磁体结构尺寸对Halbach阵列的影响.pdf

( 2 0 1 0 N o 6 ) 基本思想 引。 H a l b a ch列不仅可如图 l( d ) 所示呈平面排列 ， 也 可排列为图 2所示的环形阵列形状。 静 图2 H a lb a ch磁体结构 ( 每级 3个磁体) 图 3 永磁电机 的 物理模型 3 模型的计算 H a lb a ch 磁体构成的内磁极式永磁 电机气隙磁密 表达式 】 一 1 + ( 意 ) p - I c o s ) ( 1 ) ( 1 + 一 1 _ ( 意 ) p - I s i n ) ( 2 ) 其中： 2 ( 1 _ 【 ( 1 _ 2p + ( 1 ) 】 _ ( 1 ) 小 】 )( 3 ) B ， 为磁体 的剩磁 ； R i 和 R o为 H a lb a ch磁体 的内 外半径 ； 为内部铁心的半径 ； P为磁极对数 ， 相应标 注如图3 所示。由式( 1 ) 、 ( 2 ) 可知， 气隙磁密按正弦 规律变化 ， 大小与磁体厚度 、 极对数及永磁材料的剩磁 等参量有关。 4 永磁体尺寸对气隙磁密的影响分析 4 1 气隙磁密随磁体厚度的变化 在不同永磁体厚度时， 进行仿真计算的部分气隙 磁密幅值。 气隙磁密幅值 B取的是气隙磁密正半周期和负 半周期幅值的平均值， 即 B ： B ,r + B m 式中， B 正表示 气隙磁密正半 周期幅值 ； 负表示 气隙磁密幅值负半周期负半周期幅值 。 0 0 图 4 磁体结构气隙磁密随磁体厚度 的变化 曲线 由图 4可以看出， 磁体的气 隙磁密随着磁体厚 度 的增加而增大， 且增加的幅度随着厚度的增加而慢慢 降低 。 在磁体厚 度较小 时， H a lb a ch磁体结 构 电动机 的 气隙磁密较低 ， 但 随磁体厚度 的增加， H a lb a ch磁体结 构电动机 的气隙磁密的增加量越来越高于常规磁体结 构电动机 ， 当磁体厚度增加到一定程度时 ， Ha l b a ch磁 体结构电动机 的气 隙磁密要高 于常规磁体结构 电动 机 。 4 2 永磁体宽度变化时气隙磁场分析 为了便于分析 ， 我们这里就取 由磁 钢组成的 H a l b a ch阵列 ( 如图 1 ( d ) 所示 ) 的每极 内的磁钢宽度变化 对气隙磁密的影响进行分析 ， 由于 9 0 。 H a lb a ch阵列 中 每极是由两块永磁体组成的， 只有径向充磁和切 向充 磁两种充磁方式 ， 为了便于分析， 假定 ： 6 一表示径向充磁磁钢宽度 ； 一表示每极磁钢宽度。 = 在 k=0 10 9保持每级磁 钢宽度不变的情况 下 ， 改变径向充磁磁钢的宽度 ， 分析其对气隙磁场的影 响。 当变化过程中， 气隙波形都具有光滑的曲线 ， 但为 非正弦曲线 。 当 k由 0 1 0 5变化的过程中气隙幅值 由 O 4 5 0 6 3 T直接变化 ， 但当 k由 0 5 5 0 9 5增加的过程 中， 气隙幅值 由 0 5 5 T递减到 0 3 5 T 。且在 k= 0 9 0 9 5之间 ， 气隙磁密波形接近矩形波。随着径 向磁钢 宽度的变化 ， 波形在三角波与矩形波之问变化。因此 ， 每级磁钢之间的比率关系不仅影响到磁密的幅值大 小 ， 还影响了磁密的波形。 电气开关) ( 2 0 1 0 ， N o 6 ) l3 周向长度 ( n ) 周向长度 ( n ) k = 0 1 时气隙磁密波形 k = 0 3 时气 隙磁密波 形 周向长度 【 n ) 周向长厦 ( n ) k = 0 5 时气隙磁密波形 k = 0 9 时气 隙磁密波形 图 5 不同磁体宽度对应 的气 隙磁密 5 影响气隙磁密的其他重要因素 5 1 每级磁体的充磁方向 由上面的 9 O 。 磁体阵列可知 ， 在 9 O 。 充磁 的方 向 下， 磁密波形达不到正弦波 ， 只介于三角波与矩形波之 间， 通过分析 6 0 。 和 4 5 。 充磁方向可知 ， 随着充磁磁体 间夹角的变小 ， 气隙磁密波形越来越趋 于正弦波 ， 气隙 磁密幅值也有增大的趋势。 0( d e g )0( d e g ) O 0 图6 不同充磁角度的 H a l b a ch的气隙磁场 5 2 每级磁钢的磁体个数 由式( 1 ) 、 ( 2 ) 可知气 隙磁密受极对数变化的影响 很明显 。