无铁心HALBACH阵列对盘式永磁同步电机控制性能的影响

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基于Halbach阵列的永磁直线电机的有限元分析

基于Halbach阵列的永磁直线电机的有限元分析作者：党常亮来源：《科技资讯》2013年第01期摘要：本文介绍了永磁体的一种新型排列方式—Halbach阵列。

将此阵列引入到永磁直线电机的设计中，利用有限元分析软件ANSYS进行了建模和仿真，绘制了磁场分布曲线，电磁力分布曲线以及气隙分布密度曲线等。

关键词：Halbaeh阵列永磁直线电机 ANSYS 有限元中图分类号：TM341 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）01（a）-0003-03直线电机在原理上，与传统的旋转电机完全一样，它能将电能直接转换成直线运动的机械能，并且不需要任何中间转换机制。

随着科学技术的快速发展，直线电机在很多领域中都发挥着越来越重要的作用。

例如：在交通运输业，直线电机被广泛应用于磁悬浮列车中，时速可以达到每小时500 cm；在国防工业中，它可用来制造各种电磁炮，同时在火箭和导弹的发射领域也有着令人期待的应用前景。

永磁直线电机融合了永磁电机和直线电机的双重特点，与一般的直线电机相比，永磁直线电机的力能指标更高，重量更轻，体积更小，并且具有发电制动功能，因而其应用范围也更为广泛[1]。

Halbach 阵列是一种新型永磁体的排列方式，与传统的切向或径向式排列方式相比，有其独有的特点，若将其与永磁直线电机相结合，将会对电机的结构形式、工作原理及性能指标等产生重要的影响[2]。

本文利用有限元分析软件ANSYS对Halbach永磁直线电机进行了数值分析，得到磁场分布，电磁力分布，磁场强度分布等等，并对结果进行了比较和后处理。

1 Halbach电机的工作原理和特点1979年8月，美国伯克利实验室的物理学家K.Halbach发表了一片题为《Design of Permanent Multiple Magnets with Oriented Rare Earth Cobalt Material》的论文。

在这篇论文中，针对永磁体的构造，他提出了一种新颖的设计方法，即利用永久磁铁的分布来形成正弦磁场（见图1）。

新型外转子Halbach永磁阵列定子无铁心电机设计与分析

新型外转子Halbach永磁阵列定子无铁心电机设计与分析南京航空航天大学江苏省新能源发电与电能变换重点实验室的研究人员耿伟伟、张卓然，在2015年第14期《电工技术学报》上撰文，具有气隙磁密正弦、磁密高等优点的halbach阵列永磁外转子电机应用于飞轮储能系统的电动/发电机可以有效提升系统集成度，简化系统结构，提高系统功率密度。

本文研究分析新型外转子halbach永磁阵列定子无铁心电机的转子结构和定子绕组设计方法；通过有限元方法分析了磁场分布和定子绕组损耗；研究定子绕组区域磁场分布变化特征，采用每匝绕组线圈内部导体换位技术有效抑制线圈导体内部之间的环流；最后，通过场路耦合方法分析定子绕组电流对转子永磁体涡流损耗影响。

本文优化设计的200kW外转子halbach永磁阵列定子无铁心电机的机电能量转化效率高达99%以上。

飞轮储能系统是一种将旋转动能加以储存的新型的高效机械储能技术。

电动/发电机是整个飞轮储能系统机电能量转化的核心部件，永磁电机具有结构紧凑、功率密度高等优势从而成为飞轮储能系统电动/发电机的优选技术[1-3]。

但是，飞轮电机需要解决的一个关键技术问题是空载损耗极小，额定效率高，且具有强过载能力；特别是针对飞轮储能系统的电动/发电机转子处于真空室内，转子散热困难的问题，最大限度减小转子涡流损耗也是其主要设计难点。

外转子永磁电机具有结构紧凑节约空间、转动惯量大、高效低噪等优点，适合应用于飞轮储能系统。

国内外学者针对外转子电机的研究主要集中在结构拓扑、电磁特性和优化设计等方面[4~7]。

Halbach 永磁阵列转子具有气隙磁场分布正弦度高从而减小空间谐波带来的转矩脉动、单边磁屏蔽能力有效增大气隙磁场强度等特性[8~10]，有利于实现外转子拓扑结构。

更为重要的是，为了提高飞轮电机的过载能力和最大限度的降低空载损耗，定子无铁心电机消除了高速运行条件下的空载铁心损耗。

韩国学者开发一种飞轮储能无铁心电动/发电机，其结构为径向双转子halbach永磁阵列结构，输出功率为30kW，最高转速达到20000rpm[11~12]。

基于HALBACH阵列的盘式无铁心永磁同步电动机分析与计算

第二章盘式无铁心永磁同步电动机的基本结构为舰船推进用１０９５ＫＷ稀土永磁同步电动机。

磁性材料菲磁性材料（ｂ）ａ）剖面图ｂ）磁极结构图图２—２１０９５ＫＷ永磁同步电动机变频器供电的永磁同步电动机加上转子位置闭坏控制系统构成自同步永磁电动机，既具有电励磁直流电动机的优异调速性能，又实现了无刷化，这在要求高控制精度和高可靠性的场合，如航空、航天、数控机床、加工中心、机器人、电动汽车、计算机外围设备和家用电器等方面都获得了广泛应用。

其中反电动势波形都是矩形波的电动机，通常又称为无刷直流电动机；反电动势波形和供电电流波形都是正弦波的电动机，称为『Ｆ弦波永磁同步电动机，简称永磁同步电动机。

电动汽车是当前汽车发展的新方向，一些发达国家每年均投入大量经费用于研究和开发，其中电机和传动系统是电动汽车的心脏，稀土永磁电机以其体积小、效率高、性能优异而成为各国研制新一代电动汽车的首选方案。

图２３为电第二章盘式无铁，ｔｌ，永磁同步电动机的基本结构图２—１０２块（９０６）、３块（６０。

）和４块（４５。

）Ｈａｌｂａｃｉｎ型永磁体阵判Ｈａｌｂａｃｈ型永磁体阵列按照构成每极的块数的不同可以分成每极２块块（６０。

）和４块（４５。

），几种不同的结构“１。

其示意图如２－１０所示。

表２—１（ａ）基本设计数据设计数据功率，ＷＰ。

，＝２５００转速，ｒ／ｍｉｎｎ＝３７５相数３Ｑ接）输入频率，Ｈｚｆ＝５０定子数（ｍｏｄｕｌｅ）』极对数Ｐ＝８线圈数（３相）２４每相匝数２００线径（ＣｌＩＩ）３×ｌ？２永磁体内径Ｄ．。

