Halbach永磁電機與徑向結構永磁電機比較

宋國強， 朱立勛

(上海電機學院 電氣學院, 上海 200240)

0 引 言

Halbach陣列是美國學者Klaus.Halbach針對永磁體結構提出的一種新穎的磁體排列方式[1，2]。它按照規則的順序將磁化方向不同的永磁體排列,從而發現永磁體一邊的磁場強度明顯增加而另一邊明顯減弱,并可以得到一個非常接近正弦分布的磁場。Halbach永磁體排列具有的這些特性使其得到了廣泛關注，并應用于永磁電機領域。

由電機設計的基本原理可知，要想減少電機的制造成本，縮小電機的尺寸，就需提高電機的氣隙磁密。提高氣隙磁密的方法通常有兩種，一種是選擇剩余磁密高的磁鋼，但受到永磁體性能和價格的限制，該方法不太適用；另一種是通過改變永磁體的性狀、位置和排列方式等方法來增加氣隙磁密。將Halbach陣列應用于永磁電機設計，可提高永磁電機的氣隙磁密，改善氣隙磁場分布，從而減少電機體積，提高電機的性能。

本文闡述了Halbach陣列的工作原理，并利用有限元分析驗證了Halbach陣列的特性。用一臺永磁同步電機分別對徑向充磁方式和Halbach陣列方式進行了計算。通過對計算結果的對比分析，驗證了Halbach永磁電機的優越性。

1 Halbach陣列原理及有限元分析

不同永磁體排列方式的磁場分布如圖1所示。圖1(a)為兩個徑向分布的永磁體的磁場分布。圖1(b)為一個切向充磁的永磁體的磁場分布，從兩圖可看出，磁力線分布是以永磁體中心線上下對稱分布。如果將這兩種永磁體按照圖1(c)的形式排列，得到圖1(c)所示的合成磁場。從合成磁場的分布可看出，一側的磁通比另一側的磁通密集。本文利用Ansoft軟件仿真了徑向排列永磁體和Halbach陣列的磁場分布，磁場分布分別如圖2所示，其磁場分布和理論相一致，驗證了Ansoft軟件仿真的正確性。

圖1 不同永磁體排列方式的磁場分布

圖2 不同沖磁方式永磁體磁場分布

2 Halbach永磁電機與徑向結構永磁電機比較

Halbach陣列的內轉子、外轉子合成磁場分別如圖3、圖4所示，其氣隙磁場呈獨特分布，為單邊磁場，合適的充磁方向能使電機的氣隙磁通獲得較好的正弦性。采用Halbach陣列的電機在高速運轉時，能使鐵耗得到很好控制，提高電機的效率和功率密度；且在Halbach電機中，氣隙磁場的正弦分布程度較高，諧波含量小，故定、轉子結構上無需采用斜槽來削弱諧波磁場的影響，定、轉子不需要斜槽。

圖3 Halbach陣列的內轉子合成磁場

圖4 Halbach陣列的外轉子合成磁場

2.1 電機主要參數和求解模型

本文采用的電機主要參數： 定子外徑120mm,定子內徑74mm,單邊氣隙5mm，極數4，定子槽數24。普通徑向結構充磁電機、Halbach永磁電機的計算模型分別如圖5、圖6所示。

圖5 普通徑向結構充磁電機的計算模型

圖6 Halbach永磁電機的計算模型

2.2 比較分析

徑向結構永磁電機、Halbach永磁電機的氣隙磁密分布分別如圖7、圖8所示，橫軸代表半個周期內氣隙坐標，縱軸代表磁密大小。從圖中曲線可看出，普通徑向充磁永磁電機的氣隙磁密最大值為0.83T，Halbach永磁電機的氣隙磁密最大值為1.17T，Halbach永磁電機的最大氣隙磁密是普通徑向充磁永磁電機的1.4倍。對于相同尺寸的永磁電機，使用Halbach永磁陣列可提高電機的力能密度。對于功率相同的電機，使用Halbach永磁陣列可減小電機的尺寸和重量。對比兩曲線可發現，Halbach永磁電機的氣隙磁通正弦性較好，諧波分量很少，可以減少電機的振動噪聲。

圖7 徑向結構永磁電機的氣隙磁密分布

圖8 Halbach永磁電機的氣隙磁密分布

徑向結構永磁電機和Halbach永磁電機轉子軛部的磁密分布分別如圖9、圖10所示。圖中，橫軸代表從電機中心到轉子外表面的距離，縱軸代表磁密大小。對比兩曲線可發現，Halbach永磁電機轉子軛部的磁密比普通永磁電機轉子軛部磁密小，普通永磁電機為1.65T，而Halbach永磁電機為1.4T，可以減小渦流損耗。

圖9 徑向結構永磁電機轉子軛部的磁密分布

圖10 Halbach永磁電機轉子軛部的磁密分布

3 結 語

本文首先分析了Halbach陣列的原理，并建立了Halbach永磁陣列仿真模型，通過與普通徑向充磁磁體結構進行比較,驗證了Halbach磁體陣列結構的優勢。然后對比分析了普通徑向充磁永磁電機和Halbach永磁電機,發現Halbach具有較高的氣隙磁密，氣隙磁通的正弦性較好，可提高電機出力,在保持出力不變時則可以減小電樞電流,降低繞阻損耗,提高電機效率。由于軛部磁通的減小可以相應少用或不用軛部,可以減少電機的體積和重量,降低損耗,在相同功率的情況下,電機的力能密度指標提高。

【參考文獻】

[1] STAWER A M, GUBAREVA N V. Ultrafine powders manufactured with the use of explosive energy[J]. Fizika Goreniiai Vzryva, 1984,20 (5)： 100-103.

[2] CHEN Q, YUN S R. Nano-sized diamond obtained from explosive detonation and its application[J]. Materials Research Bulletin, 2000(3)： 1915-1919.

[3] 趙朝會，張卓然，秦海鴻.混合勵磁電機的結構及原理[M].北京： 科學出版社，2010.

[4] 趙朝會，李遂亮，王新威，等.永磁同步電機氣隙磁密影響因素的分析[J]. 河南農業大學學報, 2005,39(3)： 338-344.