梯形Halbach交替极无铁心永磁同步直线电机特性分析与优化设计

针对无铁心永磁同步直线电机(PMLSM)存在推力波动问题以及磁极结构对永磁体利用率的影响,从结构方面着手,提出一种梯形Halbach交替极磁极结构的无铁心永磁同步直线电机,对Halbach阵列进行优化设计。首先通过有限元法对比在Halbach交替极、双层Halbach磁极与梯形Halbach交替极3种磁极结构中PMLSM的电磁性能,分别对气隙磁场谐波成分、空载反电动势、电磁推力以及推力体积比进行计算与对比。其次,采用等效磁化强度法定性分析磁极结构对电机出力性能的影响,并引入Kriging模型,结合多目标优化算法对关键参数进行优化以提高电机平均推力和推力体积比,降低推力波动,得到3个优化目标的Pareto前沿。最后,通过仿真分析验证设计方法的有效性以及电机性能的改善。结果表明:梯形Halbach交替极磁极结构永磁体利用率更高,具有实用价值;梯形Halbach交替极PMLSM能够有效抑制推力波动并保持在7%左右,适用于高精确度加工设备。

新型三段Halbach永磁阵列无铁芯AFPMG设计与分析

为解决传统Halbach永磁阵列无铁芯轴向磁通永磁发电机(AFPMG)由于磁极永磁体用量增加而导致功率密度降低的问题,提出了一种变辅助磁极参数(极角和充磁夹角)的新型三段Halbach永磁阵列无铁芯AFPMG.采用三维有限元法,对新型三段Halbach永磁阵列辅助磁极极角和充磁夹角进行了多目标优化设计,从而确定了最佳辅助磁极参数.最后对比了无铁芯AFPMG中采用不同磁极结构对发电机电压波形质量和功率密度的影响.结果表明:新型永磁发电机可以使发电机电压正弦波畸变率由2.40%下降为0.44%;相较传统两段Halbach和传统三段Halbach永磁阵列的无铁芯AFPMG,新型永磁发电机功率密度得到显著提高;新型永磁发电机的永磁体用量减少了16.68%,进而减轻了转子盘质量,使发电机更加适于低风速下稳定发电.

基于数值优化方法的Halbach磁体无源匀场方法研究

小型化的核磁共振谱仪由于其便携性的优势,成了当下核磁共振领域的研究热点.近年来,Halbach磁体在小型化核磁共振波谱仪领域得到了广泛应用.永磁体磁场的不均匀性对无源匀场方法提出了较高的要求.因此,本文基于机械可调的Halbach永磁体阵列结构进行了无源匀场研究.首先研制了由12个机械可调的磁块构成的Halbach磁体,并建立了磁块位置和磁场均匀性的最小二乘问题,随后利用了一种结合Levenberg-Marquardt法和拟牛顿法的优化算法,通过改变磁块的径向位置来优化磁场的均匀性.通过这种方法,成功将1.03 T的Halbach磁体中心区域(半径为2.5 mm)的均匀度从7391×10^(-6)提升到154.23×10^(-6).本文提出的匀场方法相对于传统的无源匀场方法更加灵活和简便,有望应用于核磁共振波谱仪和其他需要高磁场均匀度的仪器.

基于响应面法的钛合金Halbach阵列增强磁流变抛光工艺参数优化

目的提高钛合金磁流变抛光的表面质量和抛光效率。方法用Halbach磁场阵列强化磁场,通过载液盘与磁铁反向旋转来增强磁流变抛光效率,使抛光头拥有更强的恢复性与自锐性。通过仿真模拟和实际测量对比研究Halbach阵列与N-S阵列的磁场分布和磁场梯度。依照试验结果描述抛光剪切力、表面粗糙度与表面微观形貌随时间的变化规律。采用响应面法优化载液盘转速、磁铁转速和加工间距等3个工艺参数,建立剪切力和表面粗糙度的拟合方程数学预测模型,并对其中的不显著项进行优化。结果在响应面交互作用分析中,工艺参数对剪切力的影响的大小顺序为加工间距、磁铁转速、载液盘转速;对表面粗糙度影响的大小顺序为载液盘转速、磁铁转速、加工间距。根据不同的需求,确定选定范围内的工艺参数组合,需要快速去除材料时,使剪切力趋于最大值的工艺参数组合为载液盘转速227 r/min,磁铁转速64 r/min,加工间距0.1 mm,通过20 min抛光后得到了表面粗糙度S_(a)为34.911 nm的光滑表面。抛光过程中,钛合金抛光所受剪切力τ为0.812 N。需要最优表面质量时,使表面粗糙度值趋于最小值的工艺参数组合为载液盘转速300 r/min,磁铁转速150 r/min,加工间距0.1 mm,通过20 min抛光后得到了表面粗糙度S_(a)为26.723 nm的光滑表面。抛光过程中,钛合金抛光所受剪切力τ为0.796 N。结论Halbach阵列拥有较高的磁场强度和富有空间变化的磁感线,能够使磁流变液中的磁链呈现出更多的姿态变化。根据响应面法优化后的剪切力和表面粗糙度预测模型,预测结果与验证试验结果相差很小,预测模型的准确度与可信度较高。

