Halbach磁極陣列結構在永磁無刷電機的設計應用

李梓豪 張曉明

摘要：永磁無刷電機以其優秀的轉矩平穩性、快速響應以及低速大轉矩直驅特性廣泛應用于高精度數控機床、仿真平臺和工礦企業的節能改造當中。在其電磁設計過程中通過采用Halbach磁極陣列可以有效提高永磁直流無刷電機的磁負荷并且降低轉子磁動勢諧波含量，有利于提升電機轉矩密度、降低轉矩脈動和電磁噪聲。本文建立了一臺永磁無刷電機的二維電磁模型，比較了電機采用Halbach結構前后的電磁性能，仿真研究表明電機在采用Halbach結構后，整體電磁性能有所提高，能夠增強仿真轉臺的平穩性，對于實際工程技術應用具有一定的意義。

Abstract： Permanent magnet brushless motor（PMBM） is widely used in high-precision computerized numerical control machine， simulation platform and energy-saving transformation of industrial and mining enterprises due to its excellent torque stability， fast response and low-speed high torque direct drive characteristics. In the electromagnetic design process， the magnetic load of PMBM can be effectively improved， the harmonic content of rotor magnet motive force can be reduced by the Halbach permanent magnet array which is beneficial to increase the motor torque density， reduce torque ripple and electromagnetic noise. In this paper， the two-dimensional electromagnetic model of a PMBM is established， the electromagnetic performance of the motors is compared in details with or without Halbach permanent magnet array. The simulation result shows that the overall electromagnetic performance of the motor is improved after using Halbach structure， which can enhance the stability of the simulator， which has certain significance for practical engineering application.

關鍵詞：永磁無刷力矩電機;Halbach永磁陣列;轉矩脈動;有限元分析

Key words： permanent magnet brushless motor;Halbach permanent magnet array;torque ripple;finite element method

中圖分類號：TM351? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）14-0066-06

0? 引言

永磁無刷電機的概念最早形成于上世紀50年代，在70年代左右美國率先完成了該類電機的市場化進程[1]。隨著稀土永磁材料的逐步發展，永磁體得到了普遍的應用[2]，這為減小電機體積，進而提高電機整體電磁性能起到了很好的促進作用[3-4]。20世紀90年代，Halbach結構的磁屏蔽特性被應用到電機領域[5]。此后，國內外許多學者研究了Halbach陣列在永磁電機中的應用[6-8]。本文建立了一臺永磁無刷力矩電機的二維電磁模型，通過采用3段Halbach磁極陣列結構對電機進行優化，通過仿真表明，采用Halbach磁極陣列結構能夠明顯提升電機性能，能夠增強仿真轉臺的平穩性，具有一定的工程實際意義。

1? Halbach磁體結構及特性

Halbach磁極陣列指每個磁極是由多個按特定充磁方向的永磁體順序排列而成的。圖1（a）為傳統表貼式磁瓦，圖1（b）為三段式Halbach磁極陣列結構，中間的磁極為主極，兩側的磁極稱為輔極，三塊磁極共同構成一極。相比于傳統表貼式磁瓦，電機在采用Halbach磁極陣列后具有明顯的優點，氣隙磁場趨于正弦分布，降低轉子磁動勢諧波含量進而有效降低轉矩脈動和齒槽轉矩。電機氣隙側具有單邊聚磁性能，提高了電機反電勢系數，轉子側能夠大大減少磁飽和程度，因此有效降低電機的體積和重量，提升了轉矩密度和功率密度。

2? 電機設計

2.1 電磁設計

為了更好地研究采用Halbach磁極陣列對電機電磁性能的影響，設計一款5.5kW的永磁同步電機，該電機分別采用全軛磁極排布和Halbach磁極陣列，分別建立了電機2D有限元模型，比較了電機的電磁性能。圖2為電機兩種磁鋼排布方式下的示意圖，電機設計數據詳見表1。

2.2 電磁性能對比

2.2.1 空載反電勢

空載反電勢是電機設計中的重要參數，不同類型的電機空載反電勢的設計值也不盡相同，合理的設計空載反電勢的值，可以降低定子電流，提高電動機效率，降低電動機溫升。在電機電負荷取值保持一致的情況下，采用Halbach技術能夠提高電機每極氣隙磁通量，實現聚磁，如此綜合提高電機性能。圖3和圖4為表貼式電機和采用Halbach后電機空載反電勢情況。得益于Halbach磁極陣列結構的聚磁效果，在保持電機體積和電負荷不變的情況下，電機的空載反電勢值提高了9.5%，同時反電勢正弦度也有明顯改善，這主要是因為電機的轉子磁動勢諧波含量有所降低。

2.2.2 轉矩平穩性與齒槽轉矩

電機的轉矩脈動和齒槽轉矩很大程度是由于轉子磁動勢諧波含量較多引起的，通過合理設計Halbach磁極陣列結構的輔極充磁角度，配合主極磁場可以提高電機氣隙磁場的正弦度，削弱轉子磁動勢諧波含量，可以明顯降低轉矩脈動以及齒槽轉矩。圖5和圖6分別是表貼式電機和Halbach電機轉矩脈動平穩性分析及其齒槽轉矩情況。可見，Halbach電機的轉矩脈動情況和齒槽轉矩明顯優于表貼式電機。

2.2.3 磁場分析

從振動角度上看，轉子磁動勢諧波含量的降低有利于提高電機的徑向氣隙磁密的正弦性，進而降低電機的徑向電磁力密度，達到削弱電機振動情況的目的，圖7和圖8分別是表貼式電機和Halbach電機的徑向氣隙磁密及其諧波分解。可以看出在采用Halbach磁極陣列結構后電機的徑向氣隙磁密正弦性有明顯改善，電機徑向電磁力得到大幅度削減，從而能夠改善電機的振動情況。

3? 結論

本文通過有限元法建立了表貼式電機在采用Halbach磁極陣列結構前后的二維有限元模型，證明了Halbach型電機具有聚磁特性，計算對比了電機的轉矩平穩性和齒槽轉矩以及徑向氣隙磁密，得出以下結論。

相比于傳統的表貼式電機結構，采用Halbach磁極陣列結構可以實現“聚磁”功能，提高電機的功率密度;并且可以改善電機轉矩平穩性并降低齒槽轉矩和電機徑向氣隙磁密正弦度，改善了電機的振動情況，從而增強仿真轉臺的平穩性。

參考文獻：

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[2]唐任遠.現代永磁電機理論與設計[M].北京：機械工業出版社，2016.

[3]梁爽.低速永磁力矩電機轉矩波動測試方法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2013.

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[5]李耕，喬鳴忠，梁京輝，等.Halbach結構永磁電機優化設計[J].電機與控制應用，2012，39（1）：6-10，15.

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[8]寇寶泉，曹海川，李偉力.新型雙層Halbach永磁陣列的解析分析[J].電工技術學報，2015，30（10）：68-76.