Halbach永磁电机与径向结构永磁电机比较

宋国强， 朱立勋

(上海电机学院 电气学院, 上海 200240)

0 引 言

Halbach阵列是美国学者Klaus.Halbach针对永磁体结构提出的一种新颖的磁体排列方式[1，2]。它按照规则的顺序将磁化方向不同的永磁体排列,从而发现永磁体一边的磁场强度明显增加而另一边明显减弱,并可以得到一个非常接近正弦分布的磁场。Halbach永磁体排列具有的这些特性使其得到了广泛关注，并应用于永磁电机领域。

由电机设计的基本原理可知，要想减少电机的制造成本，缩小电机的尺寸，就需提高电机的气隙磁密。提高气隙磁密的方法通常有两种，一种是选择剩余磁密高的磁钢，但受到永磁体性能和价格的限制，该方法不太适用；另一种是通过改变永磁体的性状、位置和排列方式等方法来增加气隙磁密。将Halbach阵列应用于永磁电机设计，可提高永磁电机的气隙磁密，改善气隙磁场分布，从而减少电机体积，提高电机的性能。

本文阐述了Halbach阵列的工作原理，并利用有限元分析验证了Halbach阵列的特性。用一台永磁同步电机分别对径向充磁方式和Halbach阵列方式进行了计算。通过对计算结果的对比分析，验证了Halbach永磁电机的优越性。

1 Halbach阵列原理及有限元分析

不同永磁体排列方式的磁场分布如图1所示。图1(a)为两个径向分布的永磁体的磁场分布。图1(b)为一个切向充磁的永磁体的磁场分布，从两图可看出，磁力线分布是以永磁体中心线上下对称分布。如果将这两种永磁体按照图1(c)的形式排列，得到图1(c)所示的合成磁场。从合成磁场的分布可看出，一侧的磁通比另一侧的磁通密集。本文利用Ansoft软件仿真了径向排列永磁体和Halbach阵列的磁场分布，磁场分布分别如图2所示，其磁场分布和理论相一致，验证了Ansoft软件仿真的正确性。

图1 不同永磁体排列方式的磁场分布

图2 不同冲磁方式永磁体磁场分布

2 Halbach永磁电机与径向结构永磁电机比较

Halbach阵列的内转子、外转子合成磁场分别如图3、图4所示，其气隙磁场呈独特分布，为单边磁场，合适的充磁方向能使电机的气隙磁通获得较好的正弦性。采用Halbach阵列的电机在高速运转时，能使铁耗得到很好控制，提高电机的效率和功率密度；且在Halbach电机中，气隙磁场的正弦分布程度较高，谐波含量小，故定、转子结构上无需采用斜槽来削弱谐波磁场的影响，定、转子不需要斜槽。

图3 Halbach阵列的内转子合成磁场

图4 Halbach阵列的外转子合成磁场

2.1 电机主要参数和求解模型

本文采用的电机主要参数： 定子外径120mm,定子内径74mm,单边气隙5mm，极数4，定子槽数24。普通径向结构充磁电机、Halbach永磁电机的计算模型分别如图5、图6所示。

图5 普通径向结构充磁电机的计算模型

图6 Halbach永磁电机的计算模型

2.2 比较分析

径向结构永磁电机、Halbach永磁电机的气隙磁密分布分别如图7、图8所示，横轴代表半个周期内气隙坐标，纵轴代表磁密大小。从图中曲线可看出，普通径向充磁永磁电机的气隙磁密最大值为0.83T，Halbach永磁电机的气隙磁密最大值为1.17T，Halbach永磁电机的最大气隙磁密是普通径向充磁永磁电机的1.4倍。对于相同尺寸的永磁电机，使用Halbach永磁阵列可提高电机的力能密度。对于功率相同的电机，使用Halbach永磁阵列可减小电机的尺寸和重量。对比两曲线可发现，Halbach永磁电机的气隙磁通正弦性较好，谐波分量很少，可以减少电机的振动噪声。

图7 径向结构永磁电机的气隙磁密分布

图8 Halbach永磁电机的气隙磁密分布

径向结构永磁电机和Halbach永磁电机转子轭部的磁密分布分别如图9、图10所示。图中，横轴代表从电机中心到转子外表面的距离，纵轴代表磁密大小。对比两曲线可发现，Halbach永磁电机转子轭部的磁密比普通永磁电机转子轭部磁密小，普通永磁电机为1.65T，而Halbach永磁电机为1.4T，可以减小涡流损耗。

图9 径向结构永磁电机转子轭部的磁密分布

图10 Halbach永磁电机转子轭部的磁密分布

3 结 语

本文首先分析了Halbach阵列的原理，并建立了Halbach永磁阵列仿真模型，通过与普通径向充磁磁体结构进行比较,验证了Halbach磁体阵列结构的优势。然后对比分析了普通径向充磁永磁电机和Halbach永磁电机,发现Halbach具有较高的气隙磁密，气隙磁通的正弦性较好，可提高电机出力,在保持出力不变时则可以减小电枢电流,降低绕阻损耗,提高电机效率。由于轭部磁通的减小可以相应少用或不用轭部,可以减少电机的体积和重量,降低损耗,在相同功率的情况下,电机的力能密度指标提高。

【参考文献】

[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] 赵朝会，张卓然，秦海鸿.混合励磁电机的结构及原理[M].北京： 科学出版社，2010.

[4] 赵朝会，李遂亮，王新威，等.永磁同步电机气隙磁密影响因素的分析[J]. 河南农业大学学报, 2005,39(3)： 338-344.