基于 Halbach 阵列双调制轴向式永磁齿轮运行特性研究

微特电机 ›› 2026, Vol. 54 ›› Issue (5): 24-30.

基于 Halbach 阵列双调制轴向式永磁齿轮运行特性研究

葛研军¹,周凯旋¹,李海涛²,石旭光¹,冯嘉伟¹

1. 大连交通大学机械工程学院,大连 116028;
2. 磁浮交通车辆系统集成湖南省重点实验室,株洲 412001

出版日期:2026-05-28 发布日期:2026-05-28
作者简介:葛研军( 1964—) ,男,博士,教授,研究方向为新型动力机械设计与制造、磁力传动与驱动。
基金资助:
湖南省重点实验室项目( 2018TP1035)

Operating Characteristics of Halbach-Based Dual-Modulation Axial Permanent Magnet Gear

GE Yanjun¹, ZHOU Kaixuan¹, LI Haitao², SHI Xuguang¹, FENG Jiawei¹

1. School of Mechanical Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China; 2. Hunan Provincial Key Laboratory of Maglev Traffic Vehicle System Integration,Zhuzhou 412001,China

Online:2026-05-28 Published:2026-05-28

摘要/Abstract

摘要： 提出一种基于 Halbach 阵列的双调制轴向式永磁齿轮( halbach-based dual-modulation axial permanent magnet gear, HDAPMG) ,解决了传统双调制轴向式永磁齿轮因为漏磁较大而导致的转矩密度低和涡流损耗高等问题。通过引入 Halbach 阵列对转子进行充磁, 增强工作侧气隙磁密, 减小了永磁体尺寸, 提高了转矩密度。将HDAPMG 三维模型在其平均半径处展开,得到了包括有源区及无源区的二维展开模型,由此根据泊松方程及拉普拉斯方程建立了上述各区域的气隙磁密表达式,并根据麦克斯韦应力张量法得到了电磁转矩方程。通过三维有限元仿真计算,结果表明,所建理论模型与有限元计算误差较小,其中气隙磁密误差为 8%,电磁转矩误差为 4. 9%,表明所建模型的正确性。 HDAPMG 气隙磁密幅值为 1. 85 T,较传统结构提升约 23%,且波形更接近正弦,周期性更明显,有助于提高运行效率。给出了 HDAPMG 各关键参数的最佳优化尺寸,优化结果显示,优化后的转矩密度可达 182 kN · m / m³,较优化前提升了约 12. 4%,较传统结构提升了约 23. 8%。

关键词: 双调制轴向式永磁齿轮, Halbach 磁极阵列, 气隙磁密, 转矩密度

Abstract: A Halbach-based dual-modulation axial permanent magnet gear ( HDAPMG) is proposed to enhance torque density and reduce eddy-current losses in conventional designs. By utilizing a Halbach array for rotor magnetization,the airgap flux density is strengthened,enabling a more compact magnet structure. A 2D analytical model was developed from the 3D structure,and expressions for air-gap flux density and electromagnetic torque were derived using Poisson’ s and Laplace’s equations along with the Maxwell stress tensor method. Through 3D finite element simulation calculations, the results show that finite element analysis confirms the model ' s accuracy, with errors of 8% in flux density and 4. 9% in torque. The
HDAPMG achieves a flux density amplitude of 1. 85 T ( 23% higher than conventional designs ) with a more sinusoidal waveform. After optimization,the torque density reaches 182 kN · m / m³, an improvement of 12. 4% over the initial design and 23. 8% over traditional structures.

Key words: dual-modulation axial permanent magnet gear, Halbach permanent magnet array, air gap magnetic density, torque density

中图分类号:

TM359. 9

葛研军, 周凯旋, 李海涛, 石旭光, 冯嘉伟. 基于 Halbach 阵列双调制轴向式永磁齿轮运行特性研究[J]. 微特电机, 2026, 54(5): 24-30.

GE Yanjun, ZHOU Kaixuan, LI Haitao, SHI Xuguang, FENG Jiawei. Operating Characteristics of Halbach-Based Dual-Modulation Axial Permanent Magnet Gear[J]. Small & Special Electrical Machines, 2026, 54(5): 24-30.

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