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外转子Halbach阵列永磁电机有限元分析 　　摘 要本文分析了Halbach永磁阵列环的优点，并以一台外转子Halbach阵列永磁电机为例，基于商业有限元仿真软件建立了电机磁场模型，并对其在空载和负载的情况下进行仿真分析，获得了电机的磁力线分布图、磁密云图、反电动势波形图、气隙磁密波形等电机特性曲线，并对其性能进行分析 【关键词】Halbach阵列 永磁电机 有限元分析 1 引言 随着稀土永磁材料的出现，永磁电机得到了飞速的发展，获得了越来越多的应用。近些年来，国民经济日益发展，众多应用场合对永磁电机的性能要求也越来越高，行业标准及经济指标逐渐提升，常规磁路结构永磁电机逐渐表现出一定的局限性，如因定、转子均需采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，难以满足系统快速响应要求；因永磁体位于转子表面，气隙长度相对较大，电机功率密度进一步提升困难；受气隙磁场谐波、电枢导体非连续分布及定子开槽影响，低速时转矩波动相对较大，严重影响系统运行的平稳性 为迎合电机产品发展和低速伺服系统应用需求，各国学者纷纷对永磁体充磁方式和排列方式进行研究，新型磁路结构不断涌现，其典型代表之一为Halbach阵列结构。本位以一台外转子Halbach阵列永磁电机为例，基于商业有限元仿真软件对其建模仿真，获得了电机气隙磁场分布，并对电机空载特性和负载特性进行分析 2 Halbach电机结构 2.1 Halbach阵列 “Halbach阵列结构”是将不同充磁方向的永磁体块按照一定规则进行排列组合，其结果是阵列一侧的磁场密度增加，而另一侧的磁场密度明显减弱，从而获得比较理想的单边磁场和磁密分布[1]。近些年来，一些学者将Halbach阵列应用于电机领域，即将其作为表贴式转子磁钢，以获得正弦性好的气隙磁场分布。与常规磁路结构相比，Halbach阵列具有聚磁效果，能够提供较高的气隙磁密，有利于提高电机转矩密度，减小电机体积；能够提供正弦度高的气隙磁密，减小转矩脉动，提高系统低速运行的平稳性；具有自屏蔽作用，可省去转子铁心，甚至是定子铁心，一方面降低了涡流损耗，提高了电机效率，另一方面减轻了重量，降低了转动惯量，改善系统的快速响应能力[2-4] 2.2 Halbach阵列永磁电机 研究表明，只要Halbach 阵列中的每一点的磁化方向，能够满足式（1），Halbach 阵列产生的磁场分布就会呈现出很好的正弦特性 式中，为永磁体环某点的磁化方向，θ为永磁体换上任意一点与极轴的夹角，p为电机的极对数，±根据转子结构而定：+适用于外转子，-适用于内转子 通过对永磁体上某一点的磁化方向进行径向和切向的正交分解，可以得到任意一点的剩磁大小，即 其中 式中，为永磁体剩磁的大小，为径向大小，为切向大小 由上可以看出，将永磁体块上某点的剩磁进行正交分解后，其各分量都呈正弦或余弦变化，也在一定程度上解释了Halbach阵列永磁电机气隙磁场呈正弦变化的原因 3 外转子Halbach阵列永磁电机仿真分析 3.1 电机建模 以一台功率为2.3kW的三相外转子Halbach阵列永磁电机为例，对其进行仿真分析，其主要设计参数如表1所示 基于以上设计参数，所建立的电机模型及网格剖分如图1所示 3.2 空载特性分析 对所建立的电机模型进行空载仿真，即电机绕组中通入的电流值为0，在仅有Halbach阵列永磁环激励的情况下进行仿真，获得电机在空载工况下的磁力线分布和磁密云图分别如图2和图3所示 气隙磁场在整个电机设计中都占有非常重要的地位，其正弦性的好?幕嶂苯佑跋斓降缁?的输出性能和运性品质，而其进行正交分解后的径向分量起着决定性作用。图4为电机气隙处的磁密径向分量波形，其横坐标为电机气隙处某一点与其圆周起点处的距离，纵坐标显示了这一点的磁感应强度值 从图中可以看出，Halbach阵列永磁电机磁场的正弦度较好，为了更好地分析气隙处的磁密分布状况，对其波形进行FFT谐波分析，其结果如图5所示 从图中可以看出，电机气隙磁密波形的基波幅值高达0.8451T，而谐波含量为20.51%，且各次谐波含量均在10%以下，表明Halbach阵列自身可以有效地抑制谐波，磁场正弦性较好 3.3 负载特性分析 设定电机运行在1500r/m的额定转速下，此时定子各相激励电流为额定电流4.4A，气隙磁场由电枢磁场和永磁体磁场相互作用而成，由瞬态场仿真可获得气隙某处的磁力线分布、气隙磁密云图和电磁转矩分别如图6～8所示 从图中可以看出，电机在额定状态下电磁转矩在17.5Nm左右，且其脉动幅值不是很大，表明电机参数较为合理，满足设计的基本要求 5 总结 本文以