（ｃｍ）２Ｄ８永磁体外径Ｄ。

（ｃｍ）３６气隙（ｃｍｌｉ２第三章电机电磁场ＦＥＭ（有限元分析）的基本原理的关系通过有限大的单元关系来近似。

为保证计算的精度，剖分网格的数量要足够的大，尤其是在磁密变化大的区域。

这样在分析的过程中，程序要处理大量的数据，计算要耗费大量的ＣＰＵ时间，而且要求有较高的硬件资源。

图３—７主磁路示意图针对于本设计中的结构，利用Ｈａｌｂａｃｈ型永磁体阵列周期性分布的特点，取其中的一部分来建立实体模型，然后施加周期性的边界条件即可。

Halbach阵列无轴承永磁电机有限元分析

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Halbach阵列无轴承永磁电机有限元分析
作者：朱烧秋陈雷刚李亚伟周令康姜永将
来源：《电机与控制学报》2013年第04期
摘要：针对气隙磁密对无轴承永磁电机可靠性、转矩脉动及径向悬浮力的影响，提出了Halbach阵列永磁转子结构。

从无轴承永磁电机的转子结构出发，对常规面贴式永磁转子和HaIhach阵列永磁转子进行了比较分析，并用Ansoft进行了有限元分析，得出了两种不同转子结构的磁力线分布图及气隙磁密波形，分别对两种转子结构的无轴承永磁电机的径向悬浮力与悬浮力绕组电流的关系进行了对比。

分析结果表明：Halbach阵列应用在无轴承永磁电机中能显著提高气隙磁密及其正弦特性，增大径向悬浮力。

Halbach阵列应用于无轴承永磁电机具有可行性和可靠性。

Halbach列对永磁同步电机的性能影响

一
刷和滑环，具有结构简单、行可靠、运体积小、重量
轻、损耗小，功率密度相对较大等优点，已经被广
泛地应用于各种电动调速系统当中。目前，随着
种新型的Ｈｌｃａａｈ永磁结构，ｂ可极大地改善电
机的各种性能。
Ａｂｔａｔｓｒｃ：Ｍｏｅｎｍｏｏｅｄｉｈｓｅｄ，ｈｇｆｃｅｃ，ｈｇｏｅｅｓｙａｄｌｗｕｓｔｇｔｒｕ，Ｔａｉｄｒｔｒｅｓｈｇｐｅｎｉｈｅｉｎｙｉｈｐｗｒｄｎｉｎｉｔｏｐｌａｉｑｅｒｄ— ｎｏ
０引言
稀土永磁电机由于无需励磁电流，设置电不
是满载，脉动转矩都相对较大，若为减小脉动转矩而采用无槽结构，开环磁场又相对较小，很难满足
实际需要；一些要求较高的伺服系统中其转动在惯量相对较大，难满足快速性要求。本文介绍很
ｔｒｕｅ：ｓｎｓｉａａｄｏｅｓｄｄｆｌ，ｉｈｃｎｃｕｅｈｇｅｉ— ａｌｘａｄｌｗｒｒｔｒｙｋｕｉｕｏｄｎ — ｉｅｅｄｗｈｃａａｓｉｈｒａｒｇｐｆｌｎｉｕｎｏｅｏｏ — ｏｅｆｘ，ｔｅｒｓｌＣｌｈｅｕｔａｎｒｄｃｈｏｕ，ｔｅｐｌａｉｇｔｒｕｄｉｒｖｏｅｅｓｔ，ｅｆｉｎｙｏｅａｅｔｍａ３ｔｔｒｅｕｅｔｅｖｌｍｅｈｕｓｔｑｅａｎｏｎｍｐｏｅｐｗｒｄｎｉｙｆｃｅｃｆｒｎｎｇａｏ．ＲｅｕｔｏｉｐｍｅｍｏｓｓｆｌｅｅｎｎｌｓｓｂｓｄｏｌｍｅｔａａｙｉａｅｎＡＮＳＳｐｏｅｔａｈｅｔｃｕｅｃｎｅｓｒｗｅｅｓｔｈｌｅｕｅｗｅｇｔａｄａｒＹｒｖｔｅｎｗｓｒｔｒａｎｕｓｐｈｔｕｏｒｄｎｉｗｉｒｄｃｉｈｉ— ｙｅｎｇｐｗｄｈｏｅｍｏｏ，ｗｉｈｃｎｉｒｖｔｅｆｒａｃｒａｌ．ａｉｔｆｈｔｒｈｃａｍｐｏｅｉｐｒｍｎｅｇｅｔｔｓｏｙＫｅｒｓｙｗｏｄ：Ｈａｂｃｒａｌａｈａｒｙ；ｐｒｎｎｇｅｔｒｉｎｔｌｍｅｔａａｙｉ；ｅｅｔｉａｈｎｅｉｎｅｍａｅｔｍａｎｔｍｏｏ；ｆｉｅｅｅｎｎｌｓｓｌｃｒｃｍｃｉｅｄｓｇ

基于HALBACH阵列的永磁同步盘式无铁心电机磁钢设计

收稿日期: 2004- 10- 08
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微电机 2005 年第 38 卷第 1 期 (总第 142 期)
2 电机结构及特点
图 2 是一台永磁同步盘式电机的剖面图。为了克服单边磁拉力并减少漏磁, 采用了双转子结构。该电机采用 8 对极, 气隙总长度 6mm (包括双侧气隙以及电枢绕组轴向长度) , 磁钢内径 208mm、外径 360mm。转子部分选用了具有高矫顽力和高剩磁密度的钕铁硼永磁材料。永磁体排列采用 H a lbach 阵列的形式。电机采用外转子结构, 将磁钢直接粘到外壳上, 避免了磁钢和外壳相互运动产生的涡流损耗。定子电枢无槽无铁心, 直接由绕组注塑而成, 可以减少由齿槽效应引起的电磁转矩脉动, 使电机不受磁饱和的影响, 降低了损耗, 增加了效率, 同时电机质量得以减轻。
(1) 不同角度的 H a lbach 型永磁体阵列对气隙磁场的影响
H a lbach 阵列相邻的磁化矢量间存在着夹角, 工程中常被使用的有 45°、60°和 90°。不同的阵列结构对气隙磁场影响很大。下图给出了极弧系数 Αp、磁钢内外径和厚度完全相同, 采用不同角度的 H a l2 banch 阵列时, 气隙磁密的波形。
Ρ 为漏磁系数
在图 2 中, l∆ hM = d 0 (2d ) , 令 Χ= d0 (2d) , 由
式 (8) 可知, 气隙磁密最大值 B ∆ 基本与极弧系数 Αp
无关, 而主要取决于 Χ值的大小。
按照上面的分析, 当相邻的磁化矢量夹角为
60°的时候, 形成的磁场效果最佳。这里, 就以 60°的
0 引言
随着数控机床、工业机器人等高科技产品的兴起, 对伺服电机提出了更高的性能指标和薄型安装结构的要求。因此, 对有诸多优势的永磁同步盘式电动机的研究迅速兴起。文中提出了一种永磁同步盘式无铁心电机, 在阐述 H a lbach 阵列原理的基础上, 通过对该电机气隙磁场的分析, 确定在应用 H a l2 bach 阵列的情况下, 永磁体的最佳结构及尺寸。