基于Halbach效应的磁屏蔽无线输电耦合机构研究

针对主动磁屏蔽需要设置额外激励源、被动磁屏蔽所采用的磁屏蔽材料价格昂贵等问题,在传统DD线圈结构基础之上,提出了一种基于Halbach效应的磁屏蔽无线输电耦合机构。首先,提出了具有磁屏蔽效应的无线输电耦合机构拓扑,基于耦合机构等效磁路模型,从理论上分析了其产生磁屏蔽效应的原理;其次,采用微元法推导了耦合机构在空间中任意平面的磁场强度表达式;最后,搭建实验平台,验证了耦合机构的无线输电性能及磁屏蔽效果。结果表明,Halbach效应线圈在保证输电效率与DD线圈基本一致的同时,能有效削弱耦合机构外的磁场强度,提高磁屏蔽效果。

基于Halbach阵列的电磁超声换能器的仿真设计

针对电磁超声换能器(EMAT)激发的Lamb波存在多模态和换能效率低的问题,提出一种基于Halbach阵列的电磁超声换能器设计,其永磁体磁极方向按照Halbach阵列排布。与传统EMAT单一磁铁对比,相同尺寸下Halbach阵列产生的静磁场强度有明显提高。为提高Lamb波单一A0模态的信号幅值,对换能器曲折线圈和磁铁阵列参数进行优化。通过理论分析和二维有限元仿真,结果表明,Halbach阵列的换能器最大磁通密度、磁通密度x分量和y分量分别是传统型的2倍,Halbach阵列换能器激发的Lamb波在铝板表面处位移是传统型的8.8倍。

新型Halbach阵列盘式永磁电机的磁场解析

基于印制电路板(PCB)技术的盘式永磁电机(AFPMM)提出一种新型Halbach阵列的转子结构,该阵列结构简单、易于优化。运用矢量磁位法对新型转子产生的空载气隙磁密进行解析推导,获得关于气隙磁场的数学模型。基于该模型,保持永磁体总用量不变,以永磁体极弧系数比和径向长度比作为优化变量,气隙磁密基波幅值和谐波畸变率作为优化目标,确立最优转子结构参数。三维有限元仿真结果表明,解析法所得的气隙磁密波形与有限元法基本一致,验证了所提出解析模型的合理性。与传统Halbach阵列相比,新型Halbach阵列气隙磁密基波幅值提升了10.3%,同时谐波畸变率由19.8%降至4.8%,优化效果明显,可以有效降低高频工况下电机的涡流损耗、提升电机效率。最后制造一台样机进行相关实验测试,验证了解析和仿真分析的正确性,对PCB定子AFPMM的设计具有一定参考价值。

基于Halbach阵列的储罐爬壁机器人吸附装置优化分析

为解决储罐爬壁机器人永磁吸附效率低的问题,设计了基于Halbach阵列的永磁吸附装置,并对吸附装置的结构参数进行了优化分析。首先,根据吸附单元实际运用中的漏磁问题,通过增加轭磁铁来减少漏磁;其次,基于Halbach阵列永磁体充磁方向特性,对两种不同排列方式的吸附装置进行仿真对比分析,选择在相同变量下吸附力更大的排列方式;最后,通过控制变量的方法对吸附装置结构参数进行优化分析。仿真表明:优化后的单位体积吸附力提升了21.2%,达到了5.19 N·cm^(-3),提高了磁能利用率。

基于熵权决策的Halbach直线发电机分层优化设计

为了实现直驱式波浪发电装置的高功率密度及高转化效率,针对Halbach阵列直线发电机,提出了一种基于熵权多属性决策的分层优化设计方法。在分析电机基本原理、发电性能以及试验验证的基础上,以开环电动势幅值、电压波形畸变率为目标,采用灵敏度方法筛选关键变量,建立分层优化模型,进一步结合NSGA-II优化方法开展多目标优化设计;最后,提出通过熵权多属性决策TOPSIS算法对pareto非劣解集开展决策评估,获得电机结构尺寸的最优解。结果表明,电机优化前后电动势幅值提升了13.7%;THD降低了1.06%,验证了所提出的优化设计方法的高效性、可行性,以及决策方法的科学客观性。

