新型外转子Halbach永磁阵列定子无铁心电机设计与分析
电动车用Halbach永磁轮毂电机的分析设计
［ １ ］吴 振 国 ．继 电 保 护 二 次 回 路 问 题 引发 的 故 障 与 防 治 措 施 ［ Ｊ 】 ．企 业技 术开发 ， ２ ０ １ ３ ， ０ ８（ ２ ０ ） ： ８ １ ＋ ８ ４ ．
Ｌｉ ． Ａ ｎ ｅ ｗ ｅｆ ｆｉ ｃｉ ｅｎｔ ｐ ｅ ｒ ｒ ｌ ｌ ａｎ ｅ ｎｔ — ｍａ ｇ ｎ ｅｔ ｖｅ ｒ ｎｉ ｅ ｒ ｍ ａｃ ｈｉ ｎｅ ｆ ｏｒ
参考文献 ： ［ １ ］ 黄苏融． 现 代盘 式 车轮 电机设 计技 术 ［ Ｊ ］ ．电机技 术 ，２ ０ ０ ５ （ ０ ３ ）
１ ７ ５
柬工案 技术
电 力 技 术
涡 磁场 ，从而 形成 一个强 大的保 护流 ，让干扰 电压无 法地道 芯线 ， 从 而保 证 了芯 线的 正常 工作 。该方法 的操 作难 度小 ，使 用 方便 ，是
设 备 操 作 不 当 引起 的 干 扰 ，实 际抗 干 扰 工 作 时 ，还 需 结 合 干 扰
［ ４ ］ Ｃ ｈ ｕ ｎ ｈ ｕ ａ Ｌ ｉ ｕ ，Ｊ ｉ ｎ Ｚ ｈ ｏ ｎ ｇ ，ａ ｎ ｄ Ｋ ．Ｔ ．Ｃ ｈ ａ ｕ ， ” Ａ Ｎ ｏ ｖ ｅ １ Ｆ １ ｔ ｌ Ｘ —
Ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ１ １ ａ ｂ１ ｅ Ｖ ｅｒ ｎｉ ｅｒ Ｐ ｅ ｒ ｍａ ｎ ｅ ｎｔ － Ｍａ ｇ ｎｅ ｔ Ｍａ ｃ ｈｉ ｎ ｅ ．” Ｉ Ｅ Ｅ Ｅ Ｔｒ ａ ｎ ｓ ． Ｍ ａ ｇ ｎ ． ， Ｖ Ｏ１ ． ４７ ， ｎ ｏ ． １ ０ ， Ｐ Ｐ ： ４ ２ ３ ８ — ４ ２ ４１ ， Ｏ ｃｔ ｏ ｂ ｅ ｒ ． ２ ０ １ １ ．
新型永磁外转子电机的设计与分析
新型永磁外转子电机的设计与分析简介永磁外转子电机是一种新型的电机类型，它与传统的永磁内转子电机相比，具有更加优秀的动态特性，转速响应更快、更准确。
除此之外，其结构也更加紧凑，因此具有更加广泛的应用前景。
本文将介绍永磁外转子电机的结构设计和性能分析，并简要介绍其应用领域和发展前景。
永磁外转子电机的结构设计永磁外转子电机的结构相对于传统的永磁内转子电机，最大的不同在于其定子部分是内部，转子部分则成为了外部，同时外部转子的形状也完全不同。
永磁外转子电机主要由两个部分组成，分别为转子和定子。
其中转子由永磁磁铁和轴承支持组成，轴承支持主要起到支撑转子的作用，以确保转子能够平稳旋转。
定子则由线圈和铁芯组成，线圈通过外部设置的电源通电，然后与转子产生电磁作用，驱动转子旋转。
永磁外转子电机的性能优势与传统的永磁内转子电机相比，永磁外转子电机具有以下的性能优势：1.发热量更少永磁外转子电机由于结构更加紧凑，因此空气阻力较小，同时也会产生较少的磁场损耗，从而减少了发热量。
2.效率更高永磁外转子电机的结构使得其转子和定子的距离更近，因此磁阻更小，磁场更强，同时也更加节能。
3.转速响应更快永磁外转子电机具有更快的响应时间，对于需要高速旋转、精密控制的设备非常适合。
应用领域和发展前景永磁外转子电机主要应用于高要求的电机应用领域，特别是在需要高速旋转和精密控制的场合下。
例如，永磁外转子电机对于飞行器、无人机、及医疗等领域均有广泛的应用。
随着科技的进步，永磁外转子电机在未来的发展趋势将会更加广阔，其性能的优秀将会促进其更多的应用。
总结本文简要介绍了永磁外转子电机的结构和性能优势，介绍了其应用领域和发展前景。
仅当有了更好的理解和掌握新型永磁外转子电机的设计和分析，才能促进其在各种领域更加广泛的应用。
分块式halbach型磁钢的永磁同步电机解析
分块式halbach型磁钢的永磁同步电机解析分块式Halbach型磁钢的永磁同步电机是一种新型的电机结构，它采
用了Halbach型磁钢排列方式，通过将磁钢分成若干个块状结构，使得电
机的磁场分布更加均匀，从而提高了电机的效率和性能。
具体来说，分块
式Halbach型磁钢的永磁同步电机由若干个磁钢块组成，每个磁钢块都是
由若干个小磁块组成的。
这些小磁块的磁场方向按照Halbach型磁钢的排
列方式排列，从而形成了一个均匀的磁场分布。
在电机运行时，电流通过
定子线圈产生旋转磁场，这个旋转磁场与永磁体中的磁场相互作用，从而
产生了电机的转矩。
由于分块式Halbach型磁钢的永磁同步电机的磁场分
