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H albach 型永磁体阵列的排列方式, 不仅能够改善
气隙磁场波形, 而且能够提升气隙磁密幅值, 是改善
气隙磁场波形的首选方法。
3. 3　磁极的结构分析
永磁体的村料、外形、排列方式很大程度上决定
了电机的性能。对磁钢的设计要尽可能在增大每极
主磁通的同时保证气隙磁场的正弦波形, 并减小电
机的漏磁系数。
a) 　90°Halbach 型永磁体阵列
b) 　60°Halbach 型永磁体阵列
c) 　45°Halbach 型永磁体阵列
图 5　不同夹角的Halbach 阵列气隙磁密波形
　　在本电机中, 永磁体材料为钕铁硼。按照本文研
究对象的要求, 应该使气隙磁通增加而转子轭部磁
通减少, 而 Halbach 型永磁体阵列的主要特点就是
使得永磁体一侧磁场增强, 一侧磁场减弱。永磁体应
用Halbach 阵列形式排列是永磁同步盘式电机的最
佳选择。
(1) 不同角度的 H albach 型永磁体阵列对气隙磁场
的影响
H albach 阵列相邻的磁化矢量间存在着夹角,
工程中常被使用的有 45°、60°和 90°。不同的阵列结
构对气隙磁场影响很大。下图给出了极弧系数 Αp、磁
钢内外径和厚度完全相同, 采用不同角度的 Hal2
banch 阵列时, 气隙磁密的波形。
从图 5 可以看出, 随着磁化矢量间角度的减小,
磁钢每一极的磁化段数增多, 磁密波形越来越趋近
于正弦形。但45°的Halbach 型永磁体阵列气隙磁密
幅值(0. 522T) 明显小于 60°时的情况(0. 594T), 这
将导致电机功率因数下降。从磁密、波形综合比较来
说, 60°的 Halbach 型永磁体阵列的工程上效果最
好。
(2) 气隙长度与磁钢厚度比值 Χ对气隙磁密的影响
若将钕铁硼的退磁曲线看作是线性的, 由磁路
计算的方法, 则可以近似地推出轴向磁场的盘式电
机的气隙磁密幅值表达式:
B ?= B r (Ρ+ Λrl? hM (8)
式中,B r 为永磁体剩磁密度
Λr 为相对恢复磁导率
l? 为气隙长度
hM 为磁体厚度
Ρ 为漏磁系数
在图 2 中, l? hM = d0 (2d), 令 Χ= d0 (2d), 由
式(8)可知, 气隙磁密最大值B ? 基本与极弧系数 Αp
无关, 而主要取决于 Χ值的大小。
按照上面的分析, 当相邻的磁化矢量夹角为
60°的时候, 形成的磁场效果最佳。这里, 就以 60°的
H albach 型永磁体阵列的对象, 改变 Χ值, 分析其对
气隙磁密的影响。
在分析过程中, 改变 Χ值, 是通过在气隙总长度
保持不变的情况下改变磁钢的厚度 hM 来实现的。
下表列举了采用三维有限元法分析出的不同 Χ值
下, 气隙磁密的峰值情况。
由表中数据可以看出, 气隙磁密峰值是随着 Χ
值的减小而单增加的, 这和由磁路计算的方式推出
的近似公式(8)所得结论是一致的。
Χ值 气隙磁密峰值
1. 200 0. 379T
1. 091 0. 405T
1. 000 0. 448T
0. 909 0. 469T
0. 800 0. 495T
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基于HALBACH 阵列的永磁同步盘式无铁心电机磁钢设计　王晓远　闫　杰　刘　艳, 等
? 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.　　从电机出力的角度来说, Χ值起小越好。但在气
隙长度保持不变的情况下, 减小 Χ值, 就意味着增加
永磁体厚度, 这会使电机体积、重量都大大增加; 而
且由于在此电机中, 磁钢是直接粘在转子盘上的, 磁
钢厚度的增加也会使转动惯量增加, 响应速度变慢,
影响电机的工作效率。综合以上因素考虑, 可以选取
Χ= 1 的情况。此时, 永磁体的厚度等于气隙总长度,
气隙磁密B ?= B r 2, 对有着较高剩磁密度的钕铁硼
永磁体来说, 是最为经济的尺寸。这也是诸多专业书
籍所推荐的情况。
(3) 永磁体的结构及尺寸
基于以上的分析, 确定磁钢的排列采用 60°Hal2
bach 阵列形式, 并取气隙长度与永磁体厚度比值 Χ
= 1。
H albach 型永磁体阵列的加工方式主要有两
种: 一种是整体环形充磁; 另一种是将充磁后的永磁
体块拼装成Halbach 阵列。前者就现有的技术来说,
还不完善; 后者工艺比较简单, 是主要的加工方法。
应用第二种工艺, 按照前文所述的电机参数, 拼
装 60°的Halbach 永磁体阵列, 需要加工的各个永磁
体块尺寸以及充磁方向如图 6 所示, 每一极由 1 号、
2 号、3 号永磁体各一块共同构成。
图 6　60°Halbach 永磁体阵列永磁体块示意图
这种由块状永磁体拼接而成的Halbach 阵列会
出现明显的谐波, 但由于本电机定子电枢无槽无铁
心, 谐波基本都可以被滤去, 保证气隙磁场为正弦曲
线。
4　结　论
通过对电机气隙磁场三维有限元分析, 将Hal2
bach 阵列的概念引入电机永磁体的设计中。在H al2
bach 阵列的基础上, 以电机主磁通和气隙磁场波形
为研究对象, 确定了该电机磁钢的排列方式及尺寸。
与磁钢采用其他排列形式的电机比较, 该电机气隙
磁密更高, 漏磁系数更小, 气隙磁场波形呈正弦曲
线, 并有着更高的力能密度。
参考文献
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业出版社, 1997
作者简介: 王晓远(1962- ), 男, 副教授, 研究方向为电
机设计、应用以及电磁场分析。
国外动态
简化的高性能马达驱动设计
美国国际整流器(IR) 公司的 MIOT ION 集成
设计平台, 可提供一个更佳的变速马达驱动设计方
案。新集成设计平台结合了基准功率半导体技术以
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D riveTM 集成功率模块等。
(邓隐北摘自《国际电子商情》2003 年 12 月)
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微电机　2005 年　第 38 卷　第 1 期(总第 142 期)
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