專利名稱：一種利用霍爾巴克磁陣列的永磁發(fā)電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子，特別涉及利用霍爾巴克(Halbach)磁陣列的永磁 發(fā)電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子。
背景技術(shù)：
永磁發(fā)電機(jī)/電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子由于其不需要?jiǎng)?lì)磁電源，不需要碳刷和導(dǎo)流環(huán)，既節(jié)省 了勵(lì)磁的能耗，也減少了維修次數(shù)，及延長(zhǎng)了壽命。因此，在高性能磁體釹鐵硼發(fā)明后，永磁 轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)/電動(dòng)機(jī)獲得越來(lái)越多的應(yīng)用，尤其在對(duì)于輸出波形要求不高的場(chǎng)合，例如風(fēng) 力發(fā)電機(jī)，更被普遍采用?；魻柊涂舜抨嚵惺嵌兰o(jì)八十年代在美國(guó)勞倫斯利弗莫國(guó)家實(shí)驗(yàn)室工作的物 理學(xué)家霍爾巴克(Klaus Halbach)發(fā)明的。當(dāng)時(shí)霍爾巴克是將其用來(lái)聚焦加速器中的粒子 束。霍爾巴克磁陣列由永久磁體組成，其顯著特性是磁陣列的一面的磁通密度得到了加強(qiáng) (幾乎是原來(lái)的兩倍)，而另一面幾乎抵消為零。如圖1中的磁陣列，其上平面的磁通得到 加強(qiáng)，而下平面的磁通幾乎為零。一般的永磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，其永磁體的極性為交替排列。因此，相鄰磁體之間漏磁較 大，降低了磁體的利用率。用霍爾巴克磁陣列則可增加磁動(dòng)勢(shì)，大幅度減少漏磁，增加有用 的主磁通，從而增加發(fā)電量；為減少磁阻，一般永磁轉(zhuǎn)子的永磁體是裝在鐵質(zhì)磁軛上的，因 磁軛導(dǎo)電，會(huì)產(chǎn)生渦流，使磁軛發(fā)熱，從而使附在其上的磁體升溫，使磁體性能變壞。而采用 霍爾巴克(Halbach)磁陣列則不需要磁軛，不但不會(huì)使轉(zhuǎn)子發(fā)熱，而且減輕了轉(zhuǎn)子的重量 和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。目前，有關(guān)用霍爾巴克磁陣列作轉(zhuǎn)子的美國(guó)專利有兩件.(1)專利號(hào)5705902，名 稱為 Halbach array DC motor/generator ； (2)專利號(hào) 6906446，專利名稱為 Halbach array generator/motor havingMechanicalIy regulated output and mechanically power output。中國(guó)國(guó)內(nèi)未見(jiàn)有這方面的專利。這兩例美國(guó)專利都采用外轉(zhuǎn)子形式，即將磁體裝在圓筒轉(zhuǎn)子的內(nèi)壁。美國(guó)5705902 號(hào)專利的特點(diǎn)是在圓筒內(nèi)各磁體磁化的方向是漸變的，從而形成均勻磁場(chǎng)，也就是說(shuō)，其等 效磁極對(duì)數(shù)是一(P = 1)。美國(guó)6906446號(hào)專利利用的是多磁極外轉(zhuǎn)子，外轉(zhuǎn)子的不足之處 是磁體安裝困難，其次外轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)/電動(dòng)機(jī)的定子在內(nèi)部，散熱困難。所以傳統(tǒng)的永磁發(fā) 電機(jī)/電動(dòng)機(jī)以內(nèi)轉(zhuǎn)子居多。本發(fā)明不同于上述兩件美國(guó)專利之處在于將霍爾巴克磁陣列 用于內(nèi)轉(zhuǎn)子上。霍爾巴克內(nèi)轉(zhuǎn)子與霍爾巴克外轉(zhuǎn)子相比，不但前者被使用的范圍更廣泛，而 且有的地方必須使用內(nèi)轉(zhuǎn)子。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種安裝方便，定子散熱 容易，能增加磁通密度，減輕轉(zhuǎn)子重量，減小轉(zhuǎn)子溫升的由永磁體組成霍爾巴克磁陣列的發(fā) 電機(jī)或電動(dòng)機(jī)的內(nèi)轉(zhuǎn)子。
