海爾貝克永磁陣列磁場的仿真和實現

杜世勤

海爾貝克永磁陣列磁場的仿真和實現

杜世勤

（上海電機學院，上海 201306）

隨著工業(yè)自動化系統的快速發(fā)展，人們對電機驅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。電機設計的性能參數要求越來越精細，電機伺服服務的范圍也越來越大，甚至已經用到了醫(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，并進行設計和加工制作，完成了理論仿真與實際產品的比對。

永磁勵磁；正弦波磁場；Ansoft仿真；設計加工

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大米，生產能力強。筆者在大學學了電機電器專業(yè)，再到工廠上班，很多設備是電機驅動。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中還起著發(fā)送信號的作用。旋轉變壓器可以提供導彈發(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。

電機伺服服務的范圍也越來越大，甚至已經用到醫(yī)用機器人上，效果較好。達芬奇醫(yī)療機器人集成了高端運動控制技術，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矩存在。無鐵芯永磁伺服電機系統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良好的運動執(zhí)行元件，設計和制造出這樣的電機是高新電機產業(yè)追求的目標。完成這個工作比較難，中國大多數文獻中還沒有出現這方面的內容。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。

在計算機和數值計算技術不發(fā)達的年代，電機設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，每部分進行磁路計算，需要經驗系數予以校正。為了得到經驗系數，要進行實驗測試，整個過程比較費時費力。

隨著計算機的普及和有限元技術的發(fā)展，電機設計進入了有限元時代。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)點數往往較多，采用迭代計算的數學方程數也較多，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模塊設計常規(guī)電機，其參數可以生成該電機的有限元計算模型，實現無縫對接，是目前最好的電機設計手段之一[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構，論文里常見的是永磁電機內轉子結構，每個磁極采用多塊外向磁場的磁體陣列。作為網絡期刊論文在永磁勵磁正弦波磁場的有益補充，本文以內向磁場，即永磁磁場是朝內方向聚合、朝外方向發(fā)散的磁場為例計算和設計加工。

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、設置邊界條件、永磁激勵設置、剖分設置、求解器設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入設計和加工階段，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。設計圖紙如圖2所示。

圖2 一對磁極磁化方向圖

藍圖要變?yōu)楝F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品，沒有產量，卻要設計充磁夾具，最后在寧波找到一家企業(yè)生產出了產品，如圖3所示。通過顯磁片顯示，磁場分布呈現正弦波形，與圖1的仿真計算結果一致。

圖3 實物產品

4 結論

海爾貝克永磁陣列磁場在中國現有充磁生產條件下，是能實現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)新產品。本文使用Ansoft Maxwell仿真了海爾貝克永磁陣列磁場，設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，驗證了其基礎性能，為下一步配合高端電機控制器，進而做出性能良好的永磁伺服電機奠定了基礎。

［1］趙博，張紅亮.Ansoft 12在工程電磁場中的應用［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、電機設計。

〔編輯：張思楠〕