布更加均匀，因此电机的效率和性能都得到了提高。
此外，分块式
Halbach型磁钢的永磁同步电机还具有结构简单、体积小、重量轻等优点，适用于各种场合的应用。
因此，它在电动汽车、风力发电、机器人等领域
具有广泛的应用前景。
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]。
Halbach磁体结构的外转子永磁电机设计分析优秀doc资料
Halbach磁体结构的外转子永磁电机设计分析优秀doc资料中图分类号:TM351文献标识码:A 文章编号:100126848(20200720035203Halbach 磁体结构的外转子永磁电机设计分析孙秋霞1,王法庆2(1.哈尔滨工业大学电气工程学院,哈尔滨150001;2.山东大学,济南250061摘要:介绍了halbach 磁体结构的优点,给出了基于halbach 磁体结构的外转子永磁电机的基本模型。
通过有限元分析,比较了halbach 磁体结构与普通磁体结构的外转子永磁电机,验证了halbach 磁体结构外转子永磁电机优越性,并提出其作为直接耦合风力发电机的可能性。
关键词:Halbach 磁体结构;外转子;永磁电机;有限元分析;风力发电机;设计Analysis of a H albach Array permanent Motor with External R otorSUN Qiu 2xia 1,WAN G Fa 2qing 2(1.Depart ment of Elect rical Engineering ,Harbia Instit ute of Technology ,Harbin 150001,China ; 2.Shandong U niversity ,Jinan 250061,ChinaABSTRACT :In t his paper ,a number of att ractive feat ures of halbach array is p resented first ,and t hen t he basic model of a halbach array permanent motor wit h external rotor is given.Through t he finite element analysis ,halbach array permanent magnet machine is st udied com 2pared wit h t he normal array one ,validate t he advantage of t he halbach array permanent motor wit h external rotor.Finally ,bring forward t he po ssibility using for Direct coupled permanent magnet wind power generators .KE Y WOR DS :Halbach array ;External rotor ;Permanent motor ;Finite element analysis ;Wind power generation ;Design收稿日期:20202032200引言随着永磁电机向高效、高速、高功率密度、微型化方向的发展,传统稀土永磁电机也表现出一定的局限性。
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。
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
— 37 —
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。
外转子Halbach阵列永磁电机有限元分析
外转子Halbach阵列永磁电机有限元分析总结本文以一台外转子Halbach阵列永磁电机为例，分别对其在空载运行和额定运行工况下的气隙磁场进行了有限元仿真，分析探讨了Halbach阵列的特点，结果表明Halbach阵列的正弦性能好，可以提供较高的气隙磁密，在外转子电机方面具有较好的应用价值。