本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明所述的利用霍爾巴克磁陣列的永磁發(fā)電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子， 包括轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)筒和磁體，在內(nèi)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)筒外表面沿圓周密排霍爾巴克磁陣列，形成霍爾巴克 磁陣列組成的內(nèi)轉(zhuǎn)子。由于霍爾巴克磁陣列的某一側(cè)的所有磁力線都在磁陣列內(nèi)部，所以在本發(fā)明所述 的利用霍爾巴克磁陣列的永磁發(fā)電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子部分不需要笨重的導(dǎo)磁的鐵磁性磁軛， 而可以將磁體安裝在任何材料構(gòu)成的柱形轉(zhuǎn)筒上，優(yōu)先選用的是密度小而強(qiáng)度高的材料。所述的利用霍爾巴克磁陣列的永磁發(fā)電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子之轉(zhuǎn)筒為圓柱形。所述的利用霍爾巴克磁陣列的永磁發(fā)電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子之轉(zhuǎn)筒為多棱柱。所述的利用霍爾巴克磁陣列的永磁發(fā)電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子之輻向充磁的磁體的形狀為瓦 形。所述的利用霍爾巴克磁陣列的永磁發(fā)電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子之切向充磁的磁體的形狀為瓦形。所述的利用霍爾巴克磁陣列的永磁發(fā)電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子之輻向充磁的磁體的形狀為能 和多棱柱轉(zhuǎn)筒相配的其中一面為柱面的四棱柱。所述的利用霍爾巴克磁陣列的永磁發(fā)電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子之切向充磁的磁體的形狀為梯 形截面四棱柱。所述的利用霍爾巴克磁陣列的永磁發(fā)電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子之切向充磁的磁體的輻向厚度 與輻向充磁的磁體的輻向厚度之比的范圍為0. 1至1. 0。所述的利用霍爾巴克磁陣列的永磁發(fā)電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子，其特征是所述之切向充磁的 磁體的輻向厚度與輻向充磁的磁體的輻向厚度之比的范圍優(yōu)選為0. 3至1. 0。所述的利用霍爾巴克磁陣列的永磁發(fā)電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子之切向充磁的磁體的弧向?qū)挾?與輻向充磁的磁體的弧向?qū)挾戎鹊姆秶鸀?.1至10. 0。所述的利用霍爾巴克磁陣列的永磁發(fā)電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子之切向充磁的磁體的弧向?qū)挾?與輻向充磁的磁體的弧向?qū)挾戎鹊姆秶鷥?yōu)選為0. 3至3. 0。本發(fā)明所述的利用霍爾巴克磁陣列的永磁發(fā)電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子之磁體用無(wú)磁螺絲(首 選無(wú)磁不銹鋼螺絲)或膠黏劑緊固于轉(zhuǎn)筒上，也可以兩者都用，以增加牢度。同理，利用霍爾巴克磁陣列的永磁發(fā)電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子也可作為永磁電動(dòng)機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子使用。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是由于采用了霍爾巴克磁陣列作為轉(zhuǎn)子，既 減少了傳統(tǒng)永磁轉(zhuǎn)子中相鄰磁體之間的漏磁，也增加了磁動(dòng)勢(shì)，從而增加了主磁通，增加了 發(fā)電機(jī)或電動(dòng)機(jī)的輸出。其次，由于霍爾巴克磁陣列的磁力線在磁陣列內(nèi)部連通，故在本轉(zhuǎn) 子中磁體可以裝在密度低、強(qiáng)度大的材料上，代替笨重的磁軛，這減輕了轉(zhuǎn)子的重量和轉(zhuǎn)動(dòng)
,卜 ·旦
貝里。


圖1是平面霍爾巴克磁陣列。圖中D為磁體寬度，H為磁體高度，L為磁體長(zhǎng)度。 箭頭為磁化方向。其磁力線集中在上平面。圖2是將平面霍爾巴克磁陣列卷在轉(zhuǎn)筒上形成柱狀霍爾巴克內(nèi)轉(zhuǎn)子的立體圖。為 配合轉(zhuǎn)筒圖中已將磁體改為瓦狀。其磁極對(duì)數(shù)為三對(duì)。
