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(2)

气隙磁通Φ (×10Wb mm-1) 2

61

-6

4

6 8 磁体厚度hpm /mm

10 12

（a）无导磁铁心定子

图5 电动机气隙磁通随磁体厚度的变化 Fig.5 Variation of air-gap magnetic flux with the

variation of magnet radial dimension

5 实验验证

样机电动机以现有的15N m s、30000r/min姿控储能飞轮用无刷直流电动机样机为基础，该电动机极数为6，采用常规转子磁体结构、无齿槽、有定转子铁心（1J50材料，0.1mm片厚），样机电动机的结构尺寸如表3所示，其中定子铁心外有导磁的机壳。制作相同结构尺寸、相同绕组参数的无导磁铁心定子（胶木定子轭），制作两个与原转子具有相同结构尺寸、采用HALBACH磁体结构（每极3块磁体）的转子，其中之一采用导磁转子铁心，其中之二采用不导磁铁心（铝材），图6为部分定转子实物图，这样可以组成6

台不同的样机。

表3 样机电动机部分结构尺寸

Tab.3 Specification of the prototype motor

定子铁心外径Rso/mm 定子铁心内径Rsi /mm 永磁体外径Rpmo/mm 永磁体内径Rpmi /mm

34 26 21.5 17

（b）无导磁铁心HALBACH磁体结构转子

图6 样机电动机的部分定转子 Fig.6 Stator and rotor of the prototype motor

常规磁体结构电动机，定子有铁心时的电动机气隙磁通远大于无定子铁心时电动机的磁通，与分析计算有出入，这是电动机端部漏磁所致，与定子有铁心相比，当定子无铁心时电动机具有更大的端部漏磁。

（4）对常规磁体结构电动机，定子有铁心时，具有比定子无铁心时更好的波形正弦性，这完全由于气隙磁密不同所引起，等同于图2所给出的计算结果（见曲线3、4）。 5.2 电动机试验

图8为HALBACH磁体结构有转子铁心样机电动机运行时空载转速与母线电流之间的关系，其他样机电动机具有相似的特性。其中一个突出的现象是，相同母线电流时，有定子铁心样机电动机的空载转速远高于无定子铁心样机，这不但由于有定子铁心时的电动机气隙磁密高于无定子铁心时，从而使前者具有更大的驱动力矩，还由于无定子铁心时

5.1 气隙磁密波形比较

对集中式绕组电动机来说，相电势波形反映了气隙磁密波形，相电势的幅值反映了气隙磁通的幅值。图7为不同定子、转子所组成的样机电动机在相同转速下的相电势波形图(多示波器图形组合在一起)。可以看出，同前述的理论分析相吻合，即

（1） HALBACH磁体结构电动机的相电势波形的正弦性远优于常规磁体结构电动机。

（2）对HALBACH磁体结构电动机，转子有无铁心对气隙磁密磁通影响不大，无转子导磁铁心时电动机的气隙磁通略小于有转子导磁铁心。

（3）无论是HALBACH磁体结构电动机还是

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电 工 技 术 学 报

2004年6月

导磁导电且为整体钢的定子机壳产生很大的涡流，对电动机运行形成很大的阻力。实际上在进行空载发电动机实验时，相同输入功率的原动机拖动有定子铁心样机和无定子铁心样机，前者转速远高于后者。

了两种磁体结构无导磁铁心时的情况，并与有铁心情况进行了对比，进行了试验验证，主要结论如下：

（1）不论有无导磁铁心，HALBACH磁体结构电动机的气隙磁密波形的正弦性远优于常规磁体结构电动机。

（2）转子有、无导磁铁心，HALBACH磁体结构电动机的气隙磁密、磁通相差不大，但对常规磁体结构电动机，如无转子导磁铁心，与有转子导磁铁心相比，气隙磁密、磁通降低很多，因此如采用无转子导磁铁心，应采用HALBACH磁体结构。

（3）无论HALBACH磁体结构电动机还是常规磁体结构电动机，定子有无铁心导致相同的气隙磁密、磁通变化。如电动机定子无导磁铁心，为避免永磁磁场对周围铁磁物质的电磁干扰及由此引起的涡流损耗，实际有效气隙应为永磁体厚度的6倍以上。

（4）随着磁体厚度的增加，HALBACH磁体结构电动机的气隙磁密的增加量要高于常规磁体结构电动机气隙磁密的增加量，因此对无齿槽电动机甚至无定子铁心电动机，为增加气隙磁密，应采用

(a)无定子铁心电动机

(b)有定子铁心电动机

HALBACH磁体结构，并尽可能增加磁体厚度。

参考文献

1 Zhu Z Q，Howe. Halbach permanent magnet machines

and applications: a review. IEE Proc. Electr. Power Appl., 2001, 148(4)：299～308

2 Yukio Honda, Shizuka Yokote, et al. Using the halbach

magnet array to develop and ultrahigh-speed spindle motor for machine tools. IEEE Industry Applications Society Annual Meeting, New Orieans, LA, 1997：56～60

3 Johnson D, Pillay P, Malengret M. High speed PM

motor with hybrid magnetic bearing for kinetic energy storge. IEEE Industry Applications Conference, 2001.

图7 样机电动机的相电势波形图

1. HALBACH磁体有转子铁心 2. HALBACH磁体无转子铁心

3. 常规磁体有转子铁心

Fig.7 Waveforms of phase EMF for prototyped motors

转速n/ (104×r min-1)

0 0.5

1 1.5

直流母线电流Id /A

2 2.5

Thirty-Sixth IAS Annual Meeting. 2001, 1：57～63

作者简介

徐衍亮 男，1966年生，副教授、工学博士，主要研究方向为永磁电机、特种电机及其控制，磁悬浮轴承的设计及其控制。

姚福安 男，1963年生，副教授，主要研究方向为电子检测及电力

图8 样机电动机空载转速与直流母线电流之间的关系 Fig.8 Relationship between no-load speed and DC current

6 结论

本文在第I部分有铁心HALBACH磁体结构电动机和常规磁体结构电机对比分析的基础上，分析

电子控制。