Halbach阵列定子无铁芯永磁电动机涡流损耗分析

何 超， 邹海荣

(上海电机学院 电气学院，上海 201306)

Halbach阵列定子无铁芯永磁电动机涡流损耗分析

何 超， 邹海荣

(上海电机学院 电气学院，上海 201306)

针对传统永磁电动机质量大、损耗高、气隙磁密低等缺点，研究了一种基于Halbach阵列的定子无铁芯内转子永磁电动机。基于Ansoft有限元分析软件，将Halbach阵列定子无铁芯永磁电动机与传统表贴式内转子永磁电动机作比较，分析了它们的磁力线分布、磁密分布云图、永磁体涡流损耗以及定子铁芯损耗的情况。仿真结果表明，Halbach阵列运用于传统永磁电动机并选用定子无铁芯结构具有可行性。

Halbach阵列； 永磁电动机； 定子无铁芯； 涡流损耗

自工业革命以来，电动机系统在近、现代社会经济发展中扮演着重要的角色。研究表明[1-2]，电动机系统的用电量占我国用电总量的60%，由此可见，电动机的用途之广、节能潜力之大。 随着稀土永磁材料的迅速发展, 特别是钕铁硼永磁材料性能的不断提高和价格的逐渐降低, 推动了结构简单、性能优异的永磁电动机的发展[3-4]。传统永磁电动机采用硅钢片叠压制成铁芯，这就造成了电动机体积大、质量重、损耗高、振动噪声大等问题[5-6]。在电动机自身的损耗中，涡流损耗占据了很重要的部分。国内、外学者已对电动机涡流损耗做了大量研究，其中,将电动机制造成无铁芯电动机，对于消除其定子铁芯的涡流损耗、提高其效率大有益处,可提高其功率密度，降低其振动噪声[7-8]。

Halbach永磁体阵列是将径向和切向充磁的永磁体按照一定的排列方式排布。目前，对于Halbach永磁体阵列的研究，不只局限于单层阵列，国内、外学者对于双层Halbach永磁体阵列也做了大量的研究[9-10]。由于Halbach永磁体阵列特殊的结构特点与优异的性能，其已被广泛应用于高精度伺服电动机、直线电动机、磁悬浮列车、磁轴承、医学等领域[11]。Halbach永磁体阵列特别适合永磁体表贴式电动机的转子结构，永磁体若采用Halbach阵列排列方式，可以显著增强气隙磁密[12-14]。传统永磁电动机多使用内转子结构，相较于外转子电动机，内转子电动机具有运行速度高、转动惯量小、动态响应速度快等特点[15]。

本文针对传统内转子永磁电动机质量重、损耗高、振动噪声大等缺点，研究了一种基于Halbach永磁体阵列的内转子定子无铁芯永磁电动机，并给出了其结构模型。以电动机磁钢的涡流损耗与定子铁芯损耗为主要研究内容，基于Ansoft软件，将本文研究的Halbach永磁体阵列的内转子无铁芯永磁电动机与传统表贴式内转子永磁电动机作比较，分析了两者的磁力线分布、磁密分布云图、永磁体涡流损耗以及定子铁芯损耗。仿真实验验证了Halbach永磁体阵列定子无铁芯内转子永磁电动机的可行性。

1 电动机结构及电磁分析

1.1电动机结构与参数

本文研究的基于Halbach阵列的内转子定子无铁芯永磁电动机的模型如图1所示。Halbach阵列永磁体均匀地固定于电动机转子表面；电枢绕组由环氧树脂浇注而成，固定于定子支架上；定子支架由高强度绝缘不导磁材料制成，转子由硅钢片叠压而成。为减少误差，基于Halbach永磁体阵列的内转子无铁芯永磁电动机与传统表贴式内转子永磁电动机，采用相同的结构参数；两者的差别在于磁钢排布方式不同，其中，Halbach永磁体阵列中切向与径向充磁的永磁体按照一定的规律排列，而传统表贴式永磁体阵列中的径向充磁永磁体采用交替排列方式；且Halbach阵列永磁电动机采用定子无铁芯结构。电动机的具体参数如表1所示。