Halbach阵列磁悬浮系统稳定性分析与控制

０引言
磁悬浮技术自上世纪６０年代末开始进入快速
ａｐｐｒｏａｃｈｂａｓｅｄｏｎｆｅｅｄｂａｃｋｌｉｎｅａｒｉｚａｔｉｏｎｗａｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄｔｈｅｐｏｌｅｗａｓａｌｌｏｃａｔｅｄｔｏｔｈｅｌｉｎｅａｒｉｚｅｄｓｙｓ－
ｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｉｓａｃｉｒｔｉｃａｌｂａｌａｎｃｅｐｏｉｎｔ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｃｏｎｓｅｑｕｅｎｃｅｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｉｓａｐｐｒｏａｃｈｉｓａｂｌｅｔｏ
ｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｓｙｓｔｅｍｐｒｏｐｅｒｌｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍａｇｌｅｖ；ｓｔａｂｉｌｉｔｙ；ｃｉｔｒｉｃａｌｂａｌａｎｃｅ；ｆｅｅｄｂａｃｋｌｉｎｅａｒｉｚａｔｉｏｎ；ｐｏｌｅｐｌａｃｅｍｅｎｔ
第１７卷
第６期
电机与控制学报
ＥＬＥＣＴＲＩＣＭＡＣＨＩＮＥＳＡＮＤＣＯＮＴＲＯＬ
Ｖ０ｌＩ１７Ｎｏ．６
２０１３年６月
Ｊｕｎｅ２０１３
Ｈａｌｂａｃｈ阵列磁悬浮系统稳定性分析与控制
ｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｅｑｕａｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｍａｇｌｅｖｓｙｓｔｅｍｗａｓｇｅｎｅｒａｔｅｄ，ａｎｄｉｔｓｓｔａｂｉｌｉｔｙｔｈｒｏｕｇｈｂｏｔｈａｎｌｙａｔｉｃａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｎｇａｐｐｒｏａｃｈｅｓｗｉｔｈｔｈｅｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｏｆｎｏｎ－ｌｉｎｅａｒｉｔｙｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ａｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ

Halbach磁极阵列结构在永磁无刷电机的设计应用

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.
参考文献院 [1]刘恩民，程洪飞，李刚，张印东.挖装机在三软煤层掘进中的应用[J].煤炭技术，2020，39（07）：155-156. [2]何洋，周松雨，覃创业.基于 ANSYS/Workbench 挖装机工作机构模态分析[J].煤矿机械，2019，40（01）：172-174. [3]王鹏飞，张静，刁修慧.基于 ADAMS 的挖掘机铲斗机构的优化设计[J].煤矿机械，2016，37（01）：175-177. [4]魏苍栋.ZWY-160/55 型挖装机总体设计研究[D].河北科技大学，2014. [5]史青录.液压挖掘机[M].北京：机械工业出版社，2011. [6]孔德文，赵克利，许宁生，等.液压挖掘机[M].北京：化学工业出版社，2007.
文献标识码院A
文章编号院1674-957X（2021）14-0066-06
0 引言永磁无刷电机的概念最早形成于上世纪 50 年代，在 70 年代左右美国率先完成了该类电机的市场化进程[1]。随着稀土永磁材料的逐步发展，永磁体得到了普遍的应用[2]，这为减小电机体积，进而提高电机整体电磁性能起到了很好的促进作用[3-4]。20 世纪 90 年代，Halbach 结构的磁屏蔽特性被应用到电机领域[5]。此后，国内外许多学者研究了 Halbach 阵列在永磁电机中的应用[6-8]。本文建立了一台永磁无刷力矩电机的二维电磁模型，通过采用 3 段 Halbach 磁极阵列结构对电机进行优化，通过仿真表明，采用 Halbach 磁极阵列结构能够明显提升电机性能，能够增强要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要

