Halbach列永磁电机的研究

在国外研究成果的基础上,系统阐述了Halbach列的组成及其特点,探讨了传统稀土永磁电机发展过程中存在的一些缺陷。在介绍Halbach双凸极电机和Halbach爪极电机的基础上,归纳了Halbach电机的特点,给出了一种新型的Halbach列永磁电机,并分析了其仿真和试验结果。     

Halbach阵列对传统永磁电机的影响

在消化和吸收国内外研究成果的基础上，系统阐述了Halbach列的组成及其特点，探讨了传统稀土永磁电机发展过程中存在的一些缺陷，以Halbach双凸极电机和Halbach爪极电机为例，归纳了Halbach电机的特点，分析了Halbach列对传统永磁电机的影响。     

Halbach型磁钢的永磁电机气隙磁场解析计算

随着稀土材料价格上涨、永磁电机成本增加,合理的设计Halbach磁体结构,可充分挖掘Halbach永磁电机磁钢的潜力.分析了每极三块的Halbach磁体磁化规律,建立了Halbach型永磁电机气隙磁通密度的解析模型,该解析法计算的气隙磁场与有限元方法计算结果吻合,验证了解析模型的正确性;研究了充磁角度对气隙磁通密度的影响,结合充磁角度传统计算公式,给出了极间有间隔的Halbach磁体充磁角度的计算公式;通过解析模型分析极弧系数和极对数对Halbach永磁电机气隙磁通密度切向分量的基波幅值和波形正弦性畸变率的影响,给出不同极弧系数、充磁方式和极对数时Halbach永磁电机气隙磁场的变化规律.     

磁极组合型轴向磁场无铁心永磁电机的设计与分析

在现有Halbach阵列永磁电机的基础上,提出了一种磁极组合式的Halbach永磁阵列轴向磁场无铁心电机,阐述了该电机的结构与优点,分析了该电机的电磁转矩。借助三维有限元分析方法,优化设计了组成转子磁极的Halbach永磁材料、软磁材料尺寸。在综合考虑单位体积永磁体所产生电磁转矩和气隙磁密正弦性的基础上,确定了电机转子磁极上轴向磁化、切向磁化永磁体以及软磁材料的极弧系数。与传统Halbach结构轴向磁场无铁心永磁电机相比,优化后的磁极组合型轴向磁场无铁心永磁电机,在保证气隙磁密大小一定的基础上,减少了永磁体用量,降低电机造价,从而提高了电机性价比。样机实验和有限元分析结果验证了所设计电机的正确性和有效性。     

Halbach永磁同步电机分析

本文分析了Halbach阵列磁场分布的原理。与常规永磁电机相比,按照Halbach阵列形式制成转子的永磁电机具有一些独特的特点(如单边磁场等)。利用ansys有限元分析了四对极Halbach永磁同步电机的转子磁场分布形状,得到了气隙磁密波形。论文最后给出了样机电势波形,验证了理论分析以及仿真的正确性。     

基于不等厚永磁体的非均匀Halbach型PMSM气隙磁场解析及性能研究

Halbach阵列永磁电机的气隙磁场相对于一般的永磁同步电机正弦性更好,转矩输出性能更优秀,对气隙磁场进行准确的计算是其后续设计、计算和优化的基础。本文提出了一种采用主辅极不等厚磁极来优化不均匀Halbach阵列性能的电机模型,以2:1的主辅极比例厚度为例,推导出了计及极间隔断的不等厚磁极Halbach永磁电机的径向气隙磁场解析解,该模型在有限元软件中得到了验证。在此基础上对比了在若干组常见的永磁体所占角度配比下,等厚磁极Halbach电机和不等厚磁极Halbach电机的齿槽转矩、磁场畸变率等性能指标,发现了不等厚度磁极Halbach型永磁电机在削弱齿槽转矩和降低磁场畸变率方面的明显优势。     

