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B_r=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