Halbach型永磁阵列的应用综述
周赣，黄学良，周勤博，傅萌
(东南大学，江苏南京210096)
摘要：阐述了Halbach永磁阵列的特点和制造方法，紧密结合Halbach永磁阵列的主要优点，详细讨论了其在高速电机、高精度伺服电机、直线电动机、多自由度电机、磁悬浮列车、磁轴承、医学等领域内的应用现状。
关键词：HMbach阵列；特点；应用
中图分类号：TMl53 文献标识码：A 文章编号：1004—7018(2008)08—0052—04
0引言
Halbach永磁阵列的概念最早是由美国劳伦斯伯克利国家实验室的Klaus Halbach教授提出[1]，并在20世纪90年代被国内外研究机构相继成功应用于新一代的粒子加速器、自由电子激光装置、同步辐射装置等高能物理领域中。
Halbach阵列是一种新型永磁体排列方式，它将不同磁化方向的永磁体按照一定的顺序排列，使得阵列一边的磁场显著增强而另一边显著减弱，且很容易得到在空间较理想正弦分布的磁场。Hal—bach阵列的这些特性使其在永磁电机领域中具有广阔的应用前景，Halbach阵列在学术界和工业界都受到了广泛的关注。近十几年来，在权威期刊和国际会议上，有很多与Halbach阵列相关的文献出现[4-12]。有些知名大学(如MIT、东京大学)已经对Halbach阵列的应用进行了卓有成效的研究[2-3,12]。
本文在阐述了Halbach阵列的特点及其制造方法之后，重点讨论其在永磁电机领域内的各项应用。
l Halbach阵列的特点
通常的永磁电机设计中，永磁阵列多采用径向或切向结构。Halhaeh阵列打破了这些传统的排列方式，使永磁体磁化强度的方向沿阵列旋转变化。
理想的Halbach阵列(如图la所示，本文以直线Halbach阵列为例进行分析)由一块磁化强度沿阵列方向呈正弦蛮化的永磁体构成：Halbach阵列也可以由分段磁体构成，各磁体的磁化方向沿阵列依次
旋转一角度(图1b为旋转90。，图1c为旋转45。)。图2为图1b所示阵列的磁场仿真结果，从仿真结果可以看出，磁场呈现明显的单边性．
研究发现，Halbach阵列主要具有以下特点：
(1)强侧磁场在空间具有理想的正弦分布MIT的Kim博士在文献[2]中提出了一种Hal—
bach阵列的解析分析法，利用该方法，作者对图3a所示阵列的磁场进行了求解，其中i=25 mm，永磁体剩磁Br=1．3 T。
作者得出：阵列弱侧(x≥△)磁场很小，强侧(x≤0)磁场含有基波、5次、9次等谐波分量，不包含3次、7次、11次等谐波分量(参见图3b)，这说明较传统永磁阵列，Hslbach阵列在强侧具有更理想的正弦分布磁场。
磁场谐波比例随气隙变化的规律如图3c所示。
可以看出：在x=0处，谐波分量还比较丰富，当x=-O.25 mm时，就可以得到较为理想的正弦分布磁场。
(2)“磁单极子”特性
阵列一侧磁场很强，另一侧磁场很弱(有人称之为“磁单极子”)，强侧的磁场可达到相同体积的传统阵列的√2倍。文献[11]以某种径向激磁的电机为例，当采用Hdbach永磁阵列后(在相同磁阵列体积情况下)，强侧气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软件对图3a所示阵列和同体积的径向阵列进行了仿真分析，得出这两种阵列在0．25 mm气隙处的磁感应强度幅值分别为0．863 1T(强侧)和0．569 2 T，HaIbach阵列强侧磁场为径向阵列磁场的1．5倍左右，而在Halbach阵列弱侧O．25 mm气隙处的磁感应强度幅值为O．3 T，整个阵列呈现明显的“磁单极子”特性。
2 Halbach阵列的制造方法
文献[11]提出了两种可供选择的制造永磁HfdllJach阵列的方法，文献[2]提出了一种利用绕组实现Halbach型单边磁场的方法。在重点讨论Hal—bach阵列的应用之前，有必要介绍一下Halllach阵列的制造方法。
(1)方法1：根据阵列的拓扑结构，使用磁体胶将预先 |