新型Halbach_阵列永磁游标电机结构优化设计

第27卷㊀第4期2023年4月㊀电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报Electri c ㊀Machines ㊀and ㊀Control㊀Vol.27No.4Apr.2023㊀㊀㊀㊀㊀㊀新型Halbach 阵列永磁游标电机结构优化设计王秀平,㊀姜胜龙,㊀曲春雨(沈阳工程学院电力学院,辽宁沈阳110136)摘㊀要:为提高永磁游标电机(PMVM )的输出转矩,发挥Halbach 永磁体阵列的聚磁优势,提出转子侧Halbach 阵列永磁体游标电机㊂采用解析分析法和有限元法,对比分析PMVM 和Halbach 永磁体阵列A 型结构永磁游标电机(HPMVMA ),结果显示采用Halbach 永磁体阵列后提高了电机的空载反电势和输出转矩,减少了永磁体用量,但也带来了电机转矩脉动的增加㊂因此,在HPMVMA 调制齿之间加入永磁体,构成新型Halbach 永磁体阵列B 型结构永磁游标电机(HPMVMB ),对HPMVMB 进行了永磁体㊁调制齿㊁定子齿宽等结构参数的优化,经过运行性能和经济指标对比分析,结果表明,与HPMVMA 相比,HPMVMB 永磁体用量增加20%的情况下,永磁体利用率和电机转矩密度分别提高了40.8%和69.01%,而转矩脉动下降了11.74%㊂通过有限元仿真验证了电机理论的有效性,并为游标电机的设计与优化提供了一定思路㊂关键词:永磁游标电机;Halbach 阵列;转矩密度;转矩脉动;结构优化DOI :10.15938/j.emc.2023.04.014中图分类号:TM351文献标志码:A文章编号:1007-449X(2023)04-0140-08㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀收稿日期:2021-11-01基金项目:国家自然科学基金(51777127);辽宁省教育厅科研项目(LJKZ1085);沈阳市科技计划项目(22-322-3-23)作者简介:王秀平(1978 ),男,博士,副教授,研究方向为特种电机及其控制技术;姜胜龙(1996 ),男,硕士,研究方向为新型电机及其控制;曲春雨(1979 ),女,硕士,高级工程师,研究方向为新能源汽车驱动电机及其控制㊂通信作者:姜胜龙Structural optimization design of Halbach array permanentmagnet cursor motorWANG Xiuping,㊀JIANG Shenglong,㊀QU Chunyu(School of Electric Power,Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136,China)Abstract :In order to improve the output torque of permanent magnet vernier motor (PMVM)and givefull play to the advantages of Halbach permanent magnet array,a rotor-side Halbach array permanent magnet vernier motor is proposed.The PMVM and Halbach permanent magnet array A-type PMVM (HPMVMA)were compared and analyzed by analytical method and finite element method.The resultsshow that the no-load back EMF and output torque of the motor are improved,and the amount of perma-nent magnet is reduced,but the torque ripple of the motor is increased.Therefore,Halbach permanent magnet array B-type PMVM (HPMVMB)was constructed by adding permanent magnet between the mod-ulation teeth of HPMVMA.The structural parameters such as permanent magnet,modulation teeth and stator tooth width of HPMVMB were optimized.The operation performance and economic indicators were compared and analyzed.The results show that compared with HPMVMA,when the amount of HPMVMB permanent magnet increases by 20%,the utilization rate of permanent magnet and the torque density of the motor are increased by 40.8%and 69.01%,respectively,and the torque ripple is decreased by 11.74%.The validity of the motor theory is verified by finite element simulation.Keywords:permanent magnet vernier machine;Halbach array;torque density;torque ripple; structure optimization0㊀引㊀言在工业生产和日常生活中,电机被应用到各个领域中[1]㊂游标电机由于其磁齿轮效应能够在低速条件下产生大转矩,引起了国内外学者的关注[2]㊂自游标电机概念提出以来,各种拓扑结构相继被提出,主要分为单齿开口槽结构,多齿分裂极结构㊂近年来,随着国内外学者的关注,游标电机迅速发展,衍生出很多其他类型游标电机并取得应用㊂例如在高精度控制领域,应用微型游标电机于相机调焦系统,在日常生活中作为驱动电机应用于电动汽车,同时游标电机在舰船驱动领域也有所应用㊂表贴式永磁型游标电机(permanent magnet vernier machine,PMVM)由于其结构简单,在低速下能够产生高转矩等优势,适用于直接驱动系统,近年来在汽车电子行业应用广泛[3-5],随着碳达峰,碳中和战略的提出,必然会迫使传统汽车行业发生改革,电动汽车行业将会快速发展,游标电机由于特有的磁场调制原理,在低速条件下能产生较高的转矩,未来有望大范围应用于电动汽车驱动电机㊂德国斯图加特大学Tobias Tymosch教授在文献[6]中提出采用Halbach阵列应用于超导永磁同步电机,Halbach阵列表现出更好的内外磁场强度,且对比发现,采用Halbach阵列后电机功率密度提高了近40%㊂重庆大学杨明磊博士在文献[7]中采用永磁体分块Halbach结构,改进后电机气隙磁感应强度基波幅值明显增大,且谐波得到了有效地削减,电机的电磁性能进一步提高㊂近年来,游标电机和磁通切换电机等调制磁通的电机研究越来越多,为了方便研究分析,要计算电机谐波分量和磁通密度的平均值㊂华中科技大学郭思源博士在文献[8]中基于精确子域模型,以子域分析技术为基础,计算了永磁游标电机的气隙磁场分布,并对电机的输出转矩进行了理论分析㊂三峡大学井立兵教授在文献[9]中采用非均匀的Hal-bach永磁体阵列来提高气隙磁密波形正弦性,削弱谐波对电机电磁性能的影响㊂通过有限元分析发现采用非均匀Halbach永磁体阵列能够有效地提高波形的正弦性㊂韩国浦项科技大学Bonkil Koo教授和朝鲜大学Jaehong Kim教授在文献[10]中研究了正弦磁化Halbach环形磁体的最佳厚度,研究表明,与优化前电机相比,Halbach结构提供了极低的惯性设计和齿槽转矩㊂为了提高Halbach阵列永磁体利用率,中东科技大学Arash Allahyari教授在文献[11]中提出一种常见的方法是在不同方向磁化永磁体段,最简单的做法是使用两种径向和周向磁化的永磁体㊂还有研究证实,永磁体采用Halbach 阵列可增加永磁体的某侧磁通量㊂这会进一步提高电机的反电势和转矩㊂此外,传统PMVM电机中使用带有整数槽的分布绕组,这种长端绕组导致电机结构复杂,同时长端绕组占据了机器体积的很大一部分㊂为了解决这个问题,日本大阪大学K.Okada教授在文献[12]中采用了分数槽集中绕组,研究发现采用分数槽集中绕组有效的降低了电机的铜损耗,同时采用集中绕组降低了端部绕组长度,提升了电机转矩密度㊂国内外学者早已将Halbach永磁体阵列应用在内转子PMVM上,但Halbach永磁体阵列在外转子结构上应用尚未得到充分研究㊂在PMVM基础上本文提出一种新型外转子Halbach永磁游标电机拓扑㊂电机采用分数槽集中绕组,更短的端部绕组长度能够有效地降低电机的铜耗,提高电机的效率㊂转子上具有Halbach永磁体阵列,在定子调制齿之间嵌入永磁体,使来自转子和定子上永磁体的主磁通沿同一方向流动㊂进而提高电机的空载反电势和输出转矩㊂1㊀电机结构对比PMVM结构示意图如图1所示,电机采用外转子结构,定子上有三相分数槽集中星形绕组,用于旋转2个磁极的磁场,每个定子有3个调制齿㊂为提高电机的负载转矩,提出了Halbach阵列A型PMVM(Halbach