Halbach永磁电机电磁特性有限元分析(2)
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1 绪论
1.1 本课题的研究背景及意义
自从电机被发明出来，它就被各行业广泛应用着，其用途涉及现代生活的各个方面，如：交通、工农业、军事、国防和日常生活等，电机已经成为现代人类生活中不可缺少的组成部分。为了更好地将对电机的应用投入生产乃至生活，对电机各项特性的研究显得至关重要。
电机是根据电磁感应定律，使一种能量通过一定的机械装置转变为另一种能量（或者使能量从一个装置传递到另一个装置）的设备[1]。为了使电机里面产生气隙磁场，人们通常使用的方法有两种[2]，其一是：通过电流在电机绕组内产生电磁场，该电动机必须为所需的励磁电流提供能量添加一个特殊的励磁绕组；其二是：我们通常所描述的永磁体电机（使用一些能够永久产生磁场的物质产生磁场）。相比前者，永磁电机结构会变得简单了很多，其原因在于它用永磁体产生磁场，因此可以省去电机的励磁电路部分。
科技在不断进步，永磁电机顺应时代的要求变得拥有更加高的效率，更加高的速度，更加小的体积，传统的永磁电机也开始表现出其在某些领域的缺憾：
（1）电机在某些情况下的效率会被大大降低；（如电机转速非常快，其转子处于极高的转动速度时，其由于磁场变化会变得更加频繁，定子铁芯不断地被励磁和去磁，涡流损耗和铁心损耗会因此变得特别大。）
（2）由于传统永磁电机的功率密度比较小（原因在于其受到气隙磁场的影响），而脉动转矩却相对较大，因此当使用在大功率密度的微型电机时就会出现一系列的问题。
虽然永磁电机的气隙长度已经有所改变,但是其数值在某些有特殊要求的场合，还是不能达到要求。
1979年，美国物理学家K. Halbach着手研究永磁电机，并针对传统永磁电机的这些缺点提出“利用永磁体的分布形成正弦磁场”这一理论，之后不断改善这一模型，提出了一种新颖的永磁电机——Halbach永磁电机[3]。“磁场为单边磁场”是Halbach永磁电机最大的优点，即在永磁体两边的磁场一边增大另一半必然减小。永磁体在一般的永磁电机中大部分为径向或切向分布，而在Halbach永磁电机中，是按一定磁化方向有规则的将每极永磁体对称排列的[4]。Halbach永磁电机奇特的结构，导致其磁极磁场也十分奇特，基本呈正弦形态。由于交流电机需要一个呈正弦的电磁场，而这种永磁体的奇特的磁场分别恰好为正弦形态，因此其非常适合交流电机。
Halbach永磁电机的诞生，弥补了传统永磁电机的很多缺陷，使其在高速、伺服、直线驱动等领域得到了广泛的应用，甚至可以用于车用电机、人工心脏等微型装置方面。因此，为了更好的投入应用，对Halbach永磁电机的电磁特性进行各项分析就显得尤为重要。
另外一方面，有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）是一种利用数学原理近似模拟现实世界里客观存在的物理系统，然后再进行分析的方式。有限元法这种近似方法一开始是被使用于航天科技上，之后因为其简便快捷、具有较强的实际应用性和高效性，并且在计算机科技的迅猛发展和普及下受到各界科学人士的广泛关注。因此，利用有限元法对Halbach永磁电机的电磁特性进行分析在工程技术上和科学研究上都具有重大意义。
本文就是利用Maxwell Ansoft软件对Halbach永磁电机进行模型建立和有限元分析。
1.2 Halbach永磁电机的研究现状
1.2.1 Halbach永磁电机的特点
1.2.2 国内外研究现状
1.3 有限元分析的研究现状与发展趋势