專利名稱：一種利用霍爾巴克磁陣列的永磁發電機內轉子的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種發電機的轉子，特別涉及利用霍爾巴克(Halbach)磁陣列的永磁 發電機內轉子。
背景技術：
永磁發電機/電動機轉子由于其不需要勵磁電源，不需要碳刷和導流環，既節省 了勵磁的能耗，也減少了維修次數，及延長了壽命。因此，在高性能磁體釹鐵硼發明后，永磁 轉子發電機/電動機獲得越來越多的應用，尤其在對于輸出波形要求不高的場合，例如風 力發電機，更被普遍采用。霍爾巴克磁陣列是二十世紀八十年代在美國勞倫斯利弗莫國家實驗室工作的物 理學家霍爾巴克(Klaus Halbach)發明的。當時霍爾巴克是將其用來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 (幾乎是原來的兩倍)，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，而下平面的磁通幾乎為零。一般的永磁發電機轉子，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勢，大幅度減少漏磁，增加有用 的主磁通，從而增加發電量；為減少磁阻，一般永磁轉子的永磁體是裝在鐵質磁軛上的，因 磁軛導電，會產生渦流，使磁軛發熱，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，不但不會使轉子發熱，而且減輕了轉子的重量 和轉動慣量。目前，有關用霍爾巴克磁陣列作轉子的美國專利有兩件.(1)專利號5705902，名 稱為 Halbach array DC motor/generator ； (2)專利號 6906446，專利名稱為 Halbach array generator/motor havingMechanicalIy regulated output and mechanically power output。中國國內未見有這方面的專利。這兩例美國專利都采用外轉子形式，即將磁體裝在圓筒轉子的內壁。美國5705902 號專利的特點是在圓筒內各磁體磁化的方向是漸變的，從而形成均勻磁場，也就是說，其等 效磁極對數是一(P = 1)。美國6906446號專利利用的是多磁極外轉子，外轉子的不足之處 是磁體安裝困難，其次外轉子發電機/電動機的定子在內部，散熱困難。所以傳統的永磁發 電機/電動機以內轉子居多。本發明不同于上述兩件美國專利之處在于將霍爾巴克磁陣列 用于內轉子上。霍爾巴克內轉子與霍爾巴克外轉子相比，不但前者被使用的范圍更廣泛，而 且有的地方必須使用內轉子。
發明內容
本發明要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種安裝方便，定子散熱 容易，能增加磁通密度，減輕轉子重量，減小轉子溫升的由永磁體組成霍爾巴克磁陣列的發 電機或電動機的內轉子。
本發明是這樣實現的本發明所述的利用霍爾巴克磁陣列的永磁發電機內轉子， 包括轉軸，轉筒和磁體，在內轉子的轉筒外表面沿圓周密排霍爾巴克磁陣列，形成霍爾巴克 磁陣列組成的內轉子。由于霍爾巴克磁陣列的某一側的所有磁力線都在磁陣列內部，所以在本發明所述 的利用霍爾巴克磁陣列的永磁發電機內轉子的轉子部分不需要笨重的導磁的鐵磁性磁軛， 而可以將磁體安裝在任何材料構成的柱形轉筒上，優先選用的是密度小而強度高的材料。所述的利用霍爾巴克磁陣列的永磁發電機內轉子之轉筒為圓柱形。所述的利用霍爾巴克磁陣列的永磁發電機內轉子之轉筒為多棱柱。所述的利用霍爾巴克磁陣列的永磁發電機內轉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電機內轉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電機內轉子之輻向充磁的磁體的形狀為能 和多棱柱轉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電機內轉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電機內轉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電機內轉子，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選為0. 3至1. 0。所述的利用霍爾巴克磁陣列的永磁發電機內轉子之切向充磁的磁體的弧向寬度 與輻向充磁的磁體的弧向寬度之比的范圍為0.1至10. 0。所述的利用霍爾巴克磁陣列的永磁發電機內轉子之切向充磁的磁體的弧向寬度 與輻向充磁的磁體的弧向寬度之比的范圍優選為0. 3至3. 0。本發明所述的利用霍爾巴克磁陣列的永磁發電機內轉子之磁體用無磁螺絲(首 選無磁不銹鋼螺絲)或膠黏劑緊固于轉筒上，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電機內轉子也可作為永磁電動機內轉子使用。與現有技術相比，本發明的有益效果是由于采用了霍爾巴克磁陣列作為轉子，既 減少了傳統永磁轉子中相鄰磁體之間的漏磁，也增加了磁動勢，從而增加了主磁通，增加了 發電機或電動機的輸出。其次，由于霍爾巴克磁陣列的磁力線在磁陣列內部連通，故在本轉 子中磁體可以裝在密度低、強度大的材料上，代替笨重的磁軛，這減輕了轉子的重量和轉動
,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筒上形成柱狀霍爾巴克內轉子的立體圖。為 配合轉筒圖中已將磁體改為瓦狀。其磁極對數為三對。