图1 电动机结构示意图

表1 电动机主要参数

1.2电磁分析

本文基于Ansoft有限元分析软件，在Maxwell二维场中对Halbach永磁体阵列的内转子无铁芯永磁电动机与传统表贴式内转子永磁电动机进行有限元分析。

图2所示为Halbach永磁体阵列与传统表贴式永磁体的磁力线分布图。由图可见，Halbach永磁体阵列外侧磁力线分布明显较其内侧密集，可以近似地实现单边磁场效应；而传统表贴式永磁体的磁力线两侧密度分布较均匀，且其外侧磁力线分布不如Halbach永磁体阵列外侧分布密集。由此可见，若永磁电动机磁钢结构选用Halbach永磁体阵列结构，可以减小转子轭部的厚度；从经济角度考虑，可减小电动机的体积，减轻电动机质量，节省材料，降低成本，具有较好的经济效益。

图3所示为Halbach永磁体阵列与传统表贴式永磁体的磁密云图。由图可见，Halbach阵列永磁体外侧靠近气隙处的磁密值大于传统表贴式永磁体阵列的磁密值，由此表明，Halbach阵列有利于提高气隙磁密。

(a) Halbach永磁体阵列

(b) 传统表贴式永磁体

图22种永磁体排列结构的磁力线分布图

Fig.2 Diagram of distribution of magnetic force lines for two kinds of permanent magnet arrangement structures

(a) Halbach永磁体阵列

(b) 传统表贴式永磁体阵列

图32种永磁体结构的磁密云图

Fig.3 Magnetic flux density of the two kinds of permanent magnet arrangement structures

2 电动机损耗分析

2.1磁钢涡流损耗

对于永磁同步电动机，由于三相绕组中的交变电流不是标准的正弦波，故会在定、转子间的气隙中产生谐波。由于谐波磁场的存在导致转子铁芯和永磁体中产生涡流，造成涡流损耗。

由麦克斯韦方程组，对于二维涡流场，磁钢涡流密度方程为[16]

(1)

可得磁钢的瞬时涡流损耗为[16]

(2)

式中，Je为电流密度；Jez为轴向电流密度；V为涡流切面体积；S为涡流切面面积；l为电动机轴向长度。

基于Ansoft有限元分析软件，对Halbach永磁体阵列的内转子无铁芯永磁电动机与传统表贴式内转子永磁电动机的磁钢涡流损耗进行对比分析。由于永磁体涡流损耗受转速与负载转矩的影响较大，本文在比较两者时，采用相同转速与负载转矩。

图4所示为2种永磁体阵列的磁钢涡流损耗分布云图。由图可见，Halbach阵列磁钢的涡流损耗明显低于传统表贴式永磁体磁钢涡流损耗2个数量级；另外，它们的永磁电动机的磁钢涡流密度并不均匀分布，永磁体表面涡流损耗都较大，这是由于这两种永磁电动机的磁钢均表贴于转子表面，与气隙直接接触部分的涡流损耗较大。

(a) Halbach永磁体阵列

(b) 传统表贴式永磁体阵列

Fig.4 Eddy current loss of the two kinds of permanent magnet arrangement structures

2.2定子铁芯损耗

铁磁性材料在交变的磁场中会被反复磁化，磁畴不停地运动，互相摩擦，产生损耗，这种损耗被称为磁滞损耗。在交变的磁场中，交变的磁通穿过铁磁性材料时，会产生涡流效应，由此产生的损耗即为涡流损耗。对于电动机而言，若铁芯内为交变磁场，则通常将磁滞损耗与涡流损耗统一计算，并统称为铁芯损耗。

单位质量的铁芯损耗为[17]

(3)

式中，P1/50为铁耗系数，其值为每千克硅钢片在磁感应强度Bm=1 T、频率f=50 Hz时产生的损耗；β为频率指数。

当电动机运行在P=20 kW，负载转矩TL=63 N·m，转速r=3 000 r/min工况时，比较Halbach永磁体阵列的内转子无铁芯永磁电动机与传统表贴式内转子永磁电动机的定子铁芯损耗。图5所示为两种电动机定子铁芯损耗随时间变化的曲线图。由图可见，Halbach阵列无铁芯永磁电动机的定子铁芯损耗始终为0，而传统表贴式内转子永磁电动机的定子铁芯损耗最大值约为293 W。由此可见，若电动机定子采用无铁芯结构，不仅可节省大量材料，且可以节约能源。