permanent magnet vernier ma-chine A,HPMVMA)和Halbach阵列B型PMVM (Halbach permanent magnet vernier machine B,HPM-VMB)两种不同的拓扑结构,如图2和图3所示㊂141第4期王秀平等:新型Halbach阵列永磁游标电机结构优化设计图1㊀PMVM 示意图Fig.1㊀Schematic diagram ofPMVM图2㊀HPMVMA 示意图Fig.2㊀Schematic diagram ofHPMVMA图3㊀HPMVMB 示意图Fig.3㊀Schematic diagram of HPMVMB图2和图3可以看作是由PMVM 演变而来,HPMVM 采用半数磁极相同的Halbach 阵列永磁体㊂永磁体用量减少既降低了电机的成本,又减少磁极间内部漏磁㊂为了提供一个公平合理的比较,所有电机的关键参数,即内外径,轴向长度和气隙长度设置均相等㊂新提出的结构HPMVMB 与HPMVMA 相比,除了定子调制齿之间存在永磁体之外,其他参数均相同㊂2㊀电机运行原理PMVM 的磁场分布空间谐波极对数为P r =Z -P s ㊂(1)式中:Z 是调制齿的数量;P r 是转子永磁体极对数;P s 是电枢绕组极对数㊂永磁游标电机都遵循相同的工作原理,即所谓的磁齿轮传动效应㊂低速永磁极对于小的运动可以产生较大的磁通变化,进而与高速旋转的电枢磁场相互作用㊂因此,永磁游标电机可以看成是永磁电机和磁性齿轮箱的一种集成,运行速度n 由以下因素控制:n =60f P r㊂(2)式中f 是电机频率㊂电机的转速比G r 为G r =mP s +kZmP s㊂(3)其中:m =1,3, ;k =0,ʃ1,ʃ2, ㊂在这种设计中,选择m =1,k =-1组合,因为这种组合产生的谐波次数相对较小,幅值较大[13]㊂电机定子有9个槽,由6极(P s =3)的三相绕组占据,每个定子上有3个调制齿,共有27个调制齿,转子极对数为24㊂由式(3)可得电机的转速比为-8ʒ1,其中负号表示2个旋转场方向相反,即当电枢磁场的速度为1000r /min 时,外转子速度按比例降低到125r /min [14]㊂在传统的永磁体(PM)布置方式下,电机都存在PM 材料利用率低的问题,如图4所示㊂图4㊀普通PMVM 磁通模型Fig.4㊀General PMVM flux model它的PM 只有一部分能够产生有用的磁通量,而其他的PM 只能产生泄漏通量㊂具体来说,只有N 极PM 激发的一些磁通能够通过气隙向定子槽方向移动,而其他一些磁通则是以S 极PMs 作为泄漏短路的㊂另一方面,如图5所示,采用交替极排列的电机相对于其PMVM 电机,可以降低其漏磁通㊂因此,在降低PM 消耗的基础上,后者能够产生相对多的磁通量㊂241电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第27卷㊀图5㊀交替极PMVM磁通模型Fig.5㊀Magnetic flux model of consequent-pole PMVM永磁体产生的磁动势为F PMg(θs,t)=ðh=odd F PMg cos(hP rθs-hωt)㊂(4)式中θs和ω分别代表定子上的机械角和电角速度㊂气隙磁导为Λ(θs)=Λ0+ðh=oddΛh cos(hZθs)㊂(5)气隙磁通密度由式(3)和式(4)计算可得B g(θs,t)=Λ(θs)F PMg(θs,t)㊂(6)空载反电势为e(t)=-d d t(L a R gʏ2π0B g(θs,θr)N(θs)dθs)㊂(7)式中:N(θs)是三相绕组函数;L a是有效轴向长度; R g是定子外径㊂当三相电流通入电枢绕组中,电磁转矩可表示为T e=e A (t)i A(t)+e B(t)i B(t)+e C(t)i C(t)ωm=T avg+T ripple㊂(8)式中:T avg是平均转矩;T ripple是波动转矩;I m是电流幅值㊂在一般情况下,PMVM电机的反电势波形是高度正弦的㊂为了定量分析转矩脉动性能,定义转矩脉动因子为k=T max-T minT avgˑ100%㊂(9) 3㊀电磁特性分析及结构参数优化对PMVM㊁HPMVMA㊁HPMVMB进行对比分析, 3种电机几何参数相同,下面仅给出HPMVMB的基本参数,如表1所示㊂表1㊀HPMVMB参数Table1㊀Parameters of the HPMVMB㊀㊀㊀参数数值频率f/Hz50转速n/(r/min)125转子极对数P r24调制齿数Z127外转子外径R o/mm120外转子内径R i/mm100定子外径R g/mm98.5定子内径R s/mm20线圈匝数N160气隙长度δ/mm 1.5铁心轴向长度L a/mm603.1㊀磁通密度分析空载时电机的磁场密度如图6所示㊂通过对比发现,HPMVMB定子齿处磁通密度的幅值最大为2.54T,且HPMVMB拥有最大的平均磁通密度,这是由于在定子调制齿之间加入永磁体后,来自转子永磁体的主磁通与调制齿间的永磁体主磁通沿同方向共同流动,增强了聚磁效果㊂图6㊀3种结构电机的磁通密度Fig.6㊀Flux density distribution of motors with three structures3.2㊀空载反电势和转矩分析PMVM,HPMVMA和HPMVMB在空载条件下的反电势如图7所示㊂由图7可知,与PMVM相比,HPMVM结构空载反电势幅值更大,这是由于HPMVM采用了Halbach 永磁体阵列使得转子内侧磁场聚磁,电机的气隙磁密增大,进而提高电机的空载反电势,3种结构中HPMVMB反电势幅值最大,PMVM最小㊂负载条件下,加入相同电流10A RMS,电机的输出转矩如图8所示㊂通过比较PMVM和HPMVMA,说明了采用Halbach永磁体阵列后,有效地增加了电机输出转矩的幅值㊂虽然HPMVMA提高了输出341第4期王秀平等:新型Halbach阵列永磁游标电机结构优化设计转矩,但带来了更大的转矩脉动,为了减少转矩脉动,对HPMVMA 结构进行改进,提出了HPMVMB 结构㊂由图7和图8可知,与HPMVMA 相比,HPM-VMB 产生了更大的反电势和输出转矩,输出转矩提高了约1.35倍㊂图7㊀3种结构电机的空载反电势Fig.7㊀No-load back EMF of motors with threestructures图8㊀电机负载转矩对比Fig.8㊀Coparison of motor load Torque由图7㊁图8㊁图9和式(9)可知,即使HPMVMB 产生了更高的齿槽转矩,约为2.29N ㊃m,但与HPMVMA 相比,HPMVMB 引起的转矩脉动却降低了7.86%㊂3种电机的电磁性能数据如表2所示㊂表2㊀3种电机的性能比较Table 2㊀Performance comparison of three motors参数㊀㊀PMVM HPMVMA HPMVMB 反电势幅值/V 24.3452.3965.49平均转矩/(N㊃m)28.9138.0951.32齿槽转矩/(N㊃m)0.18 1.15 2.29转矩脉动/%10.7327.6919.83图9㊀3种结构电机的齿槽转矩Fig.9㊀Cogging torque of three structure motors3.3㊀HPMVMB 结构的优化转子Halbach 永磁体阵列优化分析如图10所示㊂在保证转子永磁体的宽度不变的前提下,对永磁体厚度进行参数化仿真分析㊂永磁体厚度变化范围为1~10mm,转矩的幅值变化曲线,从图10可以看出,电机的输出转矩和永磁体厚度并不呈现正比例关系,从1~10mm 逐渐增大永磁体厚度,电机的转矩也在增大,但永磁体厚度在6~10mm 时,电机的转矩变化不是很明显,考虑到节省永磁体材料成本㊂永磁体最佳厚度宜为6mm,此时电机的转矩约为62.17N㊃m㊂图10㊀永磁体厚度对电机转矩的影响Fig.10㊀Influence of permanent magnet thickness onmotor torqueHPMVMA 和HPMVMB 采用的Halbach 永磁体阵列是由多组三块永磁体按照1ʒ1ʒ1组成,在永磁体厚度确定的前提下,每块永磁体的宽度对电机的转矩的影响如图11所示㊂441电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第27卷㊀图11㊀永磁体宽度对转矩的影响Fig.11㊀Influence of permanent magnet width on torque考虑到电机的输出转矩要求和转子极对数,每块永磁体宽度不宜取得过短或过长㊂逐渐改变永磁体宽度由2.5mm 到4.5mm,电机的转矩随永磁体宽度的增大,先增加后减少㊂当永磁体宽度为3.5mm 时,电机拥有最大转矩,约为58.54N㊃m㊂图12显示了HPMVMB 输出转矩和转矩脉动随调制齿宽度的变化关系㊂图12㊀调制齿宽对转矩和转矩脉动的影响Fig.12㊀Effect of modulation tooth width on torqueand torque