Halbach 結(jié)構(gòu)在正弦波驅(qū)動電機(jī)中的優(yōu)化應(yīng)用

張明強(qiáng)，謝海東，陳海軍，李 勝，鄧友均

（成都微精電機(jī)股份公司，成都 610052）

0 引言

隨著正弦波驅(qū)動技術(shù)的成熟及元器件成本降低，各軍事及民用領(lǐng)域?qū)φ也?qū)動電機(jī)需求越來越大［1-2］。Halbach 磁體陣列結(jié)構(gòu)較常規(guī)磁體結(jié)構(gòu)能得到較理想的正弦波氣隙磁密分布［3］，同時(shí)，該種結(jié)果具有良好的聚磁和磁屏蔽作用，相比常規(guī)磁體結(jié)構(gòu)可獲得更大的氣隙磁通密度，從而減小轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁軛的厚度。國內(nèi)針對該結(jié)構(gòu)電機(jī)做了大量研究，楊靜［4］針對Halbach陣列永磁體排列方式，以100 kW高速永磁發(fā)電機(jī)作為研究對象，分析了永磁體裝配過程中的重點(diǎn)、難點(diǎn)，并詳細(xì)介紹了永磁體裝配工藝。王曉遠(yuǎn)等［5］從優(yōu)化結(jié)構(gòu)角度出發(fā)，基于Halbach陣列楔形氣隙盤式無鐵心永磁同步電機(jī)，通過改變氣隙結(jié)構(gòu)以進(jìn)一步提高盤式無鐵心永磁同步電機(jī)的氣隙磁密。利用FEM方法對16極盤式永磁同步電機(jī)進(jìn)行建模，進(jìn)而對均勻氣隙與楔形氣隙兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜態(tài)氣隙磁場分析比較。證明了該方法可以達(dá)到提高電機(jī)性能。宋國強(qiáng)等［6］針對Halbach陣列的電機(jī)結(jié)構(gòu)，介紹了其原理，通過仿真驗(yàn)證了Halbach陣列的特性。通過對相同尺寸的永磁電機(jī)進(jìn)行普通徑向充磁和Halbach充磁方式的仿真計(jì)算，對比計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了Halbach永磁電機(jī)的優(yōu)越性。高鋒陽等［7］針對高功率密度的永磁同步電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩及永磁體渦流損耗大的問題，設(shè)計(jì)一種部分分段Halbach結(jié)構(gòu)的表貼式永磁同步電機(jī)，永磁體采用Halbach充磁方式，每極分為3段，主磁極采用單側(cè)部分分段，邊界磁極與主磁極不等厚且不等寬。經(jīng)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)降低了永磁體渦流損耗、齒槽轉(zhuǎn)矩及永磁體體積。倪有源等［8］提出雙層Halbach永磁電機(jī)的二維解析模型，模型中轉(zhuǎn)子永磁包括內(nèi)外兩層，每層每極均由兩塊永磁構(gòu)成，且每層中間磁塊均為徑向磁化。通過分區(qū)域求解標(biāo)量磁位的微分方程，解析得到雙層Halbach 無槽電機(jī)的氣隙磁場。計(jì)算結(jié)果表明，雙層Halbach電機(jī)而且電磁轉(zhuǎn)矩的波動更小，因此具有更好的電磁性能。

近年來，Halbach磁體陣列結(jié)構(gòu)逐漸應(yīng)用到正弦波驅(qū)動電機(jī)中［9］，但是由于相鄰磁體間的排斥力，導(dǎo)致制造難度較大。針對類此問題本文從實(shí)際制造加工的角度出發(fā)，對Halbach 磁體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

