CN104333150A - 一种凸型磁块Halbach永磁阵列 - Google Patents

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徐伟
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Abstract

本发明公开了一种凸型磁块Halbach永磁阵列，该永磁阵列在保持Halbach永磁阵列基本特性的基础上，使磁力线分布更接近于正弦分布，同时增强了磁场强度。普通的Halbach永磁阵列是一种将矩形横截面磁块按径向充磁方向与切向充磁方向排列结合在一起的一种磁阵列结构，使得永磁阵列一侧磁场强度大幅度增加，另一侧磁场强度大幅度削弱，但由于磁场的分布和正弦分布有较大偏差，在精密定位等应用场合，普通的Halbach磁场特性不能满足其高精度要求。本发明提出一种凸型横截面磁块的Halbach磁阵列，每个磁块都是凸型截面，仍采用Halbach阵列排列方式，则在相同的尺寸和剩余磁感应强度的条件下，使磁场具有更好的正弦分布特性，并在一定程度上提高了磁场强度。本发明主要用于直线永磁电机和旋转永磁电机的永磁阵列。

Description

一种凸型磁块Halbach永磁阵列
技术领域
本发明涉及永磁电机领域，包括直线永磁电机结构设计制造。
背景技术
1979年，美国学者Klaus Halbach在做电子加速实验时，发现了一种特殊的永磁铁阵列排列方式，称为Halbach永磁阵列。在Halbach永磁阵列中，由于切向磁场与径向磁场的相互叠加与抵消，使得永磁阵列一侧的磁场强度大幅度增加，而另一侧的磁场强度大幅度削弱。在保持永磁块体积不变的条件下，可以通过采用Halbach阵列来提高电机的气隙密度。
目前，Halbach永磁阵列的应用主要直接应用在高能物理、高速电机、磁悬浮列车系统、磁轴承和医学方面，尤其在电机中被广泛应用。一些精密装置，如为纳米级定位机构提供动力的直线电机，为了获得更好的控制性能，需要磁阵列提供接近于完美的正弦磁场，而普通的Halbach永磁阵列生成的磁场与完美的正弦磁场有较大的差距。
发明内容
本发明的目的在于针对现有Halbach永磁阵列生成的磁场与完美的正弦磁场有较大的差距的问题，提出一种凸型横截面磁块的Halbach永磁阵列，取代普通Halbach永磁阵列采用的矩形截面磁块。该永磁阵列的磁场具有更完美的正弦分布和更高的磁场强度。
永磁阵列由横截面为凸型的磁块排列而成。本发明的优点在于：磁阵列一侧可形成接近完美的正弦磁场，另一侧的磁场被大大减弱，磁场空间利用率大、均匀度高、漏磁少。磁场强的一侧用于产生电机驱动的洛伦兹力，另一侧由于磁场很弱，对周围环境的干扰很小。
附图说明
图1是由9块凸型磁块组成的本发明具体实施方式的结构横截面示意图。
图2是凸型磁块的横截面尺寸关系示意图。
图3是普通Halbach阵列磁力线分布图。
图4是本发明的凸型磁块Halbach阵列磁力线分布图。
图5是距离磁阵列下表面0.4mm时两种磁阵列的磁通量密度的对比图。
图6是距离磁阵列下表面0.6mm时两种磁阵列的磁通量密度的对比图。
图7是采用凸型磁块Halbach永磁阵列构成的直线电机实例简图。
具体实施方式
如图1所示，本发明具体实施方式为由大小相等、形状相同的数块横截面为凸型的永磁磁块，每块磁块的剩余磁感应强度大小相同，按Halbach磁阵列排列方式排列成一个长方体，用于直线电机的永磁阵列，图1为9块磁块构成磁阵列的例子，9块永磁体可产生个周期的正弦磁场，可通过按同样排列规律增减磁块的数目改变直线电机的行程大小。图1中箭头所示为各磁块磁化方向。
如图2所示，凸型磁块的横截面中，整体沿中心对称，磁块宽度为L，高度为H，凸台宽度为L/3，高度为H/2。
图3所示为普通Halbach阵列两侧的磁力线分布。可见磁阵列上方一侧的磁场被削弱，下方的磁场被增强。
如图4所示本发明的凸型磁块Halbach阵列两侧的磁力线分布。可见与普通Halbach磁阵列相比进一步增强了磁阵列下方的磁场强度。
图5为距离两种永磁阵列下表面0.2mm平面处的磁通量密度曲线，图6为距离两种永磁阵列下表面0.4mm平面处的磁通量密度曲线，可见凸型磁块Halbach永磁阵列的磁场分布更接近于正弦分布。
图7为凸型磁块Halbach永磁阵列与下方对应的线圈构成直线电机实例，线圈中通入随时间变化的三相对称正弦电流后，产生平移的正弦形分布的气隙磁场。凸型磁块Halbach永磁阵列的磁场与线圈产生的气隙磁场相互作用，产生电磁推力，在线圈固定的情况下，永磁阵列将沿着行波磁场运动的方向作直线运动。

Claims (3)

1.一种用于永磁电机的凸型磁块Halbach永磁阵列，其特征在于永磁块横截面为凸型，排列方式为Halbach排列。
2.根据权利要求1所述的凸型磁块Halbach永磁阵列，其特征在于凸型磁块的横截面形状相对高度方向对称，凸台高度为整体高度的二分之一，凸台宽度为整体宽度的三分之一。
3.根据权利要求1所述的凸型磁块Halbach永磁阵列，其特征在于凸型磁块正反向交替排列，每四块为一组构成一个磁场分布周期,每块凸型磁块按照Halbach阵列充磁方向充磁。
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