ripple由图12可知:当调制齿宽度逐渐增加到11mm 时,电机产生最大转矩约63.28N㊃m,此时转矩脉动为13.67%㊂图13表明了不同定子齿宽对电机性能的影响,逐渐增大定子宽度,电机的输出转矩会逐渐增加,当增加到18mm 左右,电机的输出转矩会达到最大值㊂由转矩脉动曲线可知,当定子宽度为17mm 时电机转矩脉动最小㊂考虑到目的是要通过优化提高电机的输出转矩,且当定子宽为17㊁18mm 时电机的转矩脉动相差并未很大,最佳的定子宽度宜取18mm㊂图13㊀定子宽度对转矩和转矩脉动的影响Fig.13㊀Influence of stator width on torque andtorque ripple通过对电机的永磁体㊁调制齿㊁定子宽度的优化,得到了优化后的电机结构参数㊂将优化后的参数应用在HPMVMB 结构中进行仿真分析㊂由图14可知,优化后电机的转矩和转矩脉动要优于优化前的结果㊂优化后的电机转矩提升了18%,转矩脉动降低了15.5%㊂图14㊀优化前后转矩对比图Fig.14㊀Torque comparison diagram before andafter optimization3.4㊀HPMVMB 带载性能分析图15为电机输出转矩,功率因数随电流的变化关系,由图可知,随着电机负载电流的加大,电机的输出转矩逐渐提高,电机的功率因数随电机电流的541第4期王秀平等:新型Halbach 阵列永磁游标电机结构优化设计增大而降低㊂图15㊀电流对转矩和功率因数的影响Fig.15㊀Influence of current on torque and power factor电机电磁转矩随电流角的变化关系如图16所示,给定电机的电流10A,设定电流角变化范围从-90ʎ到90ʎ,逐渐增大电机的电流角,随着电机电流角的增大,电机的电磁转矩先逐渐增大,后逐渐减小,通过曲线可知,当电机的电流角为10ʎ时,电机的电磁转矩达到最大值㊂图16㊀电流角对转矩的影响Fig.16㊀Effect of current angle on torque为了说明HPMVM 结构能够提高电机的永磁体利用率和转矩密度,通过参考相关文献[21],比较优化后HPMVMB 和PMVM㊁HPMVMA 结构的技术指标和经济指标,具体参数如表3所示㊂通过比较3种电机永磁体的用量,永磁体利用率可知,PMVM 由于采用N-S 结构,永磁体用量最多且由于N-S 结构存在大量外部漏磁,使得永磁体利用率较低,HPMVMB 与HPMVMA 相比,由于调制齿处加入永磁体使得永磁体用量增加,但同时带来了电机输出转矩的提高㊂表3㊀3种电机技术指标,经济指标比较Table 3㊀Comparison of three kinds of motor technical in-dicators and economic indicators参数PMVM HPMVMA HPMVMB 电磁转矩/(N㊃m)28.9138.0964.37转矩脉动/%10.7319.838.09永磁体体积/mm 3148800111600133920永磁体利用率/(N㊃m /mm 3)1.943ˑ10-63.413ˑ10-64.806ˑ10-6转矩密度/(N㊃m /mm 3)1.065ˑ10-51.404ˑ10-52.373ˑ10-5永磁体成本/元421.32315.91379.10在3种结构中,HPMVMA 永磁体成本最低,但该结构永磁体利用率和电机的转矩密度均不高,虽然HPMVMB 结构永磁体成本高一些,与HPMVMA 相比,电机的永磁体利用率和电机的转矩密度均有不小程度的提高,综合经济性和性能分析,HPM-VMB 结构较好㊂4㊀结㊀论为提高永磁游标电机的转矩性能,本文将Hal-bach 永磁体阵列应用到PMVM 电机,提出了两种新型结构HPMVMA 和HPMVMB㊂形成研究结论如下:1)新结构只采用一半相同极性的永磁体,与PMVM 相比,HPMVMA 和HPMVMB 永磁体用量分别减少了25%和10%㊂2)采用理论分析法推导了气隙磁通密度和电磁转矩的表达式,通过有限元分析,对比了3种结构电机的气隙磁场㊁反电势和转矩特性,并对HPM-VMB 进行了永磁体,调制齿宽,定子宽优化㊂优化后的HPMVMB 不仅提高了输出转矩,同时也减小了转矩脉动,提升了运行性能㊂3)对运行性能和经济指标对比分析结果表明,与HPMVMA 相比,优化后HPMVMB 永磁体用量增加20%的情况下,永磁体利用率和电机转矩密度分别提高40.8%和69.01%,转矩脉动下降11.74%㊂参考文献:[1]㊀林鹤云,张洋,阳辉.永磁游标电机的研究现状与最新进展641电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第27卷㊀[J].中国电机工程学报,2016,36(18):5021.LIN Heyun,ZHANG Yang,YANG Hui.Research status and lat-est progress of permanent magnet vernier motor[J].Proceedings of the CSEE,2016,36(18):5021.[2]㊀石玉君,程子活,蹇林旎.两种典型的场调制型永磁电机的对比分析[J].电工技术学报,2021,36(1):120.SHI Yujun,CHENG Zihuo,JIAN Linfan.The comparative analy-sis of two typical field modulated permanent magnet motors[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2021,36(1):120.[3]㊀梁子漪,曲荣海,李大伟,等.一种交替极切向励磁游标永磁电机的分析与设计[J].电工技术学报,2020,35(15):3173.LIANG Ziyi,QU Ronghai,LI Dawei,et al.Analysis and design of an alternating pole tangential excitation vernier permanent mag-net motor[J].Transactions of China Electrotechnical Society, 2020,35(15):3173.[4]㊀鲍晓华,刘佶炜,孙跃,等.低速大转矩永磁直驱电机研究综述与展望[J].电工技术学报,2019,34(6):1148.BAO Xiaohua,LIU Jiwei,SUN Yue,et al.Review and prospect of low speed high torque permanent magnet direct drive motors [J].Transactions of China Electrotechnical Society,2019,34(6): 1148.[5]㊀张进,张秋菊.同极内嵌式永磁游标电机电磁性能分析[J].电机与控制学报,2020,24(4):158.ZHANG Jin,ZHANG Qiuju.Electromagnetic performance analysis of the same pole embedded permanent magnet vernier motor[J].Electric Machines and Control,2020,24(4):158. 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[18]㊀YANG F,XIE Y,CAI W.Themagnetic field analytical calcula-tion in a novel double air-gaps permanent magnet vernier synchro-nous motor[J].IEEE Transactions on Magnetics,2021,57(9):1.[19]㊀YU Z,KONG W,GAN C,et al.Power converter topologies andcontrol strategies for DC-biased vernier reluctance machines[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2020,67(6):4350.[20]㊀LIU X,CHEN H,ZHAO J,et al.Research on the performancesand parameters of interior PMSM used for electric vehicles[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2016,63(6):3533.[21]㊀HUANG J,FU W,NIU S,et parative analysis of differ-ent permanent magnet arrangements in a novel flux modulated e-lectric machine[J].IEEE Access,2021(9):14437.(编辑:刘琳琳)741第4期王秀平等:新型Halbach阵列永磁游标电机结构优化设计。