圖3是兩種磁體的輻向高度和弧向?qū)挾榷枷嗟鹊幕魻柊涂舜抨嚵袃?nèi)轉(zhuǎn)子的橫截 面圖。磁體為瓦狀，磁極對(duì)數(shù)為六對(duì)。圖4是切向充磁磁體的輻向高度小于輻向充磁磁體的輻向高度的霍爾巴克磁陣 列內(nèi)轉(zhuǎn)子的橫截面圖。其磁體形狀為瓦形。磁極對(duì)數(shù)為5對(duì)。圖5是切向充磁磁體的弧向?qū)挾刃∮诜虺浯糯朋w的弧向?qū)挾鹊幕魻柊涂舜抨?列內(nèi)轉(zhuǎn)子的橫截面圖。磁體形狀為瓦形。磁極對(duì)數(shù)為4對(duì)。圖6是轉(zhuǎn)筒為多棱柱，切向充磁磁體為梯形截面四棱柱，法向充磁磁體截面為柱 面四棱柱的霍爾巴克磁陣列內(nèi)轉(zhuǎn)子的橫截面圖。圖中轉(zhuǎn)軸1，柱形轉(zhuǎn)筒2，輻向充磁的瓦形磁體3，切向充磁的瓦形磁體4，輻向充 磁的柱面四棱柱磁體5，切向充磁的梯形截面四棱柱磁體6，多棱柱轉(zhuǎn)筒7，轉(zhuǎn)子與定子之間 的氣隙8，定子9。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。實(shí)施例1 實(shí)施例1如圖3所示。內(nèi)轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)軸1，柱形轉(zhuǎn)筒2及安裝于轉(zhuǎn)筒上的霍爾巴克磁 陣列組成。圖3中畫有箭頭的是霍爾巴克磁陣列的磁體，其箭頭代表磁化方向。磁陣列中 有兩種磁體，即輻向充磁的磁體3和切向充磁的磁體4。磁極對(duì)數(shù)在本發(fā)明中沒(méi)有限制，實(shí) 施例1中磁極對(duì)數(shù)為6對(duì)(P = 6)。轉(zhuǎn)子外面與轉(zhuǎn)子同軸的是定子9，繞有線圈的定子的結(jié) 構(gòu)與傳統(tǒng)的電機(jī)相同，故未在圖中畫出。定子和轉(zhuǎn)子之間是氣隙8。實(shí)施例1中，切向充磁 的磁體4的弧向?qū)挾群洼椣蚋叨扰c幅向充磁的磁體3的弧向?qū)挾群洼椣蚋叨确謩e相等。用 外力轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子，則在定子的線圈中產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，成為發(fā)電機(jī)；若在定子線圈中通入三相交流 電，則驅(qū)動(dòng)定子旋轉(zhuǎn)，成為同步電動(dòng)機(jī)。實(shí)施例2 實(shí)施例2如圖4所示。內(nèi)轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)軸1，柱狀轉(zhuǎn)筒2和安裝在轉(zhuǎn)筒上的霍爾巴克磁 陣列組成。所不同的是實(shí)施例2中切向充磁的磁體4的輻向高度比輻向充磁磁體3的輻向 高度低。實(shí)施例2中磁極的對(duì)數(shù)為5對(duì)。實(shí)施例3 實(shí)施例3如圖5所示。實(shí)施例3和實(shí)施例1的不同之處在于其切向充磁磁體4的 弧向?qū)挾扰c輻向充磁磁體3的弧向?qū)挾炔坏?。雖然圖中畫的是前者窄于后者，但也可以前 者等于或?qū)捰诤笳?。?shí)施例3中磁極對(duì)數(shù)為4對(duì)。實(shí)施例4 圖6為實(shí)施例4的橫截面圖。它由轉(zhuǎn)軸1，多棱柱轉(zhuǎn)筒7，柱面四棱柱磁體5和梯 形截面四棱柱磁體6構(gòu)成。定子9和轉(zhuǎn)子同軸。轉(zhuǎn)子和定子之間有氣隙8。實(shí)施例4的特 點(diǎn)是轉(zhuǎn)筒為多棱柱而不是圓柱，且可以是不等邊多棱柱。與轉(zhuǎn)筒相匹配，其輻向充磁磁體 的形狀為外側(cè)為與實(shí)施例1相同的柱面，其余三面為平面，構(gòu)成本發(fā)明中所稱的柱面四棱 柱。為節(jié)省磁體材料，實(shí)施例4中切向充磁磁體的截面為梯形。這種結(jié)構(gòu)也有利于磁力線 向氣隙8集中。實(shí)施例4中的磁極對(duì)數(shù)為2對(duì)。除上述事實(shí)例外，在磁體的高度和寬度方面還可以有不同的組合。
權(quán)利要求
一種利用霍爾巴克磁陣列的永磁發(fā)電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子，由轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)筒和磁體組成，其特征是在內(nèi)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)筒外表面沿圓周密排霍爾巴克磁陣列，形成霍爾巴克磁陣列組成的內(nèi)轉(zhuǎn)子。