李梓豪 張曉明

摘要：永磁無刷電機(jī)以其優(yōu)秀的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性、快速響應(yīng)以及低速大轉(zhuǎn)矩直驅(qū)特性廣泛應(yīng)用于高精度數(shù)控機(jī)床、仿真平臺和工礦企業(yè)的節(jié)能改造當(dāng)中。在其電磁設(shè)計(jì)過程中通過采用Halbach磁極陣列可以有效提高永磁直流無刷電機(jī)的磁負(fù)荷并且降低轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢諧波含量，有利于提升電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度、降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和電磁噪聲。本文建立了一臺永磁無刷電機(jī)的二維電磁模型，比較了電機(jī)采用Halbach結(jié)構(gòu)前后的電磁性能，仿真研究表明電機(jī)在采用Halbach結(jié)構(gòu)后，整體電磁性能有所提高，能夠增強(qiáng)仿真轉(zhuǎn)臺的平穩(wěn)性，對于實(shí)際工程技術(shù)應(yīng)用具有一定的意義。

Abstract： Permanent magnet brushless motor（PMBM） is widely used in high-precision computerized numerical control machine， simulation platform and energy-saving transformation of industrial and mining enterprises due to its excellent torque stability， fast response and low-speed high torque direct drive characteristics. In the electromagnetic design process， the magnetic load of PMBM can be effectively improved， the harmonic content of rotor magnet motive force can be reduced by the Halbach permanent magnet array which is beneficial to increase the motor torque density， reduce torque ripple and electromagnetic noise. In this paper， the two-dimensional electromagnetic model of a PMBM is established， the electromagnetic performance of the motors is compared in details with or without Halbach permanent magnet 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.

關(guān)鍵詞：永磁無刷力矩電機(jī);Halbach永磁陣列;轉(zhuǎn)矩脈動(dòng);有限元分析

Key words： permanent magnet brushless motor;Halbach permanent magnet array;torque ripple;finite element method

中圖分類號：TM351? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）14-0066-06

0? 引言

永磁無刷電機(jī)的概念最早形成于上世紀(jì)50年代，在70年代左右美國率先完成了該類電機(jī)的市場化進(jìn)程[1]。隨著稀土永磁材料的逐步發(fā)展，永磁體得到了普遍的應(yīng)用[2]，這為減小電機(jī)體積，進(jìn)而提高電機(jī)整體電磁性能起到了很好的促進(jìn)作用[3-4]。20世紀(jì)90年代，Halbach結(jié)構(gòu)的磁屏蔽特性被應(yīng)用到電機(jī)領(lǐng)域[5]。此后，國內(nèi)外許多學(xué)者研究了Halbach陣列在永磁電機(jī)中的應(yīng)用[6-8]。本文建立了一臺永磁無刷力矩電機(jī)的二維電磁模型，通過采用3段Halbach磁極陣列結(jié)構(gòu)對電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，通過仿真表明，采用Halbach磁極陣列結(jié)構(gòu)能夠明顯提升電機(jī)性能，能夠增強(qiáng)仿真轉(zhuǎn)臺的平穩(wěn)性，具有一定的工程實(shí)際意義。

1? Halbach磁體結(jié)構(gòu)及特性

Halbach磁極陣列指每個(gè)磁極是由多個(gè)按特定充磁方向的永磁體順序排列而成的。圖1（a）為傳統(tǒng)表貼式磁瓦，圖1（b）為三段式Halbach磁極陣列結(jié)構(gòu)，中間的磁極為主極，兩側(cè)的磁極稱為輔極，三塊磁極共同構(gòu)成一極。相比于傳統(tǒng)表貼式磁瓦，電機(jī)在采用Halbach磁極陣列后具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，氣隙磁場趨于正弦分布，降低轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢諧波含量進(jìn)而有效降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和齒槽轉(zhuǎn)矩。電機(jī)氣隙側(cè)具有單邊聚磁性能，提高了電機(jī)反電勢系數(shù)，轉(zhuǎn)子側(cè)能夠大大減少磁飽和程度，因此有效降低電機(jī)的體積和重量，提升了轉(zhuǎn)矩密度和功率密度。

2? 電機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 電磁設(shè)計(jì)

為了更好地研究采用Halbach磁極陣列對電機(jī)電磁性能的影響，設(shè)計(jì)一款5.5kW的永磁同步電機(jī)，該電機(jī)分別采用全軛磁極排布和Halbach磁極陣列，分別建立了電機(jī)2D有限元模型，比較了電機(jī)的電磁性能。圖2為電機(jī)兩種磁鋼排布方式下的示意圖，電機(jī)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)詳見表1。

