HALBACH磁体结构电动机及其与常规磁体_省略__II_无导磁铁心电机

电机机械分析 电机计算 新型电机 电机软件 电机程序 电机二次开发

2004年6月 第19卷第6期

电 工 技 术 学 报

TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY

Vol.19 No.6 Jun. 2004

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（II）

——无导磁铁心电机的对比研究及样机实验

徐衍亮1 姚福安2 房建成3

（1. 山东大学电气工程学院 济南 250061

2. 山东大学控制科学与工程学院 济南 250061 3. 北京航空航天大学宇航学院 北京 100083）

摘要 在第I部分对比分析有铁心HALBACH磁体结构电动机和常规磁体结构电动机的基础上，对比研究两种磁体结构电动机的无铁心型式，其中包括定子无铁心和转子无铁心，并分别与有铁心电动机比较，分析了磁体厚度变化对两种磁体结构磁密分布及磁通大小的影响。最后给出样机电动机的试验结果。

关键词：HALBACH磁体 常规磁体 无铁心 永磁无刷直流电动机 中图分类号：TM303

Halbach Array Permanent Magnet Machine and Its Performance

Comparison with the Normal Array One（II）

—— Comparison of Different Magnet Array Ironless Machine and Prototype Experiment

Xu Yanliang1 Yao Fuan1 Fang Jiancheng2 (1. Shandong University Jinan 250061 China 2. Beihang University Beijing 100083 China)

Abstract This paper compares the magnetic flux, air-gap field distribution of permanent magnet machines having HALBACH magnet array or normal one when they employ ironless stator or ironless rotor. The different effect of the magnet radial dimension on the air-gap magnet field for HALBACH array permanent magnet machines and the normal array ones is analyzed. Results deduced from finite-element analyses are verified by the prototype experiment.

Keywords: HALBACH magnet array, normal magnet array, ironless machines, permanent magnet machines

行要求；同时在高速应用场合，通常采用磁悬浮支撑，有铁心电动机尽管采用无齿槽结构，仍会产生很强的单边磁拉力，必然给磁悬浮轴承带来额外的承载力和刚度要求[1]。

在高速磁悬浮支撑的驱动运行场合，采用无铁心永磁无刷直流电动机不但可以消除铁耗，而且可以消除单边磁拉力，极有利于系统的高效可靠运行。电动机采用无铁心结构，与无齿槽电动机相比具有更低的气隙磁密，更难以发挥永磁无刷直流电动机

1 引言

有铁心永磁无刷直流电动机通过优化设计并采用高性能材料可以获得很高的运行效率，但在储能飞轮等应用领域，电动机转速每分钟高达几万转甚至几十万转，空载铁耗很大，难以满足其高效率运

国家863高技术航天领域资助项目(863-2-2-4-9B)。 收稿日期 2003－06－09　　改稿日期　2003－10－08

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第19卷第6期 徐衍亮等 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（Ⅱ）

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高功率密度、高转矩密度的优势。在本文第I部分中已提及，采用HALBACH磁体结构并尽可能增加磁体厚度，可以得到比常规磁体结构电动机更高的气隙磁密，本文对定子无铁心的HALBACH磁体结构电动机和常规磁体结构电动机进行分析比较。

电动机的无铁心结构，不但可以是定子无导磁铁心，也可以是转子无导磁铁心。转子无导磁铁心对某些应用场合极为有利，如伺服电动机和外转子储能飞轮用电动机。正如本文第I部分所提及，HALBACH磁体结构电动机具有磁屏蔽作用，可以省却转子轭部铁心，因此本文同时对无转子铁心的HALBACH磁体结构电动机和常规磁体结构电动机进行分析比较。

电动机的分析模型及相关标注见本连续论文的第I部分。设计制作具有相同结构尺寸和绕组参数的有导磁铁心定子、无导磁铁心定子、常规磁体结构转子、无导磁铁心的HALBACH磁体结构转子和有导磁铁心的HALBACH磁体结构转子，组成6台不同的样机，进行对比实验，以验证理论分析结果。

体结构电动机，与转子有铁心相比，转子无铁心气隙磁密降低很大。因此对无转子铁心电动机，应该采用HALBACH磁体结构，以保证电动机的气隙磁密。

表1 有无转子铁心时电动机不同位置处的磁通 Tab.1 Magnetic flux at different location when the motor

with or without rotor core (×10-5 Wb/mm)

磁体内

电动机结构

径处

HALBACH 磁体 常规 磁体

有转子铁心 无转子铁心 有转子铁心 无转子铁心

0. 2988 0. 141 1.082 0.49

径处 0. 993 0. 928 1.195 0.927

0. 8528 0. 7955 0. 9457 0.711

磁体外

气隙处

3　　有转子铁心、无定子铁心时两种磁体结　

　　　构电动机的对比分析　

尽管无定子铁心，但考虑到实际情况及电磁兼容，在无导磁铁心的外面有一用于磁屏蔽的机壳。因此在分析时，如有定子铁心，有效气隙与永磁体厚度之比hair/hpm=1，无定子铁心时，（hair+hsyoke）/hpm=2.78(hsyoke为定子不导磁轭厚)。图2为不同磁体结构有无定子导磁铁心时气隙磁密分布图，表2为不同磁体结构电动机有、无定子铁心时气隙磁通及其变化关系。可以看出，有、无定子铁心，两种磁体结构几乎具有相同的气隙磁通变化。图3为HALBACH磁体结构电动机机壳内径变化对绕组气隙磁密和磁通及对机壳内径处磁通的影响，常规磁体结构电动机机壳内径变化对绕组气隙磁密、磁通及机壳内径处磁通的影响与HALBACH磁体结构电

0.60.5气隙磁密Bn / T

0.40.30.20.12 无转子铁心、有定子铁心时两种磁体结

构电动机的对比分析

转子无铁心时HALBACH磁体结构电动机及常规磁体结构电动机气隙磁密分布如图1所示，表1给出了两种磁体结构电动机不同位置处的磁通值，表中同时给出了有转子铁心时的相关计算结果。可以看出，对HALBACH磁体结构电动机，转子无铁心与有铁心相比，气隙磁密稍有降低，但对常规磁

气隙磁密Bn / T

30

60

120 角度θ / (°) 90

150

180

0 30 60

图1 有、无转子铁心时电动机气隙磁密分布

1. 有转子铁心HALBACH磁体结构 2. 无转子铁心HALBACH磁体结构

3. 有转子铁心常规磁体结构 4. 无转子铁心常规磁体结构

120 角度θ / (°)

90 150 180

图2 有无定子铁心时电动机气隙磁密分布

1. 有定子铁心HALBACH磁体结构 2. 无定子铁心HALBACH磁体结构 3. 有定子铁心常规磁体结构 4. 无定子铁心常规磁体结构

Fig.1 Air-gap field distribution when the motor with or

without rotor core

Fig.2 Air-gap field distribution when the motor with or

without stator core

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动机相似。可以看出，在（hair+hsyoke）/hpm=6时，机壳内径处磁密已很小，可以忽略不计，机壳内径变化对气隙磁密的影响更可忽略不计。

表2 有、无定子铁心时电动机气 …… 此处隐藏：3241字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……