杜世勤

海爾貝克永磁陣列磁場的仿真和實現(xiàn)

杜世勤

（上海電機學(xué)院，上海 201306）

隨著工業(yè)自動化系統(tǒng)的快速發(fā)展，人們對電機驅(qū)動性能的要求提高了，拖動電機、信號電機和伺服電機被廣泛使用。電機設(shè)計的性能參數(shù)要求越來越精細(xì)，電機伺服服務(wù)的范圍也越來越大，甚至已經(jīng)用到了醫(yī)用機器人上，效果較好。對于永磁勵磁的擬合正弦波磁場電機，仿真方面的論文較多，但實體實踐并不多。對海爾貝克永磁陣列磁場擬合永磁勵磁的正弦波磁場使用Ansoft Maxwell軟件仿真，并進(jìn)行設(shè)計和加工制作，完成了理論仿真與實際產(chǎn)品的比對。

永磁勵磁；正弦波磁場；Ansoft仿真；設(shè)計加工

1 引言

小時候看見年底池塘清淤時，在沒有水泵的情況下，幾十個人用肩膀擔(dān)水桶，要花幾天的時間，后來用上電動水泵抽水，可連續(xù)不斷地抽水，把人從繁重的體力勞動中解放出來。碾米廠使用電動機帶動皮帶輪生產(chǎn)大米，生產(chǎn)能力強。筆者在大學(xué)學(xué)了電機電器專業(yè)，再到工廠上班，很多設(shè)備是電機驅(qū)動。城市里高樓大廈林立，電梯不停運作，鐵軌上動車飛馳，核心部件也是拖動電機。

電機在自動控制系統(tǒng)中還起著發(fā)送信號的作用。旋轉(zhuǎn)變壓器可以提供導(dǎo)彈發(fā)射裝置的位置信號，測速發(fā)電機用來取得物體的即時速度，在一些較為惡劣的使用環(huán)境中，信號電機的使用具有穩(wěn)定性、可靠性。

電機伺服服務(wù)的范圍也越來越大，甚至已經(jīng)用到醫(yī)用機器人上，效果較好。達(dá)芬奇醫(yī)療機器人集成了高端運動控制技術(shù)，采用了馬克森電機，采用稀土磁鐵，在低速運行的情況下也不會有齒槽轉(zhuǎn)矩存在。無鐵芯永磁伺服電機系統(tǒng)既要有良好的控制器，也要有性能良好的伺服電機。

具有永磁勵磁的正弦波磁場伺服電機是自動化系統(tǒng)良好的運動執(zhí)行元件，設(shè)計和制造出這樣的電機是高新電機產(chǎn)業(yè)追求的目標(biāo)。完成這個工作比較難，中國大多數(shù)文獻(xiàn)中還沒有出現(xiàn)這方面的內(nèi)容。一般情況下，采用海爾貝克永磁陣列磁場擬合永磁勵磁的正弦波磁場。

在計算機和數(shù)值計算技術(shù)不發(fā)達(dá)的年代，電機設(shè)計開始是使用磁路法，把電機磁路分成齒部、軛部和氣隙幾部分，每部分進(jìn)行磁路計算，需要經(jīng)驗系數(shù)予以校正。為了得到經(jīng)驗系數(shù)，要進(jìn)行實驗測試，整個過程比較費時費力。

隨著計算機的普及和有限元技術(shù)的發(fā)展，電機設(shè)計進(jìn)入了有限元時代。有限元電機磁場計算可直接得到比磁路法精確的磁路分布，可以多快好省地設(shè)計電機。

2 海爾貝克永磁陣列磁場的Ansoft仿真

使用有限元方法計算永磁磁場分布時，無論采用程序還是商用軟件，一般分為3步：①前處理工作，完成基本子域組成的幾何建模，并給各個子域賦予材料屬性，完成邊界和交界條件的確定。為了節(jié)省計算時間，還要給出計算場域的周期性條件。②場計算，由于場域剖分節(jié)點數(shù)往往較多，采用迭代計算的數(shù)學(xué)方程數(shù)也較多，計算出場上各點的磁位，即使使用計算機計算也要花上一定的時間。③后處理工作，無論是標(biāo)量場還是矢量場，要用計算出來各個節(jié)點上的磁位得出磁力線、磁通密度、磁通量等有用的磁場物理量。