应用新型Halbach阵列的PCB定子轴向磁通永磁电机性能分析

本文针对定子为印刷线路板（printed circuit board,PCB）结构的轴向磁通永磁电机的特点,将一种新型的Halbach永磁体阵列应用于该永磁电机中,并对其性能参数进行分析。通过与传统Halbach永磁体阵列的无铁心轴向磁通永磁电机相比可知:应用新型Halbach永磁体阵列的PCB定子轴向磁通永磁电机在相同尺寸及同等永磁体用量条件下,具有更高的气隙磁密及每极磁通,可获得更高的空载反电势,同时有效地降低了漏磁,使得气隙磁密更接近正弦波,电机的整体性能得到了提升。有限元分析结果和样机的对比试验证明了应用新型Halbach永磁体阵列的PCB定子轴向磁通永磁电机的合理性和有效性。为PCB定子轴向磁通永磁电机的设计提供一定的参考。     

Halbach阵列永磁型无轴承电机特性研究

在分析永磁型无轴承电机径向悬浮力产生机理及转子永磁体Halbach阵列基础上,设计了一种Halbach阵列永磁型无轴承电机,采用耦合电路瞬态有限元分析方法对径向磁化永磁转子和Halbach阵列永磁转子的气隙磁密波形及高次谐波、径向悬浮力、反电动势及转矩进行比较分析。研究结果表明:永磁型无轴承电机转子永磁体采用Halbach阵列结构能显著提高气隙磁密幅值及其正弦特性,增大径向悬浮力与转矩,减小悬浮力、转矩及反电动势的脉动。     

起动/助力/发电一体化新型永磁电机计算机辅助设计

起动/助力/发电一体化系统汽车系统要求电机高效,高功率密度,低脉动转矩.Halbach电机是一种新型永磁电机.独特的永磁体结构不仅使其磁极磁场呈正弦分布,而且还可以增加气隙磁通密度,削弱转子轭部磁通密度,这使得在提高电机的功率密度的同时,又可以减小电机的体积,提高电机的效率.首先编写了Halbach电机和普通永磁同步电机设计软件,然后利用ANSYS自带语言编写了两种电机的有限元分析软件,在此基础上对所设计的Halbach电机和普通永磁电机进行了研究.样机实验数据证明Halbach电机在一体化系统中的优越性.     

Halbach励磁的无刷无铁心被动补偿脉冲电机设计

设计了一种Halbach永磁阵列励磁无刷无铁心被动补偿脉冲电机。从Halbach永磁阵列的原理入手,介绍了该种电机的结构和特点。采用解析计算方法,求解了气隙磁场泊松方程,得到了气隙磁场解析解。利用有限元数值仿真方法,分析了Halbach磁阵列励磁CPA与普通永磁励磁CPA的气隙电磁场分布,得到了决定电机气隙磁场的部分因素,证明了解析方法的正确性,并反映出该设计的可行性和优越性。     

永磁电机研究的新进展(英文)

This paper overviews advances on permanent magnet(PM) brushless machines over last 30 years,with particular reference to new and novel machine topologies.These include current states and trends for surface-mounted and interior PM machines,electrically and mechanically adjusted variable flux PM machines including memory machine,hybrid PM machines which uniquely integrate PM technology into induction machines,switched and synchronous reluctance machines and wound field machines,Halbach PM machines,dual-rotor PM machines,and magnetically geared PM machines,etc.The paper highlights their features and applications to various market sectors.     

Halbach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

Halbach磁体结构应用于电动机时与常规磁体结构相比具有很大的优越性,首先给出Halbach磁体结构电动机的磁体排列方式及磁体的磁化规律,然后以无齿槽有铁心电动机为例,对比分析Halbach磁体结构电动机和常规磁体结构电动机气隙磁密分布和电动机各部分磁通的差异,得出两种磁体结构电动机气隙磁密、磁通随永磁体厚度的变化规律.     

高速储能飞轮用无铁心永磁无刷直流电动机的分析与设计

采用电磁场的数值计算方法,对比分析了常规磁体结构和HALBACH磁体结构的外转子无定子铁心永磁无刷直流电机,重点分析了磁体厚度变化对两种磁体结构电机气隙磁通密度、磁通及转子轭部磁通的影响,认为HALBACH磁体结构特别适于外转子高速飞轮用无铁心电机.提出HALBACH磁体结构电机的场路结合设计计算方法,并通过一25Nms角动量(30000r/min额定转速)的高速外转子飞轮用无铁心永磁无刷直流电动机进行了试验验证.     

