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磁铁结构 - 海尔贝克阵列


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。科学家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 Array
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。
  
Halbach 磁环
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


1.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。

2.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。

3.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。

4.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。

5.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