Ansoft Maxwell是常用的低頻電磁場有限元商用仿真軟件，被中國許多高校、單位引用，使用其RMxprt模塊設(shè)計常規(guī)電機，其參數(shù)可以生成該電機的有限元計算模型，實現(xiàn)無縫對接，是目前最好的電機設(shè)計手段之一[1]。

正弦波磁場的永磁勵磁磁動勢采用海爾貝克永磁陣列結(jié)構(gòu)，論文里常見的是永磁電機內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，每個磁極采用多塊外向磁場的磁體陣列。作為網(wǎng)絡(luò)期刊論文在永磁勵磁正弦波磁場的有益補充，本文以內(nèi)向磁場，即永磁磁場是朝內(nèi)方向聚合、朝外方向發(fā)散的磁場為例計算和設(shè)計加工。

海爾貝克永磁陣列的每個永磁磁極使用塊磁體，每塊磁體的磁化強度均為，極對數(shù)為，且第一塊（=1時）磁體的充磁方向沿軸正方向，則海爾貝克永磁陣列的第塊磁體的磁化強度，分量[2]為：

就海爾貝克永磁陣列磁場進(jìn)行Ansoft Maxwell仿真。本文以=6，=7計算，由于不能從RMxprt模塊得到有限元計算模型，要從幾何建模、材料分配、設(shè)置邊界條件、永磁激勵設(shè)置、剖分設(shè)置、求解器設(shè)置一步一步完成有限元磁場計算步驟。完成上述步驟后，從后處理部分得到一個極磁通密度矢量矢量分布圖，如圖1所示。

圖1 極磁通密度矢量B矢量分布圖

3 設(shè)計和加工

從事過有限元磁場計算的工程人員對場計算的復(fù)雜與艱難都深有體會，即使采用Ansoft Maxwell商用軟件仿真，也往往在開始時不能完成幾何剖分，在完成幾何剖分后，計算求解過程也可能不會收斂。辛苦的仿真工作完成后進(jìn)入設(shè)計和加工階段，得到的磁化矢量方向如下，單位為°：0.000 0，25.714 3，51.428 6，77.142 9，102.857 2，128.571 4，154.285 7，180.000 0，205.714 3，231.428 6，257.142 9，282.857 2，308.571 4和334.285 7。設(shè)計圖紙如圖2所示。

圖2 一對磁極磁化方向圖

藍(lán)圖要變?yōu)楝F(xiàn)實還要找加工企業(yè)，上海本地找了幾家，杭州也找了，但沒有企業(yè)愿意做，主要因為這是實驗產(chǎn)品，沒有產(chǎn)量，卻要設(shè)計充磁夾具，最后在寧波找到一家企業(yè)生產(chǎn)出了產(chǎn)品，如圖3所示。通過顯磁片顯示，磁場分布呈現(xiàn)正弦波形，與圖1的仿真計算結(jié)果一致。

圖3 實物產(chǎn)品

4 結(jié)論

海爾貝克永磁陣列磁場在中國現(xiàn)有充磁生產(chǎn)條件下，是能實現(xiàn)的最好的正弦波磁場，永磁伺服電機可在高端機器人中使用，人們可從這個方向努力開發(fā)新產(chǎn)品。本文使用Ansoft Maxwell仿真了海爾貝克永磁陣列磁場，設(shè)計和加工了一個海爾貝克永磁陣列，理論與實際取得了一致，驗證了其基礎(chǔ)性能，為下一步配合高端電機控制器，進(jìn)而做出性能良好的永磁伺服電機奠定了基礎(chǔ)。

［1］趙博，張紅亮.Ansoft 12在工程電磁場中的應(yīng)用［M］.北京：中國水利水電出版社，2010.

［2］Z Q Zhu，D Howe.Halbach permanent magnet machines and applications：a review［J］.IEE Proc.-Electr.Power Appl.，2001，148（4）：299-308.

TM359

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.17.019

2095－6835（2019）17－0046－02

杜世勤（1967—），男，研究方向為電機及其自動化系統(tǒng)、電機設(shè)計。

〔編輯：張思楠〕