Halbach阵列在混合径向磁悬浮轴承中应用设计与特性分析

针对混合磁轴承传统偏置永磁结构永磁体承载能力不高、涡流损耗较大等问题,提出一种2极3段式Halbach磁环阵列型偏置磁场结构,运用ANSYS Electronics Desktop软件建立其2D、3D有限元仿真模型,仿真结果表明其单边聚磁效果明显增强。进一步研究了极弧系数、磁化夹角、主副磁极拓扑结构等关键设计参数对Halbach混合径向磁轴承磁悬浮力的影响规律,给出了提高永磁体利用效率、降低涡流损耗的参数设计方法。

两种双边Halbach阵列永磁涡流制动特性对比研究

为克服单边永磁涡流制动法向力,提升制动性能,研究了两种双边Halbach阵列永磁涡流制动特性。利用电磁理论建立空间磁场方程,推导出两种系统各自的制动力解析表达式,并搭建相应的有限元模型验证其解析解的正确性。对比了两种双边Halbach阵列永磁涡流制动方案的制动力,得到低速段时方案1制动力接近方案2制动力的2倍。最后,分析了永磁体长度、高度、气隙、导体板电导率及厚度对方案1制动性能的影响。分析结果表明:为取得最大制动效率,永磁体长高比应为1.2;为避免产生影响系统稳定运行的法向力,上下部气隙应相等;导体板电导率变化不影响最大制动力,但其对应的速度会随其的增大而减小;导体板厚度的变化会同时改变最大制动力及其对应的速度。

永磁直线同步电机Halbach阵列电磁激振力建模

为实现永磁同步直线电机Halbach阵列电磁激振力的精确计算,首先建立了考虑边端效应的伪周期电磁场子域解析模型,对永磁阵列电磁特性进行精确刻画;然后,基于永磁体磁能分布原理修正相互作用磁能表征式,继而推导出基于局部虚功位移法永磁体电磁激振力计算公式;最后,通过有限元验证了永磁阵列电磁场模型,并通过堵驻推力试验间接验证了电磁激振力计算的精确性。

直线发电机Halbach充磁结构的改进研究

为改善传统Halbach充磁结构在直线发电机的非气隙侧产生漏磁,导致主磁通含量降低、功率密度变小和带负荷能力下降的问题,提出了在传统的Halbach充磁结构上进行改进,用于改善直线发电机的磁场分布。首先对传统矩形永磁体结构形状进行了改变,提出了梯形、T字形和U字形的Halbach充磁结构的变体,通过分析在不同尺寸下的磁通密度基波含量,从而找到各个变体的最佳设计尺寸。仿真结果表明,U字型Halbach充磁结构比其他几种结构对改善非气隙侧的漏磁作用更加明显,输出功率和效率均得到了提高。

基于Halbach永磁阵列的电磁振动能量采集器设计与测试

为了在低频振动环境中更好地采集振动能量,提出一种基于Halbach永磁阵列的电磁振动能量采集器。利用Ansoft Maxwell有限元软件对电磁振动能量采集器进行仿真研究,并加工组装了原理样机,测试其发电性能。结果表明:在其他参数保持不变的情况下,优化定子槽深、定子槽数或定子齿厚均可有效提高电磁振动能量采集器的输出电压,永磁体径向厚度对采集器输出电压的影响不明显。样机在外接负载为60Ω、激振频率为9 Hz、振幅为5 mm时,可产生约0.4 W的输出功率,能够满足低功耗电子元器件的供能需求,具有较好的应用价值。

少稀土组合磁极Halbach永磁同步电机优化设计

针对稀土永磁同步电机(PMSM)对稀土永磁材料依赖性大的问题,提出一种少稀土组合磁极Halbach PMSM,永磁体采用Halbach充磁方式。阐述了该电机新型转子的磁钢结构,其中主磁极由双层永磁体组成,上层磁钢为钕铁硼永磁材料,下层磁钢为铁氧体永磁材料,辅磁极磁钢也为铁氧体永磁材料。以电磁转矩、转矩脉动和齿槽转矩为优化标准,对电机每极永磁体块数、充磁角度、永磁体材料和永磁体厚度等电机参数进行优化。采用定子斜槽结构降低齿槽转矩。优化后的少稀土组合磁极PMSM在保证转矩性能的情况下,减少了永磁体用量,降低了电机成本。最后通过有限元法分析该电机在空载和额定负载下的特性,验证了该电机设计的合理性。

Halbach结构永磁电机的电磁振动与噪声分析

针对转子为Halbach结构的永磁电机进行额定功率下的电磁振动和噪声分析,建立了永磁电机径向力波的解析表达式,并分析了引起振动和噪声的两类主要力波,通过解析法确定了电机的主要噪声源。为了表征Halbach结构电机的电机特点及其振动噪声性能,比较了Halbach结构和普通径向充磁结构的两台电机,针对这两台电机分别进行气隙磁密的分析,以及振动和噪声的比较。对比分析结果表明,Halbach结构的永磁电机转子轭部更薄,重量更轻,气隙磁密正弦度更高。但由于径向气隙磁密3次谐波含量的不同,Halbach结构永磁电机的主要激振频率下的振动加速度幅值相比传统径向充磁结构的永磁电机高出9.56%,总声压级高出0.65 dB。分析结果为机泵一体化装备的电机选择和设计提供了研究基础。