圖3是兩種磁體的輻向高度和弧向寬度都相等的霍爾巴克磁陣列內轉子的橫截 面圖。磁體為瓦狀，磁極對數為六對。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 列內轉子的橫截面圖。其磁體形狀為瓦形。磁極對數為5對。圖5是切向充磁磁體的弧向寬度小于幅向充磁磁體的弧向寬度的霍爾巴克磁陣 列內轉子的橫截面圖。磁體形狀為瓦形。磁極對數為4對。圖6是轉筒為多棱柱，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轉子的橫截面圖。圖中轉軸1，柱形轉筒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，多棱柱轉筒7，轉子與定子之間 的氣隙8，定子9。
具體實施例方式下面結合實施例對本發明作進一步的描述。實施例1 實施例1如圖3所示。內轉子由轉軸1，柱形轉筒2及安裝于轉筒上的霍爾巴克磁 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。磁極對數在本發明中沒有限制，實 施例1中磁極對數為6對(P = 6)。轉子外面與轉子同軸的是定子9，繞有線圈的定子的結 構與傳統的電機相同，故未在圖中畫出。定子和轉子之間是氣隙8。實施例1中，切向充磁 的磁體4的弧向寬度和輻向高度與幅向充磁的磁體3的弧向寬度和輻向高度分別相等。用 外力轉動轉子，則在定子的線圈中產生電動勢，成為發電機；若在定子線圈中通入三相交流 電，則驅動定子旋轉，成為同步電動機。實施例2 實施例2如圖4所示。內轉子由轉軸1，柱狀轉筒2和安裝在轉筒上的霍爾巴克磁 陣列組成。所不同的是實施例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。實施例2中磁極的對數為5對。實施例3 實施例3如圖5所示。實施例3和實施例1的不同之處在于其切向充磁磁體4的 弧向寬度與輻向充磁磁體3的弧向寬度不等。雖然圖中畫的是前者窄于后者，但也可以前 者等于或寬于后者。實施例3中磁極對數為4對。實施例4 圖6為實施例4的橫截面圖。它由轉軸1，多棱柱轉筒7，柱面四棱柱磁體5和梯 形截面四棱柱磁體6構成。定子9和轉子同軸。轉子和定子之間有氣隙8。實施例4的特 點是轉筒為多棱柱而不是圓柱，且可以是不等邊多棱柱。與轉筒相匹配，其輻向充磁磁體 的形狀為外側為與實施例1相同的柱面，其余三面為平面，構成本發明中所稱的柱面四棱 柱。為節省磁體材料，實施例4中切向充磁磁體的截面為梯形。這種結構也有利于磁力線 向氣隙8集中。實施例4中的磁極對數為2對。除上述事實例外，在磁體的高度和寬度方面還可以有不同的組合。
權利要求
一種利用霍爾巴克磁陣列的永磁發電機內轉子，由轉軸，轉筒和磁體組成，其特征是在內轉子的轉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轉子。
2.根據權利要求1所述的利用霍爾巴克磁陣列的永磁發電機內轉子，其特征是所述 之轉筒為圓柱形。
3.根據權利要求1所述的利用霍爾巴克磁陣列的永磁發電機內轉子，其特征是所述 之轉筒為多棱柱。
4.根據權利要求1所述的利用霍爾巴克磁陣列的永磁發電機內轉子，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.根據權利要求1所述的利用霍爾巴克磁陣列的永磁發電機內轉子，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.根據權利要求1所述的利用霍爾巴克磁陣列的永磁發電機內轉子，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筒相配的其中一面為柱面的 四棱柱。
7.根據權利要求1所述的利用霍爾巴克磁陣列的永磁發電機內轉子，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.根據權利要求1所述的利用霍爾巴克磁陣列的永磁發電機內轉子，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.根據權利要求1所述的利用霍爾巴克磁陣列的永磁發電機內轉子，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.根據權利要求1所述的利用霍爾巴克磁陣列的永磁發電機內轉子，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寬度與輻向充磁的磁體的弧向寬度之比的范 圍為0. 1至10. 0。
11.根據權利要求1所述的利用霍爾巴克磁陣列的永磁發電機內轉子之切向充磁的磁 體的弧向寬度與輻向充磁的磁體的弧向寬度之比的范圍為0. 3至3. 0。
全文摘要
本發明公開了一種利用霍爾巴克(Halbach)磁陣列的永磁發電機內轉子。由轉軸(1)、輕質高強度材料組成的轉筒(2)及裝在其上的霍爾巴克磁陣列磁體(3)、(4)組成。該發明使永磁發電機內轉子省去了笨重的且會產生渦流的磁軛(渦流會使磁軛及磁體發熱)，減輕了轉子的質量。由于轉筒圓周上密排了磁體，增加了磁動勢，減少了漏磁，從而增加了發電機的輸出功率。本發明適用于各類永磁發電機和電動機，特別適用于大型水力和風力發電機。
文檔編號H02K1/27GK101834476SQ20101004264
公開日2010年9月15日 申請日期2010年1月5日 優先權日2010年1月5日
發明者陸美娟 申請人:陸美娟