并且， 在磁体厚度一定 的情况下 ， 选择合适的 极对数 ， 可以使气隙磁密达到一个最大值 ， 让磁体最大 效能地发挥作用。 3 0 2 5 2 O lS lO S 0 图7 极对数与磁体厚度的搭配 6 结论 H a l b a ch 磁钢阵列由径向磁钢和切向磁钢组合而 成的阵列具有 良好 的磁单边性 ， 且磁场增强的单边 幅 值相对于普通的磁极阵列约为原来的 倍 ， 经过 分析 比较 ， 磁钢的厚度在 41 6 mm之间的磁场幅值 随着厚 度的增加而增大 ； 且充磁角度越小 ， 气隙磁密的波形越 趋于正弦波 ， 选择合适 的极 对数可以使磁密达到最大 值。对于永磁 电机 的选用磁钢尺寸具有 良好的参考价 值。H a lb a ch电机不 仅 对永 磁 电机 的研 究 提 出 了挑 战， 也对高速电机的研究领域带来了新的课题。因此， H a l b a ch电机 的应用及推广对我国航空航 天 、 国防 、 基 础工业等方面的发展有着非常重要的意义 。 参考文献 1 】 堂任远 现代 永磁 电机理论与设计 M】 机械 工业出版社 ， 1 9 9 7 2 K H a l b a ch P h y s i ca l a n d O p t i ca l P r o p e r t i e s O f R a r e E a r t h C o b a l t Ma g n e t s M N u cl e a r I n s t r u m e n t s a n d Me t h o d s ， 1 9 8 1 ， 1 8 7： 1 0 91 1 7 3 王凤翔 H al b a ch阵列及其在永磁电机设计中的应用 J 微特电 机， 1 9 9 9 ， 2 7 ( 4 ) ： 2 2 2 4 4 Xi a Z P ， Z h u z Q， H o we D A n aly tical ma g n e t i c fie l d a n a ly s i s o f h a l b a ch ma g n e t i z e d p e r ma n e n t ma gne t ma ch i n e s J I E E E T r a n s a ct i o n s O n Ma gne t i c ， 2 0 0 4 ， 4 0 ( 4 )： 1 8 6 41 8 7 2 5 石磊 离散 H al b a ch 磁体电机开路磁场分布的计算方法 J 微特 电机， 2 0 0 8 ( 3 ) 6 徐衍亮， 姚福安， 房建成 H alb a ch磁体结构电动机及其与常规磁 体 结构电动机 的比较研 究( I ) 磁体 结构及有导磁 铁心 电动机 的对 比研 究 J 电工技术 学报 ， 2 0 0 4， 1 9 ( 2 ) ： 7 9 2 8 3 收稿 日期 ： 2 01 0- 0 3一l1 作者 简介 ： 陈垂灿( 1 9 8 4一) 男 硕士研 究生 。 主要研 究方 向为机 电系统动 力学 电磁致热 系统 的研究。 ( 上接第 l0页 ) 2 朱旭凯 综合考虑可靠性因素的电网规划新方法 J 电网技术， 2 0 0 4 ， 2 8 ( 2 1 ) ： 5 1 5 4 3 S K G o s w a m i D i s t rib u t i o n S y s t e m s P l a n n i n g U s i n g B r a n ch E x ch a n g e T e ch n i q u e J I E E E T r a n s o n P o w e r S y s t e m s ， 1 9 9 7 ， 1 2 ( 2 ) ： 7 1 8 7 2 3 4 陈俊红 遗传算法在配电网优化规划中的应用研究 D 河北农 业大学 2 0 0 6 5 昊海峰 基于改进多种群遗传算法的中压配电网规划研究 D】 西安理工大学， 2 0 0 5 6 牛雪媛 配电网可靠性研究及应用 D 郑州大学， 2 0 0 4 7 李敏强， 寇纪凇， 等 遗传算法的基本理论与应用 M 北京： 科学 出版社 2 0 0 2 8 】 沈广， 陈永平， 等 基 于最小生成树编码的配电网