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.

Halbach磁体结构电动机及其与常规磁体结构电动机的比较研究(I)——磁体结构及有导磁铁心电动机的对比研究

Halbach磁体结构应用于电动机时与常规磁体结构相比具有很大的优越性,首先给出Halbach磁体结构电动机的磁体排列方式及磁体的磁化规律,然后以无齿槽有铁心电动机为例,对比分析Halbach磁体结构电动机和常规磁体结构电动机气隙磁密分布和电动机各部分磁通的差异,得出两种磁体结构电动机气隙磁密、磁通随永磁体厚度的变化规律。

Halbach磁体结构应用于永磁直线同步电机的研究

为提高永磁直线电机的推力,介绍了Halbach磁体结构的基本工作原理,分析了采用Hal-bach磁体结构的磁体排列方式及磁体的磁化规律.并以一台永磁直线同步电机为例,确定了适合该直线电机的Halbach磁体结构形式,对比分析了不同磁体排列方式的永磁直线同步电机空载运行推力特性.分析结果表明采用Halbach磁体结构不仅可以改善气隙磁场分布、提高永磁直线同步电机的推力,而且可以减小永磁直线同步电动机的推力波动.因此将Halbach磁体结构应用于永磁直线同步电机中与常规永磁体结构的永磁直线同步电机相比具有很大的优越性.

HALBACH磁体结构电动机及其与常规磁体结构电动机的比较研究(II)——无导磁铁心电机的对比研究及样机实验

在第I部分对比分析有铁心HALBACH磁体结构电动机和常规磁体结构电动机的基础上,对比研究两种磁体结构电动机的无铁心型式,其中包括定子无铁心和转子无铁心,并分别与有铁心电动机比较,分析了磁体厚度变化对两种磁体结构磁密分布及磁通大小的影响。最后给出样机电动机的试验结果。

直线Halbach磁体用于磁浮列车涡流制动的研究

磁浮列车采用涡流制动摆脱了机械制动中粘着系数对制动性能的制约。电磁涡流制动需要电能供应,存在电能损耗。永磁涡流制动由于不需供电故效率高。永磁Halbach磁体磁感应强度大于普通永磁磁体,且Halbach磁体具有自屏蔽性能,一侧拥有强磁场,另一侧磁场几乎为零。直线Halbach磁体用于磁浮列车涡流制动的研究,采用解析的方法分析其制动过程中的电磁机理,推导出涡流制动力方程。设计了一套实验系统,对制动力方程进行了验证,并对实验结果进行了分析。

应用于磁浮列车的直线型Halbach磁体结构的优化设计

对直线型Halbach永久磁体的结构进行了优化.通过改变磁块的长度、宽度和磁化矢量的方向,得到了更强的磁场强度.首先提出优化指标,优化磁块的长度,目的是用最少的磁块得到最强的场强;然后提出合理的磁块宽度的概念,以便得到较大的水平方向的磁场强度分量;其次提出Halbach磁体的偏离结构,进一步提高水平方向的磁场强度.最后通过制造的工程实验模型来验证优化设计,为磁悬浮列车工程化奠定基础.

改进式Halbach磁体结构直线电机设计与分析

提出了一种应用于低速直驱式波浪发电装置的无齿槽永磁直线发电机。为提高电机的气隙磁通密度与电能输出效率,采用T型和爪型两种改进式的Halbach永磁阵列结构。当为该无齿槽电机的初级部分设置相同的铁轭和绕组参数时,电机的永磁体部分采用普通Halbach永磁阵列结构、T型永磁体结构、爪型永磁体结构,对电机电磁特性进行对比分析。采用三维瞬态有限元法对电机在空载运行时的特性进行分析与计算。最后,通过采用Halbach永磁阵列结构的筒型直线电机进行实验和分析,验证了该电机模型的正确性和电机分析方法的有效性。所有分析结果表明该电机结构及分析方法可以用于直驱式运动电机的设计与分析方面的研究。

Halbach磁体中柱面匀场线圈的设计方法

Halbach磁体场强高、体积小,是永磁台式核磁共振波谱仪的理想磁源。为开发高分辨永磁台式核磁共振波谱仪,需要使Halbach磁体的磁场达到高度均匀。引入在超导磁体中被广泛使用的鞍型线圈,设计了一种由鞍型线圈组成、能够对Halbach磁体的横向磁场进行补偿的柱面匀场线圈。仿真和实验结果证明了设计方法的正确性。

Halbach磁体结构的外转子永磁电机设计分析

介绍了halbach磁体结构的优点,给出了基于halbach磁体结构的外转子永磁电机的基本模型。通过有限元分析,比较了halbach磁体结构与普通磁体结构的外转子永磁电机,验证了halbach磁体结构外转子永磁电机优越性,并提出其作为直接耦合风力发电机的可能性。

单边核磁共振Halbach磁体结构设计

传统核磁共振仪器多采用封闭式磁体结构,导致仪器开放性和便携性差,制约其应用范围。为解决上述问题,该文基于电磁场理论,利用二阶有限元方法,研究半环形Halbach磁体的结构设计方法,分析磁块几何结构和尺寸等参数对Halbach磁体产生的中心场强、横向均匀度和纵向梯度的影响。验证该磁体结构无需增加线圈,即可产生核磁共振实验所需的横向均匀纵向梯度分布的磁场。优化后的单边Halbach磁体结构为:磁块尺寸为0.5m×0.095m×0.095m、磁体结构半径为0.63m,在50cm×50cm区域得到中心场强为0.0209T,不均匀度为3.085×10^-4,梯度为0.739mT/cm的磁场。

