Halbach 結構在正弦波驅動電機中的優化應用

張明強，謝海東，陳海軍，李 勝，鄧友均

（成都微精電機股份公司，成都 610052）

0 引言

隨著正弦波驅動技術的成熟及元器件成本降低，各軍事及民用領域對正弦波驅動電機需求越來越大［1-2］。Halbach 磁體陣列結構較常規磁體結構能得到較理想的正弦波氣隙磁密分布［3］，同時，該種結果具有良好的聚磁和磁屏蔽作用，相比常規磁體結構可獲得更大的氣隙磁通密度，從而減小轉子導磁軛的厚度。國內針對該結構電機做了大量研究，楊靜［4］針對Halbach陣列永磁體排列方式，以100 kW高速永磁發電機作為研究對象，分析了永磁體裝配過程中的重點、難點，并詳細介紹了永磁體裝配工藝。王曉遠等［5］從優化結構角度出發，基于Halbach陣列楔形氣隙盤式無鐵心永磁同步電機，通過改變氣隙結構以進一步提高盤式無鐵心永磁同步電機的氣隙磁密。利用FEM方法對16極盤式永磁同步電機進行建模，進而對均勻氣隙與楔形氣隙兩種結構進行了靜態氣隙磁場分析比較。證明了該方法可以達到提高電機性能。宋國強等［6］針對Halbach陣列的電機結構，介紹了其原理，通過仿真驗證了Halbach陣列的特性。通過對相同尺寸的永磁電機進行普通徑向充磁和Halbach充磁方式的仿真計算，對比計算結果驗證了Halbach永磁電機的優越性。高鋒陽等［7］針對高功率密度的永磁同步電機齒槽轉矩及永磁體渦流損耗大的問題，設計一種部分分段Halbach結構的表貼式永磁同步電機，永磁體采用Halbach充磁方式，每極分為3段，主磁極采用單側部分分段，邊界磁極與主磁極不等厚且不等寬。經分析實驗結果表明，該結構降低了永磁體渦流損耗、齒槽轉矩及永磁體體積。倪有源等［8］提出雙層Halbach永磁電機的二維解析模型，模型中轉子永磁包括內外兩層，每層每極均由兩塊永磁構成，且每層中間磁塊均為徑向磁化。通過分區域求解標量磁位的微分方程，解析得到雙層Halbach 無槽電機的氣隙磁場。計算結果表明，雙層Halbach電機而且電磁轉矩的波動更小，因此具有更好的電磁性能。

近年來，Halbach磁體陣列結構逐漸應用到正弦波驅動電機中［9］，但是由于相鄰磁體間的排斥力，導致制造難度較大。針對類此問題本文從實際制造加工的角度出發，對Halbach 磁體結構進行優化。

1 常規磁體結構與Halbach磁體結構對比

Halbach陣列永磁體具有良好的自屏蔽效應，并且可以產生比剩余磁場強度值更大的靜磁場，常用Halbach 陣列的結構主要有：直線型Halbach 陣列，直線型是最基礎的Halbach 陣列組成形式，這種陣列磁體可以視為一種徑向陣列與切向陣列的結合體，理想的直線型Halbach 陣列的磁化矢量是按正弦曲線連續變化，其強磁場一側的場強大小也是按正弦形式分布，而另一側是零場強，直線型Halbach 陣列目前主要應用于直線電機；圓柱形Halbach 陣列，主要分為多對極Halbach 圓柱型陣列與單對極Halbach 圓柱型陣列兩類，圓柱形Halbach 陣列可視為將直線型Halbach陣列彎曲首尾相接組合而成的圓環形狀，圓柱形Halbach陣列主要應用于永磁電機、永磁軸承與旋轉式磁制冷機中［10］。但是相比于直線型Halbach陣列，圓柱形Halbach陣列結構會導致材料損耗增加、工藝復雜程度提升與部分位置的磁塊拼接難度大等問題。

相同結構尺寸下，從制造加工角度出發，以4 對極無刷電機轉子為例，對比常規磁體結構和Halbach 磁體結構的優缺點［11］。由圖1～2可以看出：

圖1 常規磁體結構

（1）在常規磁體結構中相鄰間磁體極性相反，相互之間為吸附力，同時磁體與轉子導磁軛間也為吸附力。磁體粘接過程中，磁體均自動吸附到轉子導磁軛上，操作工藝簡單。

（2）在Halbach磁體陣列結構中相鄰間極性相近，相互之間為排斥力，磁體與轉子導磁軛間為吸附力。一般情況下，相鄰磁體間的排斥力大于磁體與轉子導磁軛間的吸附力。磁體粘接過程中，必須由輔助工裝保證磁體與轉子導磁軛間緊密貼合，操作工藝復雜。