基于Halbach阵列的永磁直线电机的有限元分析

3科技资讯 S CI EN CE & T EC HNO LO GY I NF OR MA TI ON 高新技术直线电机在原理上,与传统的旋转电机完全一样,它能将电能直接转换成直线运动的机械能,并且不需要任何中间转换机制。

随着科学技术的快速发展,直线电机在很多领域中都发挥着越来越重要的作用。

例如:在交通运输业,直线电机被广泛应用于磁悬浮列车中,时速可以达到每小时500cm;在国防工业中,它可用来制造各种电磁炮,同时在火箭和导弹的发射领域也有着令人期待的应用前景。

永磁直线电机融合了永磁电机和直线电机的双重特点,与一般的直线电机相比,永磁直线电机的力能指标更高,重量更轻,体积更小,并且具有发电制动功能,因而其应用范围也更为广泛[1]。

Halbach 阵列是一种新型永磁体的排列方式,与传统的切向或径向式排列方式相比,有其独有的特点,若将其与永磁直线电机相结合,将会对电机的结构形式、工作原理及性能指标等产生重要的影响[2]。

本文利用有限元分析软件A NS YS 对Halbach永磁直线电机进行了数值分析,得到磁场分布,电磁力分布,磁场强度分布等等,并对结果进行了比较和后处理。

1 Halbach电机的工作原理和特点1979年8月,美国伯克利实验室的物理学家K.Halbach发表了一片题为《Design of Permanent Multiple Magnets with Oriented Rare Earth Cobalt Material》的论文。

在这篇论文中,针对永磁体的构造,他提出了一种新颖的设计方法,即利用永久磁铁的分布来形成正弦磁场(见图1)。

在以后的研究中他不断完善这一理论,从而形成了一种特殊的永磁电机——Halbach电机。

根据电机设计理论,增大磁负荷即提高电机气隙的磁通密度,可以有效地减小电机制造体积,提高工作效率。

对永磁电机而言,增加气隙磁密的方法一般有两种,即尽可能选用剩磁高的永磁材料和改变磁体排列方式。

外转子Halbach阵列永磁电机有限元分析

模块。３．４消防水池水位遥测
设备配置：
列表、历史数据查询等页面。程序设置数据改变命令，当采集数据发生变化时更新界面相关显示内容，对于水压、水位等数据设置专用的非线性表，通过校对可保证数据的准确性。当需要执行联动的条件为真时，执行相应的联动操作。程序采用模块化设计，不同界面执行设
６结束语
隧道管理实际需求的情况下，隧道水消防系统还需要人工干预、监测。隧道水消防系统的建设，可以实现人工远程监测、控制水消防系统，利用人工分析隧道实际运行情况分析对隧道水消防系统实施远程控制，可以避免出现因管道破裂持续供水导致路面积水或结冰造成火灾报警按钮的补充，水消防系统可以及时发现有人在隧道内使用水消防系统灭火。当消防管道内水压快速下降时，水消防软件可以及时提示报警，由值班人员通过视频监控系统等其他监控设施判断现场具体情况，及时启动应急处置预案。（４）水消防系统可以实时监测消防管道温度，及时发现电伴热系统故障，避免出因冬季低温造成的管道冻裂等情况。
用磁性材料为磁路提供通路，以获得较大的气隙磁密，电机重量及转动惯量指标提升受限，

定子无铁心Halbach永磁阵列轴向磁通电机[发明专利]

专利名称：定子无铁心Halbach永磁阵列轴向磁通电机专利类型：发明专利
发明人：张卓然,王勤,施刚,姜涛,耿伟伟
申请号：CN201510691742.8
申请日：20151023
公开号：CN105305749A
公开日：
20160203
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开一种定子无铁心Halbach永磁阵列轴向磁通电机，其具有两个永磁转子，两个转子以永磁体面相对的方式安装在转轴上，转子之间安装一个高分子材料合成的圆环；高分子材料合成的圆环正反两面圆周方向有规律的设置有径向导槽，用于安装采用励磁线的定子绕组线圈；永磁转子由转子导磁背轭和安装在导磁背轭的分段永磁体组成；每对极下安装12块充磁方向各不相同的永磁体，定义第一块永磁体轴向充磁方向为0度，相邻永磁体的充磁方向依次改变30度，从而实现一种Halbach阵列，大幅减小气隙磁密的谐波含量。