(a) Halbach阵列永磁电动机

(b) 传统表贴式永磁电动机

Fig.5 Curves of stator core losses varying with time of the two kinds of motors

3 结 语

本文研究了一种基于Halbach阵列的内转子定子无铁芯永磁电动机，基于Ansoft有限元分析软件，比较分析了Halbach阵列定子无铁芯电动机与传统表贴式内转子永磁电动机的磁钢磁力线分布、磁密云图、涡流损耗以及定子铁芯损耗。分析结果表明，Halbach永磁体阵列的内转子定子无铁芯永磁电动机可增强气隙磁密，与传统表贴式永磁电动机相比，磁钢涡流损耗较小；选用定子无铁芯结构可以降低电动机质量及损耗。验证了Halbach阵列运用于传统永磁电动机并选用定子无铁芯结构的可行性，Halbach阵列在永磁无铁芯电动机的应用前景广阔。

[1] 崔工伟,郝卫平.电机系统能效提升的实践及构想 [J].广西节能,2015(1):26-29.

[2] 李绿山,张博利.稀土永磁电机应用现状与发展 [J].机电产品开发与创新，2013,26(3):30-31.

[3] 王文强,王维俊,张欢,等.基于Ansoft的无铁心AFPMS发电机设计及输出特性分析 [J].微电机,2015,48(1):12-15，32.

[4] 郑大伟,朱明刚,郑立允,等.稀土永磁材料在永磁电机中的应用 [J].微特电机,2015,43(4):81-84.

[5] 唐任远.现代永磁电机理论与设计 [M].北京：机械工业出版社,1997.

[6] 王晓远,刘艳,阎杰，等.盘式无铁心永磁同步电动机设计 [J].微电机,2004,37(4):3-5.

[7] 吴梦华,曹永娟,李强.基于粒子群算法的轴向磁场定子无铁芯永磁电机优化设计 [C]// 第33届中国控制会议论文集:F卷.南京：中国自动化学会控制理论专业委员会，2014:8996-9001.

[8] 罗玲,李丹,吕晓威,等.盘式无铁心永磁同步发电机3D电磁场分析 [J].微特电机,2012,40(9):20-22，33.

[9] 寇宝泉，曹海川，李伟力，等.新型双层Halbach永磁阵列的解析分析 [J].电工技术学报，2015,30(10):68-76.

[10] 陈永波，王伟明，燕延，等.双层Halbach永磁阵列磁体优化设计研究 [J].微特电机，2016，44(8)：29-31.

[11] 周赣，黄学良，周勤博，等. Halbach型永磁阵列的应用综述 [J].微特电机，2008，36(8)：52-55.

[12] 王晓远,闫杰,刘艳，等.基于HALBACH阵列的永磁同步盘式无铁心电机磁钢设计 [J].微电机,2005,38,(1):37-40.

[13] GALEA M,PAPINI L，ZHANG He，et al. Demagnetization analysis for Halbach array configurations in electrical machines [J].IEEE Transactions on Magnetics, 2015,51(9):8107309.

[14] 朱熀秋,陈雷刚,李亚伟,等. Halbach阵列无轴承永磁电机有限元分析 [J].电机与控制学报,2013,17(4):45-49.

[15] 王凤翔. Halbach阵列及其在永磁电机设计中的应用 [J].微特电机,1999,27(4)：22-24.

[16] 陈斯翔.飞轮储能用高速永磁同步电机磁钢涡流损耗研究 [D].重庆：重庆大学，2011：17-18.

[17] 黄旭珍.高功率密度永磁电机的损耗及温升特性的研究 [D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2008：10-24.

Analysis of Eddy Current Loss for Stator of Permanent Magnet Motor Without Iron Core Based on Halbach Array

HEChao，ZOUHairong

(School of Electrical Engineering, Shanghai Dianji University， Shanghai 201306, China)

Traditional permanent magnet motors have disadvantages such as heavy weight, high loss and low air-gap flux density. To solve the problem, this paper studies a kind of permanent magnet motor based on the Halbach array and a stator without iron core. Using the Ansoft finite element analysis software, the coreless permanent magnet motor with a Halbach array stator is compared with a traditional surface mounted permanent magnet internal rotor motor. Their magnetic line distribution, magnetic density distribution nephogram, permanent magnet eddy current loss and stator core loss are analyzed. Simulation results show that the Halbach array used in a traditional permanent magnet motor and selection of the stator without iron core structure is feasible.

Halbach array; permanent magnet motor; stator without iron core; eddy current loss

2017 -02 -23

上海市产学研合作项目资助(2015CXY44)

何 超(1991-)，男，硕士生，主要研究方向为特种电机设计，E-mail:510177324@qq.com

2095-0020(2017)05 -0285-05

TM 351

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