（3）在Halbach磁體結構中，每極磁體塊數越多，則導致制造工藝越復雜、尺寸要求更嚴，增加了制造難度。

圖2 Halbach磁體結構

2 Halbach磁體結構在正弦波驅動電機中的應用

正弦波驅動電機一般為表貼式磁體結構，同時采用較多的極對數以提高力矩系數，減小電機轉矩脈動［12］。以190 基座號的正弦波驅動電機為例，電機極對數為p ＝5，電機采用Halbach磁體陣列結構（每極2 塊磁體），即轉子外圓由20 塊磁體拼接而成。

為滿足高性能指標要求，在結合生產實際情況下，一般選用經機械加工保證尺寸精度要求的稀土永磁體［13］。國家標準GB／T13560-2017附錄中推薦的磁體尺寸偏差如表1所示。

表1 磁體推薦尺寸偏差

以190基座號電機為例，磁體為瓦片形，一般采用線切割加工而成。20塊磁體拼接的轉子外圓的累積公差為±0.03 mm×20 ＝±0.6 mm，即公差帶范圍為1.2 mm。由于累積公差較大，粘接時磁體間可能出現較大縫隙或無法全部嵌入的情況［14］。同時，由于相鄰磁體間存在排斥力，在進行轉子裝配時為將各磁體間隙調整均勻，需依次調整磁體和輔助工裝，在裝配過程中工藝操作過程難度大、效率低［15］。

從上述情況可知，當磁體拼接數量較多時，要保證各磁體之間間隙均勻需提高磁體的加工精度，減小累積公差，但會增加加工難度和成本，同時需要輔助工裝配合拼接和操作者長期的裝配經驗。

為保證電機各極磁體分布均勻和降低工藝操作難度，本文提出將Halbach磁體陣列結構進行結構優化，將每極大小磁體的內圓弧加工成不同尺寸，如圖3～4所示。通過在轉子軛部分加工一個較小的凹槽，采用機械結構鎖死的方式保證轉子各磁極分布的均勻性，拼接時每件大磁體嵌入轉子軛槽內，小磁體嵌入兩件大磁體之間，這種結構避免了磁體間的累積公差造成磁體分布不均勻或出現不能完全嵌入的情況，達到保證各磁極均勻分布的目的，另一方面，該種結構不需要操作者太多的經驗累積，只需按照操作步驟將磁體拼接完成即可，各磁極的公差只表現為磁體與轉子軛槽的配合公差。優化前后磁體尺寸如表2所示。

圖3 Halbach磁體陣列結構優化前

圖4 Halbach磁體陣列結構優化后

表2 優化前后磁體尺寸對比

利用Maxwell軟件建立電機二維仿真模型，根據公式f ＝np／60，合理設置計算周期與步長［16］，對電機氣隙部分進行多層剖分，在靠近電機定子齒內表面的氣隙位置做節圓，對優化前、后的氣隙磁通密度進行仿真計算，波形結果如圖5 所示；對電機相同激勵下的輸出性能進行計算，輸出轉矩計算結果如圖6所示，改進前與改進后轉矩相差約1%。

圖5 氣隙磁密波形對比圖

圖6 輸出轉矩對比圖

由上述仿真和計算結果可知，優化前后電機的的磁通密度波形幾乎沒有變化，性能參數變化極小，結果表明，優化后的轉子結構不會影響電機的整體性能，同時優化后的結構能充分保證轉子磁極的均勻分布和有效降低工藝操作難度。

為驗證上述措施的有效性，加工電機定子一件，原始結構轉子與優化后結構轉子各二件。搭建實驗測試平臺，采用相同定子，分別與優化前后四組轉子組成四組實驗測試項目，項目1、2優化前電機定轉子組，項目3、4為優化后電機定轉子組，保持4組實驗電壓及額定轉速不變，對額定電流、額定轉矩、峰值電流與峰值轉矩數據進行測試，實驗結果如表5 所示。該實驗結果表明，采用優化后的轉子結構電機額定電流降低了3.55%，額定轉矩提高了1.18%，峰值電流提高了0.48%，峰值轉矩提高了1.33%。

表5 試驗結果

3 結束語

本文結合正弦波驅動電機特點，對比分析了常規磁體結構和Halbach磁體結構的優缺點，提出了一種優化Halbach 磁體陣列的轉子結構，利用Maxwell軟件分別對優化前后電機的氣隙磁密與轉矩進行對比分析，得出結論優化后的轉子結構不會影響電機的整體性能。同時搭建實驗測試平臺進行了4 組實驗測試，實驗結果表明采用優化后的轉子結構相較于優化前，電機額定電流降低了3.55%，額定轉矩提高了1.18%，峰值電流提高了0.48%，峰值轉矩提高了1.33%。，經過仿真分析與實驗驗證：優化后電機性能較優化前輸出性能幾乎無變化，表明該種結構能在不改變電機性能的基礎上有效改善正弦波驅動電機采用Halbach 磁體陣列結構中加工難度大的問題。該種Halbach磁體陣列的轉子結構為今后同類型電機的設計和加工等提供了參考。