杜世勤

海尔贝克永磁阵列磁场的仿真和实现

杜世勤

（上海电机学院，上海 201306）

随着工业自动化系统的快速发展，人们对电机驱动性能的要求提高了，拖动电机、信号电机和伺服电机被广泛使用。电机设计的性能参数要求越来越精细，电机伺服服务的范围也越来越大，甚至已经用到了医用机器人上，效果较好。对于永磁励磁的拟合正弦波磁场电机，仿真方面的论文较多，但实体实践并不多。对海尔贝克永磁阵列磁场拟合永磁励磁的正弦波磁场使用Ansoft Maxwell软件仿真，并进行设计和加工制作，完成了理论仿真与实际产品的比对。

永磁励磁；正弦波磁场；Ansoft仿真；设计加工

1 引言

小时候看见年底池塘清淤时，在没有水泵的情况下，几十个人用肩膀担水桶，要花几天的时间，后来用上电动水泵抽水，可连续不断地抽水，把人从繁重的体力劳动中解放出来。碾米厂使用电动机带动皮带轮生产大米，生产能力强。笔者在大学学了电机电器专业，再到工厂上班，很多设备是电机驱动。城市里高楼大厦林立，电梯不停运作，铁轨上动车飞驰，核心部件也是拖动电机。

电机在自动控制系统中还起着发送信号的作用。旋转变压器可以提供导弹发射装置的位置信号，测速发电机用来取得物体的即时速度，在一些较为恶劣的使用环境中，信号电机的使用具有稳定性、可靠性。

电机伺服服务的范围也越来越大，甚至已经用到医用机器人上，效果较好。达芬奇医疗机器人集成了高端运动控制技术，采用了马克森电机，采用稀土磁铁，在低速运行的情况下也不会有齿槽转矩存在。无铁芯永磁伺服电机系统既要有良好的控制器，也要有性能良好的伺服电机。

具有永磁励磁的正弦波磁场伺服电机是自动化系统良好的运动执行元件，设计和制造出这样的电机是高新电机产业追求的目标。完成这个工作比较难，中国大多数文献中还没有出现这方面的内容。一般情况下，采用海尔贝克永磁阵列磁场拟合永磁励磁的正弦波磁场。

在计算机和数值计算技术不发达的年代，电机设计开始是使用磁路法，把电机磁路分成齿部、轭部和气隙几部分，每部分进行磁路计算，需要经验系数予以校正。为了得到经验系数，要进行实验测试，整个过程比较费时费力。

随着计算机的普及和有限元技术的发展，电机设计进入了有限元时代。有限元电机磁场计算可直接得到比磁路法精确的磁路分布，可以多快好省地设计电机。

2 海尔贝克永磁阵列磁场的Ansoft仿真

使用有限元方法计算永磁磁场分布时，无论采用程序还是商用软件，一般分为3步：①前处理工作，完成基本子域组成的几何建模，并给各个子域赋予材料属性，完成边界和交界条件的确定。为了节省计算时间，还要给出计算场域的周期性条件。②场计算，由于场域剖分节点数往往较多，采用迭代计算的数学方程数也较多，计算出场上各点的磁位，即使使用计算机计算也要花上一定的时间。③后处理工作，无论是标量场还是矢量场，要用计算出来各个节点上的磁位得出磁力线、磁通密度、磁通量等有用的磁场物理量。

Ansoft Maxwell是常用的低频电磁场有限元商用仿真软件，被中国许多高校、单位引用，使用其RMxprt模块设计常规电机，其参数可以生成该电机的有限元计算模型，实现无缝对接，是目前最好的电机设计手段之一[1]。

正弦波磁场的永磁励磁磁动势采用海尔贝克永磁阵列结构，论文里常见的是永磁电机内转子结构，每个磁极采用多块外向磁场的磁体阵列。作为网络期刊论文在永磁励磁正弦波磁场的有益补充，本文以内向磁场，即永磁磁场是朝内方向聚合、朝外方向发散的磁场为例计算和设计加工。

海尔贝克永磁阵列的每个永磁磁极使用块磁体，每块磁体的磁化强度均为，极对数为，且第一块（=1时）磁体的充磁方向沿轴正方向，则海尔贝克永磁阵列的第块磁体的磁化强度，分量[2]为：

就海尔贝克永磁阵列磁场进行Ansoft Maxwell仿真。本文以=6，=7计算，由于不能从RMxprt模块得到有限元计算模型，要从几何建模、材料分配、设置边界条件、永磁激励设置、剖分设置、求解器设置一步一步完成有限元磁场计算步骤。完成上述步骤后，从后处理部分得到一个极磁通密度矢量矢量分布图，如图1所示。

图1 极磁通密度矢量B矢量分布图

3 设计和加工

从事过有限元磁场计算的工程人员对场计算的复杂与艰难都深有体会，即使采用Ansoft Maxwell商用软件仿真，也往往在开始时不能完成几何剖分，在完成几何剖分后，计算求解过程也可能不会收敛。辛苦的仿真工作完成后进入设计和加工阶段，得到的磁化矢量方向如下，单位为°：0.000 0，25.714 3，51.428 6，77.142 9，102.857 2，128.571 4，154.285 7，180.000 0，205.714 3，231.428 6，257.142 9，282.857 2，308.571 4和334.285 7。设计图纸如图2所示。

图2 一对磁极磁化方向图

蓝图要变为现实还要找加工企业，上海本地找了几家，杭州也找了，但没有企业愿意做，主要因为这是实验产品，没有产量，却要设计充磁夹具，最后在宁波找到一家企业生产出了产品，如图3所示。通过显磁片显示，磁场分布呈现正弦波形，与图1的仿真计算结果一致。

图3 实物产品

4 结论

海尔贝克永磁阵列磁场在中国现有充磁生产条件下，是能实现的最好的正弦波磁场，永磁伺服电机可在高端机器人中使用，人们可从这个方向努力开发新产品。本文使用Ansoft Maxwell仿真了海尔贝克永磁阵列磁场，设计和加工了一个海尔贝克永磁阵列，理论与实际取得了一致，验证了其基础性能，为下一步配合高端电机控制器，进而做出性能良好的永磁伺服电机奠定了基础。

［1］赵博，张红亮.Ansoft 12在工程电磁场中的应用［M］.北京：中国水利水电出版社，2010.

［2］Z Q Zhu，D Howe.Halbach permanent magnet machines and applications：a review［J］.IEE Proc.-Electr.Power Appl.，2001，148（4）：299-308.

TM359

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.17.019

2095－6835（2019）17－0046－02

杜世勤（1967—），男，研究方向为电机及其自动化系统、电机设计。

〔编辑：张思楠〕