外转子Halbach阵列永磁电机有限元分析
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摘 要本文分析了Halbach永磁阵列环的优点，并以一台外转子Halbach阵列永磁电机为例，基于商业有限元仿真软件建立了电机磁场模型，并对其在空载和负载的情况下进行仿真分析，获得了电机的磁力线分布图、磁密云图、反电动势波形图、气隙磁密波形等电机特性曲线，并对其性能进行分析。
【关键词】Halbach阵列 永磁电机 有限元分析
1 引言
随着稀土永磁材料的出现，永磁电机得到了飞速的发展，获得了越来越多的应用。近些年来，国民经济日益发展，众多应用场合对永磁电机的性能要求也越来越高，行业标准及经济指标逐渐提升，常规磁路结构永磁电机逐渐表现出一定的局限性，如因定、转子均需采用磁性材料为磁路提供通路，以获得较大的气隙磁密，电机重量及转动惯量指标提升受限，难以满足系统快速响应要求；因永磁体位于转子表面，气隙长度相对较大，电机功率密度进一步提升困难；受气隙磁场谐波、电枢导体非连续分布及定子开槽影响，低速时转矩波动相对较大，严重影响系统运行的平稳性。
为迎合电机产品发展和低速伺服系统应用需求，各国学者纷纷对永磁体充磁方式和排列方式进行研究，新型磁路结构不断涌现，其典型代表之一为Halbach阵列结构。本位以一台外转子Halbach阵列永磁电机为例，基于商业有限元仿真软件对其建模仿真，获得了电机气隙磁场分布，并对电机空载特性和负载特性进行分析。
2 Halbach电机结构
2.1 Halbach阵列
'Halbach阵列结构“是将不同充磁方向的永磁体块按照一定规则进行排列组合，其结果是阵列一侧的磁场密度增加，而另一侧的磁场密度明显减弱，从而获得比较理想的单边磁场和磁密分布[1]。近些年来，一些学者将Halbach阵列应用于电机领域，即将其作为表贴式转子磁钢，以获得正弦性好的气隙磁场分布。与常规磁路结构相比，Halbach阵列具有聚磁效果，能够提供较高的气隙磁密，有利于提高电机转矩密度，减小电机体积；能够提供正弦度高的气隙磁密，减小转矩脉动，提高系统低速运行的平稳性；具有自屏蔽作用，可省去转子铁心，甚至是定子铁心，一方面降低了涡流损耗，提高了电机效率，另一方面减轻了重量，降低了转动惯量，改善系统的快速响应能力[2-4]。
2.2 Halbach阵...
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