1 常規(guī)磁體結(jié)構(gòu)與Halbach磁體結(jié)構(gòu)對比

Halbach陣列永磁體具有良好的自屏蔽效應(yīng)，并且可以產(chǎn)生比剩余磁場強(qiáng)度值更大的靜磁場，常用Halbach 陣列的結(jié)構(gòu)主要有：直線型Halbach 陣列，直線型是最基礎(chǔ)的Halbach 陣列組成形式，這種陣列磁體可以視為一種徑向陣列與切向陣列的結(jié)合體，理想的直線型Halbach 陣列的磁化矢量是按正弦曲線連續(xù)變化，其強(qiáng)磁場一側(cè)的場強(qiáng)大小也是按正弦形式分布，而另一側(cè)是零場強(qiáng)，直線型Halbach 陣列目前主要應(yīng)用于直線電機(jī)；圓柱形Halbach 陣列，主要分為多對極Halbach 圓柱型陣列與單對極Halbach 圓柱型陣列兩類，圓柱形Halbach 陣列可視為將直線型Halbach陣列彎曲首尾相接組合而成的圓環(huán)形狀，圓柱形Halbach陣列主要應(yīng)用于永磁電機(jī)、永磁軸承與旋轉(zhuǎn)式磁制冷機(jī)中［10］。但是相比于直線型Halbach陣列，圓柱形Halbach陣列結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致材料損耗增加、工藝復(fù)雜程度提升與部分位置的磁塊拼接難度大等問題。

相同結(jié)構(gòu)尺寸下，從制造加工角度出發(fā)，以4 對極無刷電機(jī)轉(zhuǎn)子為例，對比常規(guī)磁體結(jié)構(gòu)和Halbach 磁體結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)［11］。由圖1～2可以看出：

圖1 常規(guī)磁體結(jié)構(gòu)

（1）在常規(guī)磁體結(jié)構(gòu)中相鄰間磁體極性相反，相互之間為吸附力，同時(shí)磁體與轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁軛間也為吸附力。磁體粘接過程中，磁體均自動吸附到轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁軛上，操作工藝簡單。

（2）在Halbach磁體陣列結(jié)構(gòu)中相鄰間極性相近，相互之間為排斥力，磁體與轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁軛間為吸附力。一般情況下，相鄰磁體間的排斥力大于磁體與轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁軛間的吸附力。磁體粘接過程中，必須由輔助工裝保證磁體與轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁軛間緊密貼合，操作工藝復(fù)雜。

（3）在Halbach磁體結(jié)構(gòu)中，每極磁體塊數(shù)越多，則導(dǎo)致制造工藝越復(fù)雜、尺寸要求更嚴(yán)，增加了制造難度。

圖2 Halbach磁體結(jié)構(gòu)

2 Halbach磁體結(jié)構(gòu)在正弦波驅(qū)動電機(jī)中的應(yīng)用

正弦波驅(qū)動電機(jī)一般為表貼式磁體結(jié)構(gòu)，同時(shí)采用較多的極對數(shù)以提高力矩系數(shù)，減小電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動［12］。以190 基座號的正弦波驅(qū)動電機(jī)為例，電機(jī)極對數(shù)為p ＝5，電機(jī)采用Halbach磁體陣列結(jié)構(gòu)（每極2 塊磁體），即轉(zhuǎn)子外圓由20 塊磁體拼接而成。

為滿足高性能指標(biāo)要求，在結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際情況下，一般選用經(jīng)機(jī)械加工保證尺寸精度要求的稀土永磁體［13］。國家標(biāo)準(zhǔn)GB／T13560-2017附錄中推薦的磁體尺寸偏差如表1所示。

表1 磁體推薦尺寸偏差

以190基座號電機(jī)為例，磁體為瓦片形，一般采用線切割加工而成。20塊磁體拼接的轉(zhuǎn)子外圓的累積公差為±0.03 mm×20 ＝±0.6 mm，即公差帶范圍為1.2 mm。由于累積公差較大，粘接時(shí)磁體間可能出現(xiàn)較大縫隙或無法全部嵌入的情況［14］。同時(shí)，由于相鄰磁體間存在排斥力，在進(jìn)行轉(zhuǎn)子裝配時(shí)為將各磁體間隙調(diào)整均勻，需依次調(diào)整磁體和輔助工裝，在裝配過程中工藝操作過程難度大、效率低［15］。

從上述情況可知，當(dāng)磁體拼接數(shù)量較多時(shí)，要保證各磁體之間間隙均勻需提高磁體的加工精度，減小累積公差，但會增加加工難度和成本，同時(shí)需要輔助工裝配合拼接和操作者長期的裝配經(jīng)驗(yàn)。

