钕铁硼的海尔贝克阵列的应用
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海尔贝克阵列(Halbach Array)是一种磁体结构,是工程上的近似理想结
构,目标是用最少量的磁体产生最强的磁场。1979 年,美国学者Klaus Halbach做
电子加速实验时,发现了这种特殊的永磁铁结构,并逐步完善这种结构,最终形成
了所谓的“Halbach”磁铁。
Halbach磁体结构是工程上理想结构的近似,目标是用最少量的磁体产生最
强的磁场。利用特殊的磁体单元的排列,增强单位方向上的场强。
对于工程上有极为重要意义。当然具体运用极为复杂,在此不做涉及
在 1973 年,美国学者Mallianson 在对永久磁铁结构进行拼装实验时发现了一
种奇特的永磁铁结构,并把它称为〝Magnetic Curiosity〞。他当时并没有察觉
到这种结构的应用价值。1979 年,美国学者Klaus Halbach再利用各种永磁铁结
构产生的磁场做电子加速实验时,发现了这种特殊的永磁铁结构,并逐步完善这
种结构,最终形成了所谓的“Halbach”磁铁。Halbach磁环是将磁铁径向式与平行
式排列结合在一起,如果忽略端部效应,并把周围的导磁材料的导磁率看作无穷
大,那么上述永磁体结构最终形成单边磁场(one-sided field),这就是Halbach
一个显着的特点。这一特点表示Halbach磁铁在线性电机中有很好的应用价值。
相对于传统电机,Halbach电机有下列几种优越性:
功率密度大
相对于传统永磁电机架构,由于Halbach磁环分解后的平行磁场与径向磁场的相
互迭加使得另一侧的磁场强度大幅度提升,这样可有效地减小电机的体积,提升
电机的功率密度。
定转子不再需要斜槽
在传统永磁电机中,由于气隙磁场不可避免的存在谐波,一般在定转子架构上
采取斜槽削弱其影响。在Halbach电机中,由于气隙磁场正弦分布程度较高,谐
波含量小,故定转子无需斜槽。
转子可采用非铁心材料
由于Halbach磁铁自屏蔽效应产生的单边磁场分布不再需要转子采用磁性材料为
其提供通路,这样不仅为转子选材料提供了较大的选择空间,而且可以使系统有
较低的转动惯量和较好的快速附应性能。
永久磁铁利用率高
由于Halbach磁铁分向磁化的结果,导致其永久磁铁工作点较高,一般均超过
0.9,提升了永久磁铁的利用率。
可使用集中式绕组
传统永磁电机中往往采用分布式绕组来削弱谐波磁动势的影响。在Halbach电机
中由于其磁场正弦分布程度较高,谐波磁场影响较小,故可采用集中式绕组。
采用Halbach电机磁铁排列,可以降低电动机之转矩涟波,因而对于电动机的轴
承要求大大的减小。
(a)径向式磁铁排列磁场分布
(b)平行式磁铁排列磁场分布
(c)Halbach排列磁场分布
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