一种Halbach磁体结构同心磁力齿轮传动装置的设计和实现

提出了一种使用Halbach磁体结构产生磁场,并对磁场进行调制的同心磁力齿轮传动装置。该传动装置由机壳、安装在机壳内腔的悬臂式的外转子和内转子组成。内、外转子永磁体之间有调磁环。调磁环由铁心块组成,并固定在机壳的端板上。磁体结构采用Halbach阵列,得到的气隙磁密接近正弦分布。对样机测试后表明,该装置取得了较好的正弦磁场分布、稳定的转速比值和较高的传动效率。

应用于单边核磁共振仪器磁体结构的Halbach磁体仿真分析

利用直线型Halbach磁体结构作为单边核磁共振仪器的主磁体,用于产生单边主磁场B0。通过对Halbach结构的永磁体与普通排列永磁体磁场仿真对比,证明其产生更加均匀磁场,强磁场一侧能达到普通阵列磁场场强的2^(1/2)倍,由此确定了方案的可行性。选用九块完全相同体积为(2×2×8)cm^3,Br=1.28 T的汝铁硼磁块进行Halbach阵列,对主磁体进行建模,通过COMSOL Multiphysics仿真。在磁体外侧圈定了(10×10×10)mm^3范围的均匀磁场区域,垂直方向呈恒定梯度场,梯度值8 T/m,该区域适合作为产生核磁共振的主磁场B0。

磁浮列车工程中的Halbach永久磁体结构的优化

Halbach磁体结构是工程上理想结构的近似,故可予以优化设计.磁体结构优化的目标是用最少量的磁体产生最强的磁场.针对磁浮列车用直线型Halbach磁体,提出优化指标,得到磁体结构的优化结果(解析表达式),并用实验验证.该解析表达式对直线型Halbach磁体的工程应用具有意义,因为在减轻磁体重量同时提高磁场强度是磁浮列车的关键技术.

磁体结构尺寸对Halbach阵列的影响

基于Halbach磁体阵列结构的内转子永磁电机的基本模型,比较了Halbach磁体结构与普通磁极结构的永磁电机,分析了Halbach磁体结构的气隙磁密分布,得出磁体结构的气隙磁密、磁通随永磁体的厚度的变化规律,总结出Halbach阵列具有磁单边特性,且在强侧具有良好的正弦特性。

磁化强度的磁感应强度依赖函数在Halbach型永磁体阵列研究中的应用

在Halbach型永磁体阵列磁场和磁化强度分布研究中,涉及永磁材料内部磁化强度(M)、磁场强度(H)和磁感应强度(B)三者的相互关系函数M(H)、M(B)和B(H)。本文介绍了这些函数的典型实验特征,说明为计算获得永磁体阵列磁体内部自洽的磁场和磁化强度矢量分布,必须使用M(B)函数。强场永磁体阵列材料内部的磁场和磁化强度矢量分布无法直接被进行实验测量,不恰当地使用M(H)和B(H)函数易导致不符合实际情况的磁场和磁化强度分布状态预测。

基于Halbach永磁体阵列的无人机电磁弹射器双边型涡流制动

为了提升无人机电磁弹射器的机动性,末段用于制动弹射台的轨道长度必须受到限制,而制动性能又不受影响,提出了一种基于Halbach永磁体阵列的双边型涡流制动装置。利用二维电磁场分析模型,建立了涡流制动力解析式,确立了永磁体及其相关部件的尺寸;针对Halbach阵列的不同组合排列方式,通过仿真对比,确定了旋转30°Halbach阵列组合方式提供的制动力最大。

单边MRI系统的Halbach型磁体仿真

磁体是磁共振成像系统的关键部件之一,主要用来生成均匀的静磁场,其均匀性直接影响最终成像质量。永磁型单边磁体与常规磁体相比,具有体积小、开放性好等优点。本文基于单边磁共振成像系统中的Halbach型磁体,运用ANSYS软件建立了模型,计算了几组不同排列结构的单边Halbach型磁体的磁场分布情况。

航空飞行器用300 kW高速永磁同步电机优化设计

航空飞行器用高速永磁同步电机损耗密度高、散热条件差,脉宽调制电压供电产生的损耗可能会导致显著的温升,加剧Halbach磁体的退磁风险,影响电机的安全运行。针对上述问题,提出基于Nelder-Mead法的高速永磁同步电机多目标优化设计方法,以电机损耗和温升为优化目标,使用场路耦合有限元分析法和解析法计算电机在T型三电平变流器供电下的损耗,进而计算电机温升。根据寻优算法搜索最优设计区域,获得优化设计方案。分析Halbach磁体内的磁密分布和涡流损耗,对磁体进行优化设计,从而抑制退磁和损耗。设计并制造一台300 kW、30000 r/min高速永磁同步电机,仿真和实验结果表明,新提出的设计方法能够快速实现多目标寻优,并有效抑制退磁。

基于Halbach阵列与组合型磁极相结合的表贴式永磁电机优化设计

为了减小表贴式永磁电机气隙磁场中谐波含量过高所带来的电机性能下降的影响,提出了Halbach磁体阵列与组合型磁极相结合的转子结构。基于时步有限元计算软件,利用田口法正交试验,以谐波畸变率THD和气隙磁密基波幅值大小为评价标准,优化设计了4极永磁电机的转子结构参数。优化参数包括:磁钢厚度、组合磁极的磁极配比、Halbach充磁夹角、较小磁能积的永磁材料的矫顽力大小。通过对比优化前后气隙磁通密度谐波含量,验证了该优化方法的有效性。

永磁电机中Halbach充磁与平行充磁的分析比较

介绍了Halbach磁体的排列及其内部充磁时构成的永磁电机气隙磁密的解析解,通过对平行充磁和Halbach充磁时气隙磁密数值解的分析比较来说明Halbach充磁的优点。