2.2 電磁性能對比

2.2.1 空載反電勢

空載反電勢是電機(jī)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)，不同類型的電機(jī)空載反電勢的設(shè)計(jì)值也不盡相同，合理的設(shè)計(jì)空載反電勢的值，可以降低定子電流，提高電動(dòng)機(jī)效率，降低電動(dòng)機(jī)溫升。在電機(jī)電負(fù)荷取值保持一致的情況下，采用Halbach技術(shù)能夠提高電機(jī)每極氣隙磁通量，實(shí)現(xiàn)聚磁，如此綜合提高電機(jī)性能。圖3和圖4為表貼式電機(jī)和采用Halbach后電機(jī)空載反電勢情況。得益于Halbach磁極陣列結(jié)構(gòu)的聚磁效果，在保持電機(jī)體積和電負(fù)荷不變的情況下，電機(jī)的空載反電勢值提高了9.5%，同時(shí)反電勢正弦度也有明顯改善，這主要是因?yàn)殡姍C(jī)的轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢諧波含量有所降低。

2.2.2 轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性與齒槽轉(zhuǎn)矩

電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和齒槽轉(zhuǎn)矩很大程度是由于轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢諧波含量較多引起的，通過合理設(shè)計(jì)Halbach磁極陣列結(jié)構(gòu)的輔極充磁角度，配合主極磁場可以提高電機(jī)氣隙磁場的正弦度，削弱轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢諧波含量，可以明顯降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)以及齒槽轉(zhuǎn)矩。圖5和圖6分別是表貼式電機(jī)和Halbach電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)平穩(wěn)性分析及其齒槽轉(zhuǎn)矩情況?？梢?，Halbach電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)情況和齒槽轉(zhuǎn)矩明顯優(yōu)于表貼式電機(jī)。

2.2.3 磁場分析

從振動(dòng)角度上看，轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢諧波含量的降低有利于提高電機(jī)的徑向氣隙磁密的正弦性，進(jìn)而降低電機(jī)的徑向電磁力密度，達(dá)到削弱電機(jī)振動(dòng)情況的目的，圖7和圖8分別是表貼式電機(jī)和Halbach電機(jī)的徑向氣隙磁密及其諧波分解。可以看出在采用Halbach磁極陣列結(jié)構(gòu)后電機(jī)的徑向氣隙磁密正弦性有明顯改善，電機(jī)徑向電磁力得到大幅度削減，從而能夠改善電機(jī)的振動(dòng)情況。

3? 結(jié)論

本文通過有限元法建立了表貼式電機(jī)在采用Halbach磁極陣列結(jié)構(gòu)前后的二維有限元模型，證明了Halbach型電機(jī)具有聚磁特性，計(jì)算對比了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性和齒槽轉(zhuǎn)矩以及徑向氣隙磁密，得出以下結(jié)論。

相比于傳統(tǒng)的表貼式電機(jī)結(jié)構(gòu)，采用Halbach磁極陣列結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)“聚磁”功能，提高電機(jī)的功率密度;并且可以改善電機(jī)轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性并降低齒槽轉(zhuǎn)矩和電機(jī)徑向氣隙磁密正弦度，改善了電機(jī)的振動(dòng)情況，從而增強(qiáng)仿真轉(zhuǎn)臺的平穩(wěn)性。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳思儒.力矩電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)及應(yīng)力場分析[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)，2013.

[2]唐任遠(yuǎn).現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016.

[3]梁爽.低速永磁力矩電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)測試方法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.

[4]譚建成.永磁無刷直流電機(jī)技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[5]李耕，喬鳴忠，梁京輝，等.Halbach結(jié)構(gòu)永磁電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2012，39（1）：6-10，15.

[6]Binder A， Schneider T， Klohr M. Fixation of buried and surface-mounted magnets in high-speed permanent-magnet synchronous machines[J]. IEEE Transaction on Industry Applications， 2006， 42（4）： 1031-1037.

[7]Shen Y， Zhu Z Q. Investigation of permanent magnet brushless machines having unequal-magnet height pole[J].IEEE Transactions on Magnetics， 2012， 48（12）： 4815-4830.

[8]寇寶泉，曹海川，李偉力.新型雙層Halbach永磁陣列的解析分析[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2015，30（10）：68-76.