Halbach阵列及其在永磁电机设计中的应用.pdf

l à ° ù :1998- 09- 23S E 1 – S Ð  Á ' ù [ " ,59577004`` ! 9 s  ````Halbach”  #   ¥ H È  ! 9 Ï ¥ ‹ ¨王凤翔(沈阳工业大学　辽宁沈阳110023)HalbachArrayanditsApplicationinPMMachineDesignWang Fengxiang(Shenyang Polytechnic University,Liaoning Shenyang 110023)``}K `1 ~`介绍了永磁体的一种新型径向和切向混合排列方式(Halbach 阵列),在永磁电机设计中可用以增加气隙磁通和削弱转子轭部磁通,提高电机力能密度和减小电机体积}1 o M ~`Halbach 阵列　永磁电机　设计Ï m s Ë | :TM351Ó D S M ’ :AÓ c I | :1004- 7018(1999)04- 0022- 03【Abstract】　 A new type of permanent magnetarragement sturcture is introduced, theHalbach array whichis a combination structure of a radial array and tangentialarray. Theair- gap flux can be increased as well as therotoryoke flux is decreased by using Halbach array in the PMmachine design.【Keywords】　Halbach array　PM machine　design1„ `ý近年来,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,永磁电机在国防、工农业生产和家用电器等方面获得越来越广泛的应用。

目前永磁电机正在向着大功率化、高功能化和微型化方向发展,其中高力能密度和高效率是对各类永磁电机设计所提出的共同要求由电机设计原理可知,提高磁负荷即增加电机气隙的磁通密度,可减小电机体积和提高力能密度对于永磁电机而言,增加电机气隙磁通密度的措施一般有两种一种是从磁钢材料上想办法,尽量选用剩余磁通密度较高的永磁材料,然而受材料性能与价格等因素所限,永磁材料的实际可选择余地不大;另一种是从磁钢结构和排列方式上想办法,使进入气隙的磁通密度增强后一种方式常在多极嵌入式切向磁钢结构转子中采用,如图1所示由于沿充磁方向每极磁钢表面积大于沿转子表面气隙面积,进入气隙时磁通因受到挤压故可增加气隙磁通密度然而由图1可看出,该种结构仅适合于极数较多且沿径向磁钢尺寸较长的情况,而难以在转子直径较小的少极数电机中采用m 1`永磁体嵌入式切向结构转子Halbach阵列是一种新型的永磁体排列方式,特别适合于永磁体采用表面式安装的转子结构永磁体采用Halbach阵列排列方式后,不仅可增强电机气隙磁通,而且可减弱转子轭部磁通,对缩小电机体积和提高力能密度十分有利本文将阐述Halbach阵列的工作原理,永磁体几何尺寸及气隙大小对气隙磁通和转子轭部磁通的影响,并分别介绍Halbach阵列在外转子和内转子结构永磁电机设计中的应用实例。

2Halbach”  ¥ ý T ð Ø通常的永磁电机设计,永磁体多采用径向(垂直)或切向(水平)阵列结构,其示意图分别如图2a和图2b所示Halbach阵列是将径向与切向阵列结合在一起的一种新型磁性结构由图2c可看出,径向与切向永磁体阵列的合成(Halbach阵列)使22 ± + È  `1999M » 4ù一边的磁场增强而另一边的磁场减弱对子永磁电机来说,总是希望气隙磁通增加而转子轭部磁通减小m 2`永磁体Halbach阵列示意图Halbach阵列对电机磁场的影响可用两个系数来描述Kgf和K cf分别为采用Halbach阵列与常规设计(外贴式永磁体一般采用径向阵列)相比气隙磁通增加系数和转子轭部磁通减小系数显然,Kgf和K cf的大小与永磁体、气隙及极距等尺寸有关下面将结合分别采用内转子和外转子不同结构、不同功率等级和不同极数的两台永磁电机的设计实例,说明Halbach阵列对电机磁场及电机性能的影响3Halbach”   “  0 ¥ H È  Ï ¥ ‹ ¨置入人体内部的人工心脏血泵驱动电机,由于受体积和重量的严格限制以及工作可靠性的高度要求,需要采用高效率、高力能密度的无位置传感器无刷永磁直流电机。

一台用于人工心脏血泵驱动的采用Halbach阵列四极永磁电机的转子结构及外型尺寸如图3所示电机采用外转子结构, 永磁材料为Ugimax37B1, 其 Br = 1. 27T, H c = 971kA/m,(BH )max= 3.12×105J/m3m 3`四极Halbach 阵列永磁外转子结构图4给出了对于不同永磁体尺寸而保持气隙长度及转子轭厚度不变时,采用有限元磁场分析计算出的电机气隙磁通增强系数K gf和转子轭部磁通减弱系数K cf曲线图中:极弧系数nullp= bm/null,为磁极宽度与极距之比; = hm/!为径向阵列永磁体长与气隙长度之比m 4`Halbach 阵列对电机气隙和转子轭部磁通的影响由图4可看出,当 nullp= 0. 7而 = 5时,采用Halbach阵列后气隙磁通可增加25%,而转子轭部磁通则减小30%气隙磁通的增加将意味着电磁转矩的增大和电机出力的提高如保持电机出力不变则可减小电枢电流和绕组电阻损耗,从而提高电机效率由于转子轭部磁通的减少则可相应减小转子轭部的厚度,这对于减小电机的体积和重量十分有利上述人工心脏血泵驱动电机的原设计,采用了传统的永磁体径向阵列结构,定子采用半闭口槽,气隙为0.75mm。