本发明定子无铁心轴向磁通电机具有气隙磁密正弦度高，绕组损耗小，定子结构强度高，散热效果好，功率/体积比大等优势。

申请人：南京航空航天大学,江苏交科能源科技发展有限公司
地址：210016 江苏省南京市秦淮区御道街29号
国籍：CN
代理机构：江苏圣典律师事务所
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一种定子无铁心Halbach阵列无轴承永磁同步电机[发明专利]

专利名称：一种定子无铁心Halbach阵列无轴承永磁同步电机专利类型：发明专利
发明人：朱熀秋,沈舒楠,吴明灿,王鑫,刁小燕,潘伟,华逸舟
申请号：CN201911213165.6
申请日：20191202
公开号：CN110971099A
公开日：
20200407
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开一种外转子结构的定子无铁心Halbach阵列无轴承永磁同步电机，外转子和内定子都是圆筒状无凸极结构，外转子的内侧表面上紧密贴有Halbach阵列永磁体，内定子采用非导磁材料制成，内定子的外层紧密绕有悬浮力绕组，悬浮力绕组的外层紧密绕有转矩绕组；转矩绕组为三相互差120°电角度的对称绕组，悬浮力绕组为三相互差120°电角度的对称绕组；Halbach阵列永磁体中的相邻两块永磁体紧密相连；采用定子无铁心结构，在电机高速运行时能大幅度减小铁心损耗和涡流损耗，提升电机的效率，与定子有铁心无轴承永磁电机相比，转子在发生同样的偏心位移时所受的单边磁拉力更小，永磁体易于粘贴在转子上，使得电机结构紧凑、转动惯量大、转子散热方便。

申请人：江苏大学
地址：212013 江苏省镇江市京口区学府路301号
国籍：CN
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Halbach阵列定子无铁芯永磁电动机涡流损耗分析

Halbach阵列定子无铁芯永磁电动机涡流损耗分析何超;邹海荣【摘要】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.【期刊名称】《上海电机学院学报》【年(卷),期】2017(020)005【总页数】5页(P285-289)【关键词】Halbach阵列;永磁电动机;定子无铁芯;涡流损耗【作者】何超;邹海荣【作者单位】上海电机学院电气学院,上海201306;上海电机学院电气学院,上海201306【正文语种】中文【中图分类】TM351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]。

基于Halbach阵列的盘式无铁心永磁同步电机磁钢优化

基于Halbach阵列的盘式无铁心永磁同步电机磁钢优化李桂丹;于海峰;王晓远;张博【期刊名称】《微电机》【年(卷),期】2015(048)002【摘要】对基于90° Halbach阵列的盘式无铁心永磁同步电机的磁钢进行形状优化,以改善电机的气隙磁密波形.分析了电机的结构和空载电磁场,在此基础上采用改变永磁体边缘形状方法将90°Halbach型永磁体阵列优化为内圆型、外圆型和削角型3种,并利用有限元法分析不同永磁体形状对气隙磁密波形的正弦性和基波幅值的影响.分析表明优化后的90°Halbach型盘式无铁心永磁同步电机能够获得和45°Halbach型电机基本相同的气隙磁密,并且在永磁体充磁、加工和安装定位等方面要优于45°Halbach型电机.3种永磁体形状优化中内圆型永磁体的优化效果最佳.【总页数】7页(P1-6,43)【作者】李桂丹;于海峰;王晓远;张博【作者单位】天津大学电气与自动化学院,天津300072;天津大学电气与自动化学院,天津300072;天津大学电气与自动化学院,天津300072;中国石油玉门油田公司方圆物业管理有限责任公司,甘肃酒泉735019【正文语种】中文【中图分类】TM351;TM341【相关文献】1.基于Halbach阵列盘式无铁心永磁同步电机优化设计——楔形气隙结构电机[J], 王晓远;唐任远;杜静娟;赵方;齐利晓2.基于Halbach阵列的多盘式无铁心永磁同步电机设计研究 [J], 王晓远;赵方;杜静娟;齐利晓;唐任远3.基于HALBACH阵列的永磁同步盘式无铁心电机磁钢设计 [J], 王晓远;闫杰;刘艳;丁亚明4.无铁心HALBACH阵列对盘式永磁同步电机控制性能的影响 [J], 王晓远;丁亚明;刘艳;阎杰;宋鹏5.轮毂盘式无铁心永磁同步电机永磁体结构优化 [J], 刘福贵;王彦刚;赵振兴;刘慧敏;高春兰因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

Halbach阵列在直驱、半直驱风力发电机的应用

Halbach阵列在直驱、半直驱风力发电机的应用Halbach阵列是一种特殊的磁场排列方式，可以实现高效的磁场反转，这种磁场排列方式常被应用于直驱、半直驱风力发电机中。

直驱风力发电机的传统结构是由风轮、转子、定子、功率电子装置和控制系统组成。

传统结构中，转子和定子之间需要通过传统的机械传动联轴器实现耦合，机械传动联轴器具有结构复杂、能效低下、容易出现故障等缺点。

而直驱风力发电机采用了Halbach阵列技术，可以实现转子和定子之间的直接耦合，从而避免了传统的机械联轴器的应用。

Halbach阵列在直驱风力发电机中可以实现高效的磁场反转，可以大大提高风力发电的效率。

在传统直驱风力发电机中，由于转子的磁场与定子的磁场不同步，容易出现磁场滞后的情况，影响了风力发电的效率。

而采用Halbach阵列技术可以消除磁场滞后，从而提高风力发电的效率。

半直驱风力发电机在结构上介于传统结构和直驱结构之间。

传统结构中，转子与主轴通过机械传动耦合，而在半直驱风力发电机中，转子与主轴通过万向节耦合。

这种结构可以大大降低机械传动带来的能量损失。

而Halbach阵列在半直驱风力发电机中可以实现转子和定子之间的直接耦合，从而避免了传统的机械联轴器和万向节的应用。

这种结构可以大大提高风力发电的效率。

总之，Halbach阵列在直驱、半直驱风力发电机中的应用可以大大提高风力发电的效率。

在直驱风力发电机中，Halbach阵列可以消除磁场滞后，从而提高风力发电的效率。

在半直驱风力发电机中，Halbach阵列可以实现直接耦合，从而避免传统联轴器和万向节的应用，提高风力发电的效率。

随着科技的发展，Halbach阵列在风力发电领域将会有更广泛的应用。

Halbach阵列是一种特殊的磁场排列方式，可以实现高效的磁场反转，被广泛应用于直驱、半直驱风力发电机中。

这种技术的应用可以提高风力发电效率，以及减少结构设计的复杂度和成本。

以下将从相关数据分析和总结方面对Halbach阵列在直驱、半直驱风力发电机中的应用进行阐述。