永磁电机中Halbach充磁与平行充磁的分析比较

介绍了Halbach磁体的排列及其内部充磁时构成的永磁电机气隙磁密的解析解，通过对平行充磁和Halbach充磁时气隙磁密数值解的分析比较来说明Halbach充磁的优点。     

Halbach永磁阵列无刷直流电机转矩的解析计算和分析

Halbach永磁阵列具有灵活配置电机气隙磁通密度、磁屏蔽的特点,将其用于无刷直流电机以增加电磁转矩、降低齿槽转矩。在保角变换求解电磁场基础上,给出无刷直流电机电磁转矩与齿槽转矩的解析计算模型,通过有限元仿真对该模型的准确性进行证明;使用该模型分析每极两块(1P2p)、每极三块(1P3p)Halbach永磁阵列中主磁钢弧角和辅磁钢充磁方向角对无刷直流电机电磁转矩与齿槽转矩的影响,对比分析径向充磁、平行充磁和Halbach永磁阵列的无刷直流电机电磁转矩与齿槽转矩随永磁体厚度的变化规律。分析结果表明,合理配置无刷直流电机Halbach永磁阵列中主磁钢弧角和辅磁钢充磁方向角可提高电磁转矩、降低齿槽转矩,当永磁体厚度增加时,Halbach永磁阵列更有利于电磁转矩增加。     

磁极组合型无铁心永磁直驱风力发电机转子结构设计

Halbach阵列用在电机上有很多好处,但却造成成本上升,研究了一种适用于无铁心永磁直驱风力发电机的径向磁场磁极组合型Halbach阵列,阐述了该新型磁极的结构与优点。借助二维有限元分析方法,找到了利于实现Halbach阵列单边磁屏蔽能力磁极组合方式,并且优化了软磁材料的尺寸,确定了电机的极弧系数。与常规Halbach阵列相比,优化后的组合磁极型电机在保证一定气隙磁密的基础上,减少了永磁体用量,降低了电机成本。     

Magnet shape optimization of five‐phase surface‐mounted permanent magnet machine to improve torque performance based on equivalent permanent magnet method

This paper studies the magnet shape optimization of a five‐phase surface‐mounted permanent magnet (PM) machine to improve its torque performance. First, a sinusoidal PM with third and fifth harmonics (sine + third + fifth PM) is presented to enhance the torque. An equivalent PM method is then proposed to avoid the complicated interface conditions between PM and the air gap, making the derivation of torques with magnet shapes using 2‐D analytical models possible. Besides, the influence of PM edge thickness on torque improvement is considered. Moreover, under the condition that the copper losses of machines with different magnet shapes are kept unchanged, optimal harmonics of sinusoidal PM with third harmonic (sine + third PM) and sine + third + fifth PM are analytically derived. Finite element (FE) analysis is performed to validate the equivalent PM method and analytical results. Finally, machines with sine + third PM, sine + third + fifth PM and conventional (without shaping) PM are comparatively studied using nonlinear FE analysis and the experimental results of machine with sine + third + fifth PM are presented, verifying the effectiveness of the analytical optimization of magnet shape. © 2015 Institute of Electrical Engineers of Japan. Published by John Wiley & Sons, Inc.     

磁极径向组合轴向磁场永磁电机转矩品质分析与优化设计

为了实现轴向磁场永磁(axial field permanent magnet,AFPM)电机大转矩惯量比、低转矩脉动等高品质转矩输出,提出磁极径向组合式的AFPM电机,采用传统表贴永磁与Halbach永磁阵列沿径向排列的转子结构。分析电机运行原理,推导电机功率尺寸方程;通过有限元方法对比分析该结构与传统表贴式结构的磁场分布、转矩、转矩脉动、反电动势及电感等电磁特性。在此基础上,基于响应面分析,构建多目标遗传优化设计方法,对电机转矩、齿槽转矩、反电动势和转矩脉动进行优化设计。最后,基于优选参数加工制造样机,并进行实验研究,验证了该电机结构的有效性和分析的正确性。     

Three-dimensional analytic model for permanent magnet electric machines with finite core length

An analytically extended PM model with fictitious PM arrays is presented in the paper for solving the field problem of PM electric machines in three dimensions. To consider the effect of finite core length, each PM array is assumed to face a fictitious core array together with the actual armature core. By using the analytic approach and the PM model presented, the three-dimensional field problem for PM machines with different magnet aspect ratios and different axial magnet extensions may be accurately and efficiently solved. Two computed examples using the analytic approach have been verified by test results. Design curves given in the paper would be useful in PM machine design practice.