為保證電機(jī)各極磁體分布均勻和降低工藝操作難度，本文提出將Halbach磁體陣列結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將每極大小磁體的內(nèi)圓弧加工成不同尺寸，如圖3～4所示。通過在轉(zhuǎn)子軛部分加工一個(gè)較小的凹槽，采用機(jī)械結(jié)構(gòu)鎖死的方式保證轉(zhuǎn)子各磁極分布的均勻性，拼接時(shí)每件大磁體嵌入轉(zhuǎn)子軛槽內(nèi)，小磁體嵌入兩件大磁體之間，這種結(jié)構(gòu)避免了磁體間的累積公差造成磁體分布不均勻或出現(xiàn)不能完全嵌入的情況，達(dá)到保證各磁極均勻分布的目的，另一方面，該種結(jié)構(gòu)不需要操作者太多的經(jīng)驗(yàn)累積，只需按照操作步驟將磁體拼接完成即可，各磁極的公差只表現(xiàn)為磁體與轉(zhuǎn)子軛槽的配合公差。優(yōu)化前后磁體尺寸如表2所示。

圖3 Halbach磁體陣列結(jié)構(gòu)優(yōu)化前

圖4 Halbach磁體陣列結(jié)構(gòu)優(yōu)化后

表2 優(yōu)化前后磁體尺寸對比

利用Maxwell軟件建立電機(jī)二維仿真模型，根據(jù)公式f ＝np／60，合理設(shè)置計(jì)算周期與步長［16］，對電機(jī)氣隙部分進(jìn)行多層剖分，在靠近電機(jī)定子齒內(nèi)表面的氣隙位置做節(jié)圓，對優(yōu)化前、后的氣隙磁通密度進(jìn)行仿真計(jì)算，波形結(jié)果如圖5 所示；對電機(jī)相同激勵(lì)下的輸出性能進(jìn)行計(jì)算，輸出轉(zhuǎn)矩計(jì)算結(jié)果如圖6所示，改進(jìn)前與改進(jìn)后轉(zhuǎn)矩相差約1%。

圖5 氣隙磁密波形對比圖

圖6 輸出轉(zhuǎn)矩對比圖

由上述仿真和計(jì)算結(jié)果可知，優(yōu)化前后電機(jī)的的磁通密度波形幾乎沒有變化，性能參數(shù)變化極小，結(jié)果表明，優(yōu)化后的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不會影響電機(jī)的整體性能，同時(shí)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)能充分保證轉(zhuǎn)子磁極的均勻分布和有效降低工藝操作難度。

為驗(yàn)證上述措施的有效性，加工電機(jī)定子一件，原始結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子與優(yōu)化后結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子各二件。搭建實(shí)驗(yàn)測試平臺，采用相同定子，分別與優(yōu)化前后四組轉(zhuǎn)子組成四組實(shí)驗(yàn)測試項(xiàng)目，項(xiàng)目1、2優(yōu)化前電機(jī)定轉(zhuǎn)子組，項(xiàng)目3、4為優(yōu)化后電機(jī)定轉(zhuǎn)子組，保持4組實(shí)驗(yàn)電壓及額定轉(zhuǎn)速不變，對額定電流、額定轉(zhuǎn)矩、峰值電流與峰值轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5 所示。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用優(yōu)化后的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)電機(jī)額定電流降低了3.55%，額定轉(zhuǎn)矩提高了1.18%，峰值電流提高了0.48%，峰值轉(zhuǎn)矩提高了1.33%。

表5 試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)束語

本文結(jié)合正弦波驅(qū)動電機(jī)特點(diǎn)，對比分析了常規(guī)磁體結(jié)構(gòu)和Halbach磁體結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了一種優(yōu)化Halbach 磁體陣列的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，利用Maxwell軟件分別對優(yōu)化前后電機(jī)的氣隙磁密與轉(zhuǎn)矩進(jìn)行對比分析，得出結(jié)論優(yōu)化后的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不會影響電機(jī)的整體性能。同時(shí)搭建實(shí)驗(yàn)測試平臺進(jìn)行了4 組實(shí)驗(yàn)測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明采用優(yōu)化后的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相較于優(yōu)化前，電機(jī)額定電流降低了3.55%，額定轉(zhuǎn)矩提高了1.18%，峰值電流提高了0.48%，峰值轉(zhuǎn)矩提高了1.33%。，經(jīng)過仿真分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：優(yōu)化后電機(jī)性能較優(yōu)化前輸出性能幾乎無變化，表明該種結(jié)構(gòu)能在不改變電機(jī)性能的基礎(chǔ)上有效改善正弦波驅(qū)動電機(jī)采用Halbach 磁體陣列結(jié)構(gòu)中加工難度大的問題。該種Halbach磁體陣列的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為今后同類型電機(jī)的設(shè)計(jì)和加工等提供了參考。