哈尔巴赫阵列来历,磁铁在里面的作用

1973年,美国学者马连森发现了一种特殊的永磁结构,并在组装永磁结构时称之为“磁好奇心”。他不知道这种结构的应用价值。1979年,美国学者克劳斯·哈尔巴赫(Klaus Halbach)发现了这种特殊的永磁结构,并利用各种永磁结构产生的磁场进行电子加速实验,使其逐渐完善。最后,形成了所谓的“哈尔巴赫”磁铁。Halbach磁环是磁铁径向和平行排列的组合。

端部效应,以及周围材料的磁导率为无穷大,则上述永磁体结构最终形成单侧磁场,这是一个显著的哈尔巴赫特性。这一特性表明在直线电机中具有很好的应用价值。

哈尔巴赫阵列来历,磁铁在里面的作用

哈尔巴赫阵列的应用

•单面通量在很多应用中都很有用–数据安全–运输–电机设计

•Halbach阵列固有的重量效率

•阵列提供的通量高于相同尺寸的单片磁铁

虽然几乎所有应用都需要强场,但最佳场形态取决于阵列的预期用途:

–消磁者更喜欢“刀”场–不惜任何代价获得最大| B |

–制动系统应最大化dB/dx

–可飞系统喜欢最小的杂散场

–摆动器需要较高的空间频率

与传统电机相比,哈尔巴赫电机具有以下优点:

高功率密度

与传统永磁电机结构相比,Halbach磁环分解后的平行磁场与径向磁场叠加,另一侧磁场强度大大增强,可有效减小电机的尺寸,提高电机的功率密度,不再需要固定转子的滑槽。

在传统的永磁电机中,由于气隙磁场中不可避免地存在谐波,通常在定子-转子结构中采用斜槽来削弱其影响。在哈尔巴赫电机中,由于气隙磁场的高正弦分布和谐波含量小,定子和磁转子不需要斜槽。

转子可以由非铁芯材料制成

因为Halbach阵列磁铁的自屏蔽效应不再需要使用磁性材料为转子提供通道,这不仅为转子提供了更多的材料选择,还允许系统具有更低的惯性矩和更好的快速响应性能。

利用率高

由于磁体的部分磁化,永磁体具有较高的工作点,一般大于0.9,这提高了永磁体的利用率。可与集中绕组一起使用,在传统的永磁电机中,常采用分布绕组来削弱谐波磁动势的影响。集中绕组由于其磁场的高正弦分布和谐波磁场的影响较小,可用于电机。采用哈尔巴赫电机磁铁布置可以降低电机的转矩脉动,从而大大降低对电机轴承的要求。

(a) 径向磁铁排列中的磁场分布

(b) 平行磁铁排列中的磁场分布

(c) 磁场分布的哈尔巴赫分布