁路上的相邻两个所述中间层矩形永磁体中，其...
【专利技术属性】
技术研发人员：董子薇，严亮，张璐，苏航，
申请(专利权)人：北京航空航天大学宁波创新研究院，
类型：发明
国别省市：
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