HALBACH磁体结构电动机及其与常规磁体_省略__II_无导磁铁心电机的对比研

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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2004年6月

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隙磁通的变化 Tab.2 Magnetic flux at different location when the motor

with or without stator core

有定子铁心

HALBACH 磁体电动机 常规磁体电动机

0.8528 0.946

0.568 0.629

33.4 33.5

/(×10-5Wb/mm)

无定子铁心 /(×10-5Wb/mm)

磁通 变化率(%)

4 无定子铁心电动机磁体厚度变化对气 隙磁密的影响

图4、图5为不同磁体结构电动机定子无铁心时永磁体厚度对气隙磁密分布及磁通的影响，在分析时假定机壳内径足够大，因此机壳的导磁性不会对气隙磁密有影响。可以看出，同有定子铁心电动机磁体厚度变化所导致的气隙磁通、磁密的变化规律相似，在磁体厚度较小时，HALBACH磁体结构所提供的气隙磁密和磁通较小，但随磁体厚度的增加，HALBACH磁体结构电动机的气隙磁密、磁通增加量要大于常规磁体结构电动机磁密和磁通的增加量，当磁体厚度增加到一定值时，HALBACH磁体结构电动机的气隙磁密和磁通要高于常规磁体结构，因此对无定子铁心电动机来说，应采用

HALBACH磁体结构，并尽可能增加磁体厚度，以保证气隙磁密值。

0.5气隙磁密Bn / T

30

60 气隙磁密Bn / T

0.40.30.20.10

30

60

90 120

角度θ / (°)

150

180

120 /角度θ(°)

90 150 180

(a)对气隙磁密分布的影响

磁通Φ / (×10-6Wb mm-1)

108642

（a）HALBACH磁体结构电动机

0.5气隙磁密Bn / T 0.40.30.20.10

30

0 2 4 6 8 10 12

/hpm（hair+hsyoke ）

（b）对气隙磁通及机壳内径处磁通的影响

图3 HALBACH磁体结构电动机机壳内径变化对

磁密及磁通的影响

1. (hair+hsyoke)/hpm=1 2. (hair+hsyoke)/hpm=2.78 3. (hair+hsyoke)/hpm=5.89 4. (hair+hsyoke)/hpm=9

5. (hair+hsyoke)/hpm=12.11

60 90

120

/ () 角度θ°

150 180

（b）常规磁体结构电动机

图4 磁体厚度变化时电动机气隙磁密分布的变化

1. hpm=3mm 2. hpm=5mm 3. hpm=7mm

4. hpm=9mm 5. hpm=11mm

Fig.3 Variation of air-gap magnetic

flux and flux density

Fig.4 Variation of air-gap field distribution with the

variation of magnet radial dimension

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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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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。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/x72i.html