参考文献[1]R.Krishnan.Permanent magnet synchronous and brushless DC motor drives[M].Boca Raton：CRC Press/T aylor & Francis，2010.[2]Zhu Z Q，Xia Z P，Howe Dparative study of electromagnetic performance of alternative Halbach and conventional radially magnetized permanent magnet brushless motors[C].International Conference on Electrical Machines and Systems，2008，2778-2783.[3]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（04）：22-24.[4]徐衍亮，姚福安，房建成.Halbach磁体结构电动机及其与常规磁体结构电动机的比较研究[J].电工技术学报，2004，19（02）：79-82.作者简介吴哲（1992-），男，大学本科学历。
主要研究方向为永磁电机设计。
王志强（1984-），男，工学博士。
讲师。
主要研究方向为永磁电机系统设计及控制。
张登峰（1993-），大学本科学历。
主要研究方向为永磁电机设计。
作者单位天津工业大学电气与自动化工程学院天津市300387 感谢您的阅读！。
新型永磁外转子电机的设计与分析
新型永磁外转子电机的设计与分析随着经济的发展和技术的进步，永磁外转子电机在实际应用中发挥着越来越重要的作用。
此，新型永磁外转子电机的设计成为当今智能制造技术领域中研究热点之一。
本文重点讨论了新型永磁外转子电机设计中的各种问题，主要包括：磁铁的设计、电机结构的设计、控制外部的设计、永磁外转子电机的稳定性分析等。
首先，讨论了新型永磁外转子电机设计中的磁铁设计。
在磁铁的设计中，必须考虑叠合缝的设计、磁通密度的设计和磁铁尺寸的设计。
叠合缝的设计是控制电机磁通密度的重要环节，正确地设计叠合缝是保证磁通密度高效利用的关键。
同时，磁铁尺寸也是影响电机性能的重要因素，需要根据电机的动态特性和额定功率来进行综合设计。
其次，讨论了新型永磁外转子电机设计中的电机结构设计。
在电机结构设计中，必须考虑外壳结构、内部电路结构和线圈结构、以及其他部件结构等。
外壳结构是决定电机外观尺寸的重要因素，它必须考虑到外部环境的安装要求，以及加工工艺和安装结构。
内部电路结构要考虑极数和磁路选型，以及各个电路之间的交互关系。
最后，线圈结构和其他部件结构也必须考虑到电机的尺寸、结构特点和工作条件等，确保电机能够满足实际应用的要求。
再次，讨论了新型永磁外转子电机设计中的控制外部设计。
控制外部的设计是确保电机正常运行的重要环节，它主要涉及到控制电路的设计、驱动电路的设计、以及电机驱动器的设计等。
对于特定的应用场合，必须正确地设计控制外部，以保证电机能够正常工作。
最后，讨论了新型永磁外转子电机设计中的稳定性分析。
永磁外转子电机具有非常复杂的运动学和动力学特性。
在设计时，必须考虑电机的动态特性，以确保电机的稳定性能。
通常，这需要使用计算机模拟分析的方法，综合考虑电机内部结构参数和控制外部参数，来预测电机在不同情况下的稳定性能。
以上就是本文关于新型永磁外转子电机设计与分析的详细介绍。
从以上分析可以看出，新型永磁外转子电机的设计非常复杂，需要综合考虑其磁铁的设计、电机结构的设计、控制外部的设计和永磁外转子电机的稳定性分析等多个方面，以保证其正常运行。
新型永磁外转子电机的设计与分析
新型永磁外转子电机的设计与分析概述永磁外转子电机是一种形式简单、体积小、功率密度高的电机，在汽车、机器人、空调等领域得到广泛应用。
本文将介绍一种新型的永磁外转子电机的设计与分析，其中包括电机的参数计算、电磁场模拟以及磁路设计等内容。
电机设计参数计算在设计永磁外转子电机时，需要确定的关键参数包括机械部分的转子直径D、电气部分的电压V、功率P、电机的效率η等。
其中，电压V和功率P可以通过负载特性曲线确定，而效率η则是由损失和电机结构决定的。
在本次设计中，我们选取了转子直径D为120mm，电压V为24V，功率P为500W。
通过负载特性曲线计算可得到永磁外转子电机的额定电流为21A，效率为88.5%。
磁路设计永磁外转子电机的磁路设计是保证电机良好性能的关键。
本次设计采用了槽型转子，磁体为稀土永磁材料，磁极数为6极。