由于转矩脉动较大,定子铜损耗较大和电机效率较低而难以满足血泵系统的要求新设计中,永磁体采用了新型Ha1bach阵列结构,并对永磁体尺寸和极弧系数进行了优化设计,结果在增大气隙30%(由0.75mm增至1. 0mm)的不利情况下每极气隙磁通增加25%以上同时通过定子槽形、绕组匝数及线规等优化设计,使电机的效率得到了较大提高,并且减小了转矩脉动按照新老设计方案试制的样机性能测试结果对比如图5所示图中所列电机损耗、效率和输入功率是在额定转速(3 000r/min )和额定转矩(0.01Nnullm)下的测试值可以看出,与老样机相比,新样机的效率提高了10%以上,而输入功率则减小了1W这对于依靠病人携带的蓄电池, 由体外通过高频无线传输向体内血泵电机供电的人工心脏系统来说具m 5`血泵电机新老样机性能测试结果比较23Halbach”  #   ¥ H È  ! 9 Ï ¥ ‹ ¨有十分重要的意义4Halbach”   =  0 ¥ H È  Ï ¥ ‹ ¨对于外转子电机,永磁体只要贴在转子轭内表面即可,对永磁体不需要采用另外的固定措施,因而气隙可以选得相对较小,这是外转子永磁电机的优点之一。

上述人工心脏血泵电机之所以采用外转子结构是由于以下两个原因:一是电机的体积很小而且转速不高;二也是主要的原因,该设计采用了血泵的叶片直接安装在电机转子上的泵与电机一体化的无轴承结构,在这种情况下采用外转子结构有其独特的优越性然而外转子结构有其弊端其一是由于转子在电枢之外,当转子直径较大和转速较高时会产生很大的离心力,这将对转子的材质、加工、装配和动平衡等提出了较高的要求;其二,与内转子结构相比,外转子结构的转动惯量较大,电机的起、制动时间较长和动态控制响应速度较慢;其三,电枢在转子内部,可利用有效空间有限,增加了电枢绕组设计的困难基于上述考虑,一般永磁电机多采用内转子结构目前,采用钕铁硼等稀土永磁材料的永磁电机,多采用外贴式内转子结构当电机高速旋转时,为防止永磁体在承受较大离心力下被甩出或损伤,通常需要对永磁体进行绑扎或者在永磁体外面加一非导磁护套,因而电机定转子之间的气隙需要设计得较大气隙增大后由于主磁路磁阻和漏磁系数的增加,从而降低了永磁材料的利用率和电机的力能密度在此情况下采用Ha1bach阵列是增加磁负荷和提高电机力能指标的有效措施下面是一台采用Halbach阵列内转子结构永磁电机的设计实例。

与上述4极输出功率仅为3W的人工心脏血泵电机不同,该例是一台24极额定功率为上百千瓦的大电机对于不同永磁体尺寸而保持气隙长度及转子轭厚度不变时,采用有限元磁场分析计算出的电机气隙磁通增强系数K gf和转子轭部磁通减弱系数Kcf曲线如图6所示与图4对比可以看出,由于结构型式、几何尺寸特别是极数的差异,采用Halbach阵列对于两台电机气隙磁通的增强和转子轭部磁通的减弱作用并不相同看来Halbach阵列对于多极数的永磁电机效果更为显著一些图7给出了采用有限元磁场分析软件ANSYS计算出的径向阵列和Halbach阵列结构永磁电机磁场的等磁位线分布可以看出,采用Halbach阵列后,电机转子轭部磁通明显减少而跨过气隙进入定子的磁通增多m 6`Halbach阵列对多极内转子永磁电机气隙和轭部磁通的影响m 7`Halbach阵列与径向阵列结构永磁电机磁场分布对比5² `‚Halbach阵列是一种将径向与切向阵列结合在一起的永磁体排列方式,它可使磁钢一边的磁场增强而另一边的磁场减弱在永磁电机设计中采用Halbach阵列,可使气隙中的磁通增加而转子轭部磁通减小,最适合采用外贴式永磁体的内转子或外转子结构。

有限元磁场分析与样机实验结果表明,Halbach阵列是提高永磁电机磁负荷与力能密度的一项有效措施,对于大功率的多极永磁电机效果尤为显著• I Ó D1　Tenkorany O, Lang J. A Comparative Analysis of TorquePrediction in Halbach and Conventional Surface - MountedPermanent Magnet SynchronousMotors[J].IEEE/IASAnnualMeeting,1995;657- 6632　Wang Fengxiang,XuLongya.DesignandAnalysisof a PermanentMagnet Motor Integrated with Journal Bearing[J]. IEEE/IASAnnualMeeting,1997;24- 283　王凤翔.一种用于人工心脏的无轴承无刷永磁直流电动机的设计与特性[J].电机与控制学报,1997;(12):203- 207``T € e º :¦ Œ U ,3 ,1938M 3 , q ,p V 3  = ,V Y + ÕÈ  aÈ ï È 0 Ð 9 Ø  e Å / Œ ù î b24 ± + È  `1999M » 4ù。