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用霍爾巴克磁陣列的永磁發(fā)電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子，其特征是所述 之轉(zhuǎn)筒為圓柱形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用霍爾巴克磁陣列的永磁發(fā)電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子，其特征是所述 之轉(zhuǎn)筒為多棱柱。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用霍爾巴克磁陣列的永磁發(fā)電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子，其特征是所述 之霍爾巴克磁陣列的輻向充磁的磁體的形狀為瓦形。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用霍爾巴克磁陣列的永磁發(fā)電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子，其特征是所述 之霍爾巴克磁陣列的切向充磁的磁體的形狀為瓦形。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用霍爾巴克磁陣列的永磁發(fā)電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子，其特征是所述 之霍爾巴克磁陣列的輻向充磁的磁體的形狀為能和多棱柱轉(zhuǎn)筒相配的其中一面為柱面的 四棱柱。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用霍爾巴克磁陣列的永磁發(fā)電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子，其特征是所述 之霍爾巴克磁陣列的切向充磁的磁體的形狀為梯形截面四棱柱。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用霍爾巴克磁陣列的永磁發(fā)電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子，其特征是所述 之霍爾巴克磁陣列的切向充磁的磁體的輻向厚度與輻向充磁的磁體的輻向厚度之比的范 圍為0. 1至1. 0。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用霍爾巴克磁陣列的永磁發(fā)電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子，其特征是所述 之霍爾巴克磁陣列的切向充磁的磁體的輻向厚度與輻向充磁的磁體的輻向厚度之比的范 圍為0. 3至1. 0。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用霍爾巴克磁陣列的永磁發(fā)電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子，其特征是所述 之霍爾巴克磁陣列的切向充磁的磁體的弧向?qū)挾扰c輻向充磁的磁體的弧向?qū)挾戎鹊姆?圍為0. 1至10. 0。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用霍爾巴克磁陣列的永磁發(fā)電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子之切向充磁的磁 體的弧向?qū)挾扰c輻向充磁的磁體的弧向?qū)挾戎鹊姆秶鸀?. 3至3. 0。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種利用霍爾巴克(Halbach)磁陣列的永磁發(fā)電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子。由轉(zhuǎn)軸(1)、輕質(zhì)高強(qiáng)度材料組成的轉(zhuǎn)筒(2)及裝在其上的霍爾巴克磁陣列磁體(3)、(4)組成。該發(fā)明使永磁發(fā)電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子省去了笨重的且會(huì)產(chǎn)生渦流的磁軛(渦流會(huì)使磁軛及磁體發(fā)熱)，減輕了轉(zhuǎn)子的質(zhì)量。由于轉(zhuǎn)筒圓周上密排了磁體，增加了磁動(dòng)勢(shì)，減少了漏磁，從而增加了發(fā)電機(jī)的輸出功率。本發(fā)明適用于各類永磁發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)，特別適用于大型水力和風(fēng)力發(fā)電機(jī)。
文檔編號(hào)H02K1/27GK101834476SQ20101004264
公開(kāi)日2010年9月15日 申請(qǐng)日期2010年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月5日
發(fā)明者陸美娟 申請(qǐng)人:陸美娟