Halbach型永磁陣列的應(yīng)用綜述
周贛，黃學(xué)良，周勤博，傅萌
(東南大學(xué)，江蘇南京210096)
摘要：闡述了Halbach永磁陣列的特點(diǎn)和制造方法，緊密結(jié)合Halbach永磁陣列的主要優(yōu)點(diǎn)，詳細(xì)討論了其在高速電機(jī)、高精度伺服電機(jī)、直線電動(dòng)機(jī)、多自由度電機(jī)、磁懸浮列車、磁軸承、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用現(xiàn)狀。
關(guān)鍵詞：HMbach陣列；特點(diǎn)；應(yīng)用
中圖分類號(hào)：TMl53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(shí)驗(yàn)室的Klaus Halbach教授提出[1]，并在20世紀(jì)90年代被國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)相繼成功應(yīng)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(lǐng)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(chǎng)顯著增強(qiáng)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(chǎng)。Hal—bach陣列的這些特性使其在永磁電機(jī)領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景，Halbach陣列在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都受到了廣泛的關(guān)注。近十幾年來，在權(quán)威期刊和國際會(huì)議上，有很多與Halbach陣列相關(guān)的文獻(xiàn)出現(xiàn)[4-12]。有些知名大學(xué)(如MIT、東京大學(xué))已經(jīng)對(duì)Halbach陣列的應(yīng)用進(jìn)行了卓有成效的研究[2-3,12]。
本文在闡述了Halbach陣列的特點(diǎn)及其制造方法之后，重點(diǎn)討論其在永磁電機(jī)領(lǐng)域內(nèi)的各項(xiàng)應(yīng)用。
l Halbach陣列的特點(diǎn)
通常的永磁電機(jī)設(shè)計(jì)中，永磁陣列多采用徑向或切向結(jié)構(gòu)。Halhaeh陣列打破了這些傳統(tǒng)的排列方式，使永磁體磁化強(qiáng)度的方向沿陣列旋轉(zhuǎn)變化。
理想的Halbach陣列(如圖la所示，本文以直線Halbach陣列為例進(jìn)行分析)由一塊磁化強(qiáng)度沿陣列方向呈正弦蠻化的永磁體構(gòu)成：Halbach陣列也可以由分段磁體構(gòu)成，各磁體的磁化方向沿陣列依次
旋轉(zhuǎn)一角度(圖1b為旋轉(zhuǎn)90。，圖1c為旋轉(zhuǎn)45。)。圖2為圖1b所示陣列的磁場(chǎng)仿真結(jié)果，從仿真結(jié)果可以看出，磁場(chǎng)呈現(xiàn)明顯的單邊性．
研究發(fā)現(xiàn)，Halbach陣列主要具有以下特點(diǎn)：
(1)強(qiáng)側(cè)磁場(chǎng)在空間具有理想的正弦分布MIT的Kim博士在文獻(xiàn)[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(duì)圖3a所示陣列的磁場(chǎng)進(jìn)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(cè)(x≥△)磁場(chǎng)很小，強(qiáng)側(cè)(x≤0)磁場(chǎng)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(tǒng)永磁陣列，Hslbach陣列在強(qiáng)側(cè)具有更理想的正弦分布磁場(chǎng)。
磁場(chǎng)諧波比例隨氣隙變化的規(guī)律如圖3c所示。
可以看出：在x=0處，諧波分量還比較豐富，當(dāng)x=-O.25 mm時(shí)，就可以得到較為理想的正弦分布磁場(chǎng)。
(2)“磁單極子”特性
陣列一側(cè)磁場(chǎng)很強(qiáng)，另一側(cè)磁場(chǎng)很弱(有人稱之為“磁單極子”)，強(qiáng)側(cè)的磁場(chǎng)可達(dá)到相同體積的傳統(tǒng)陣列的√2倍。文獻(xiàn)[11]以某種徑向激磁的電機(jī)為例，當(dāng)采用Hdbach永磁陣列后(在相同磁陣列體積情況下)，強(qiáng)側(cè)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(duì)圖3a所示陣列和同體積的徑向陣列進(jìn)行了仿真分析，得出這兩種陣列在0．25 mm氣隙處的磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值分別為0．863 1T(強(qiáng)側(cè))和0．569 2 T，HaIbach陣列強(qiáng)側(cè)磁場(chǎng)為徑向陣列磁場(chǎng)的1．5倍左右，而在Halbach陣列弱側(cè)O．25 mm氣隙處的磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值為O．3 T，整個(gè)陣列呈現(xiàn)明顯的“磁單極子”特性。
2 Halbach陣列的制造方法
文獻(xiàn)[11]提出了兩種可供選擇的制造永磁HfdllJach陣列的方法，文獻(xiàn)[2]提出了一種利用繞組實(shí)現(xiàn)Halbach型單邊磁場(chǎng)的方法。在重點(diǎn)討論Hal—bach陣列的應(yīng)用之前，有必要介紹一下Halllach陣列的制造方法。
(1)方法1：根據(jù)陣列的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使用磁體膠將預(yù)先 |