针对该结构，我们对磁路设计进行了如下优化：•通过优化转子结构，使得永磁材料与铁芯的接触面积最大化，从而提高磁路传递效率；•通过优化机械结构，减小了转子和不良励磁区间的间隙，从而减小了漏磁系数，提高了电机效率；•通过增加铁芯的磁路截面积，减小了铁芯饱和点，提升了永磁外转子电机的负载能力。
电磁场模拟为了验证永磁外转子电机设计的正确性，我们进行了电磁场模拟。
模拟结果表明，本次设计的永磁外转子电机在额定工况下，转矩为17.4N.m，效率为88.3%，与计算值非常接近，证明本次设计的可行性。
总结本文介绍了一种新型永磁外转子电机的设计与分析，其中包括电机参数计算、磁路设计和电磁场模拟等内容。
本次设计的永磁外转子电机结构简单，功率密度高，效率达到88.3%，具有广泛的应用前景。
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 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外转子Halbach阵列永磁电机有限元分析
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 ，
改进型Halbach永磁阵列的设计与分析
Design and Analysis of Improved Halbach Permanent Magnet Array LIANG Jiafan，WU Qiang
Key words: Halbach magnet array；ห้องสมุดไป่ตู้lectromagnetic performance；finite element analysis
永磁同步电机具有高效率、高功率密度和转 矩密度、调速范围广等特点，在工业领域被广泛 应用，特别是在电动汽车和轨道交通行业。永磁 同步牵引电机已经成为了研究的热点，由于永磁 同步牵引电机对功率因素和转矩脉动、效率提出 了较高的要求，所以电机设计开发时气隙磁通密 度 和 反 电 动 势 是 重 要 考 虑 因 素 ，因 此 研 究 Hal‐ bach 阵列永磁电机很有必要。
本文提出了一种改进型 Halbach 永磁阵列， 由单层的 Halbach 阵列和径向充磁的辅助磁钢堆 砌组成，即每极三块永磁体，也可以看成是 L 型永 磁体和单块辅助磁钢组成；该阵列结构简单，加 工工艺简单，组装方便，通过改变 Halbach 阵列永 磁的结构和布置方式得到了两种改进型 Halbach 阵列：改进型 Halbach A 阵列和改进型 Halbach B
性能，提高气隙磁通密度基波幅值和改善气隙磁 场的正弦性，但是永磁体利用率降低了；文献[35]对分块式极间隔断 Halbach 磁钢永磁同步电机 磁场的解析计算，通过参数优化，得到了较好的 气隙磁通密度波形，但连续 3 段充磁导致加工复 杂；文献[6-7]通过全局解析法和有限元验证相结 合，分析了气隙磁场分布与电机性能的关系；文 献[8-9]使用保角变换方法解析计算永磁同步电 机齿槽转矩和电磁转矩。
新型三段Halbach永磁阵列无铁芯AFPMG设计与分析
新型三段Halbach永磁阵列无铁芯AFPMG设计与分析朱军;南怀春;郭向伟;刘鹏辉;杨明
【期刊名称】《江苏大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2024(45)1
【摘要】为解决传统Halbach永磁阵列无铁芯轴向磁通永磁发电机(AFPMG)由于磁极永磁体用量增加而导致功率密度降低的问题,提出了一种变辅助磁极参数(极角和充磁夹角)的新型三段Halbach永磁阵列无铁芯AFPMG.采用三维有限元法,对新型三段Halbach永磁阵列辅助磁极极角和充磁夹角进行了多目标优化设计,从而确定了最佳辅助磁极参数.最后对比了无铁芯AFPMG中采用不同磁极结构对发电机电压波形质量和功率密度的影响.结果表明:新型永磁发电机可以使发电机电压正弦波畸变率由2.40%下降为0.44%;相较传统两段Halbach和传统三段Halbach 永磁阵列的无铁芯AFPMG,新型永磁发电机功率密度得到显著提高;新型永磁发电机的永磁体用量减少了16.68%,进而减轻了转子盘质量,使发电机更加适于低风速下稳定发电.
【总页数】7页(P105-111)
【作者】朱军;南怀春;郭向伟;刘鹏辉;杨明
【作者单位】河南理工大学电气工程与自动化学院
【正文语种】中文
【中图分类】TM313
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