基于Halbach阵列的爬壁机器人永磁吸附模块优化设计

针对轮式永磁吸附爬壁机器人吸附效率较低的问题,设计了一种基于Halbach阵列的新型弧形永磁吸附模块,研究其吸附特性并进行优化。运用ANSYS Maxwell软件对新型吸附模块进行有限元仿真分析,研究Halbach弧形永磁体阵列在聚磁一侧的磁感线分布规律;为了减少弱磁侧的磁感线泄漏,在传统的Halbach永磁阵列基础上,在弱磁侧增加了轭铁装置;通过对弧形磁体阵列的角度、宽度、厚度及轭铁的厚度对吸附力的影响的研究,采用控制变量法并利用ANSYS Maxwell对新型弧形永磁吸附模块的关键结构尺寸进行优化,设计了永磁吸附模块的最优尺寸。结果表明,经过优化后的吸附单元的总体质量降低,但单位质量吸附力增大,磁能利用率大幅度提高,为轮式爬壁机器人的优化设计提供依据。

三段式Halbach阵列永磁电机解析建模与研究

针对传统子域模型在分析电机电磁性能时无法考虑软磁材料磁导率的缺陷,提出了一种考虑软磁材料磁导率为具体值的三段式Halbach阵列永磁电机多层解析模型。根据内部激励源和媒介的不同,将永磁电机全域划分成Halbach阵列永磁体层、气隙层、定子齿尖层和电枢绕组层4类磁场求解层。利用柯西乘积和复数形式的傅里叶级数来描述磁场求解层中媒介磁导率分布情况。基于麦克斯韦方程组建立了每个磁场求解层的拉普拉斯方程或泊松方程,结合边界条件求解出每个磁场求解层的磁矢位。利用多层解析模型计算了电机的气隙磁密、空载反电动势和输出转矩等电磁特性,并与有限元模型计算结果进行了对比。计算结果表明:多层解析模型和有限元模型计算得到的气隙磁密波形吻合得很好,两者的空载反电动势峰值和输出转矩平均值的相对误差均小于1%,证明了多层解析模型的正确性。最后利用多层解析模型研究了槽开口宽度、磁极宽度和充磁夹角对电机输出转矩的影响规律,给出了输出转矩最优的设计方案。仿真结果表明:优化后的输出转矩脉动削减了75.7%,证明所提出的多层解析模型不仅计算准确而且计算速度快,在电机的初始设计和电磁性能影响规律的探究上具有明显的优势。

新型Halbach阵列永磁游标电机结构优化设计

为提高永磁游标电机(PMVM)的输出转矩,发挥Halbach永磁体阵列的聚磁优势,提出转子侧Halbach阵列永磁体游标电机。采用解析分析法和有限元法,对比分析PMVM和Halbach永磁体阵列A型结构永磁游标电机(HPMVMA),结果显示采用Halbach永磁体阵列后提高了电机的空载反电势和输出转矩,减少了永磁体用量,但也带来了电机转矩脉动的增加。因此,在HPMVMA调制齿之间加入永磁体,构成新型Halbach永磁体阵列B型结构永磁游标电机(HPMVMB),对HPMVMB进行了永磁体、调制齿、定子齿宽等结构参数的优化,经过运行性能和经济指标对比分析,结果表明,与HPMVMA相比,HPMVMB永磁体用量增加20%的情况下,永磁体利用率和电机转矩密度分别提高了40.8%和69.01%,而转矩脉动下降了11.74%。通过有限元仿真验证了电机理论的有效性,并为游标电机的设计与优化提供了一定思路。

新型Halbach阵列永磁屏蔽电机设计与优化研究

为简化水下推进电机结构、提高可靠性,本文设计了一款新型Halbach阵列永磁屏蔽电机,采用集中绕组和Halbach永磁阵列,利用屏蔽层结构彻底解决输出轴动密封问题。为获得该型电机的最佳电磁转矩性能,以一款10极12槽Halbach阵列永磁屏蔽电机为例,建立48个二维有限元仿真模型,分析了槽口宽度和主磁极占比对其电磁转矩的影响。基于BP神经网络得到描述平均电磁转矩与主磁极占比、槽口宽度函数关系的响应面模型,并通过遗传算法寻优得到最优槽口宽度和主磁极占比组合。相比于初始设计模型,优化设计后电机平均电磁转矩提高7.26%。样机实验表明,本文设计的1 kW水下推进用Halbach阵列永磁屏蔽电机的额定工作效率约为89%,验证了该型电机设计与优化方法的可行性。