Halbach型永磁陣列的應用綜述
周贛,黃學良,周勤博,傅萌
(東南大學,江蘇南京210096)
摘要:闡述了Halbach永磁陣列的特點和制造方法,緊密結合Halbach永磁陣列的主要優點,詳細討論了其在高速電機、高精度伺服電機、直線電動機、多自由度電機、磁懸浮列車、磁軸承、醫學等領域內的應用現狀。
關鍵詞:HMbach陣列;特點;應用
中圖分類號:TMl53 文獻標識碼:A 文章編號:1004—7018(2008)08—0052—04
0引言
Halbach永磁陣列的概念最早是由美國勞倫斯伯克利國家實驗室的Klaus Halbach教授提出[1],并在20世紀90年代被國內外研究機構相繼成功應用于新一代的粒子加速器、自由電子激光裝置、同步輻射裝置等高能物理領域中。
Halbach陣列是一種新型永磁體排列方式,它將不同磁化方向的永磁體按照一定的順序排列,使得陣列一邊的磁場顯著增強而另一邊顯著減弱,且很容易得到在空間較理想正弦分布的磁場。Hal—bach陣列的這些特性使其在永磁電機領域中具有廣闊的應用前景,Halbach陣列在學術界和工業界都受到了廣泛的關注。近十幾年來,在權威期刊和國際會議上,有很多與Halbach陣列相關的文獻出現[4-12]。有些知名大學(如MIT、東京大學)已經對Halbach陣列的應用進行了卓有成效的研究[2-3,12]。
本文在闡述了Halbach陣列的特點及其制造方法之后,重點討論其在永磁電機領域內的各項應用。
l Halbach陣列的特點
通常的永磁電機設計中,永磁陣列多采用徑向或切向結構。Halhaeh陣列打破了這些傳統的排列方式,使永磁體磁化強度的方向沿陣列旋轉變化。
理想的Halbach陣列(如圖la所示,本文以直線Halbach陣列為例進行分析)由一塊磁化強度沿陣列方向呈正弦蠻化的永磁體構成:Halbach陣列也可以由分段磁體構成,各磁體的磁化方向沿陣列依次
旋轉一角度(圖1b為旋轉90。,圖1c為旋轉45。)。圖2為圖1b所示陣列的磁場仿真結果,從仿真結果可以看出,磁場呈現明顯的單邊性.
研究發現,Halbach陣列主要具有以下特點:
(1)強側磁場在空間具有理想的正弦分布MIT的Kim博士在文獻[2]中提出了一種Hal—
bach陣列的解析分析法,利用該方法,作者對圖3a所示陣列的磁場進行了求解,其中i=25 mm,永磁體剩磁Br=1.3 T。
作者得出:陣列弱側(x≥△)磁場很小,強側(x≤0)磁場含有基波、5次、9次等諧波分量,不包含3次、7次、11次等諧波分量(參見圖3b),這說明較傳統永磁陣列,Hslbach陣列在強側具有更理想的正弦分布磁場。
磁場諧波比例隨氣隙變化的規律如圖3c所示。
可以看出:在x=0處,諧波分量還比較豐富,當x=-O.25 mm時,就可以得到較為理想的正弦分布磁場。
(2)“磁單極子”特性
陣列一側磁場很強,另一側磁場很弱(有人稱之為“磁單極子”),強側的磁場可達到相同體積的傳統陣列的√2倍。文獻[11]以某種徑向激磁的電機為例,當采用Hdbach永磁陣列后(在相同磁陣列體積情況下),強側氣隙磁密幅值增大百分之41,基波磁密幅值增大百分之11。
作者使用Ansys軟件對圖3a所示陣列和同體積的徑向陣列進行了仿真分析,得出這兩種陣列在0.25 mm氣隙處的磁感應強度幅值分別為0.863 1T(強側)和0.569 2 T,HaIbach陣列強側磁場為徑向陣列磁場的1.5倍左右,而在Halbach陣列弱側O.25 mm氣隙處的磁感應強度幅值為O.3 T,整個陣列呈現明顯的“磁單極子”特性。
2 Halbach陣列的制造方法
文獻[11]提出了兩種可供選擇的制造永磁HfdllJach陣列的方法,文獻[2]提出了一種利用繞組實現Halbach型單邊磁場的方法。在重點討論Hal—bach陣列的應用之前,有必要介紹一下Halllach陣列的制造方法。
(1)方法1:根據陣列的拓撲結構,使用磁體膠將預先 |