Halbach方形阵列吸附机构优化设计

为了实现爬壁机器人永磁吸附单元的可调节性,提出了基于Halbach方形永磁阵列的变磁力间隙吸附结构,将吸附单元与船体壁面之间的间隙作为变量,根据不同的壁面倾角进行实时调整,使吸附力处于最佳值。通过数值仿真和有限元分析研究了各参数(如磁轭厚度、阵列周期、空气隙和磁铁尺寸)对磁吸附力的影响,基于多岛遗传算法的磁吸附单元的结构尺寸参数优化分析,并通过实验验证了仿真值的正确性。结果表明,优化后的磁吸附力和吸附单元体积比优化前提高了近100%,极大提高了磁能利用率;通过对实测值进行曲线拟合,得出吸附力与空气间隙的函数关系,为磁力控制系统提供理论依据。

基于Halbach阵列轴向式电涡流阻尼器性能提升

为了提高轴向式电涡流阻尼器的阻尼性能,引入Halbach阵列,建立了Halbach阵列轴向式电涡流阻尼器(Halbach array axial eddy current damper,HAECD)模型。首先,阐明了HAECD的整体构造、工作原理与力学特性,采用三维电磁场有限元瞬态分析方法验证电涡流单元阻尼系数计算的准确性;然后,建立四种阵列方式的电涡流阻尼单元计算模型并进行了优化分析;最后,分析了永磁体厚度、磁化角度及磁极配比对HAECD阻尼系数的影响。研究结果表明:Halbach阵列相较于其他阵列方式,在同等磁体体积情况下的阻尼系数提升率最高可达59.2%;针对本装置,适当增加永磁体厚度能有效提升阻尼系数,最优磁体厚度为31 mm;当磁化角度为2°时,阻尼系数最大;阻尼系数随着磁极配比的增大而逐渐缓慢增加,当磁极配比为2.5时,阻尼性能最优。

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Halbach阵列宏微复合驱动器的输出力优化研究

为提升宏微复合驱动器的输出力以及改善输出力波动,采用将永磁体进行Halbach阵列方式布置,并通过添加辅助磁轭来改变宏动线圈与永磁体的相对位置两种方法结合的方案。为验证优化方案的有效性,采用有限元电磁场仿真,分析宏微复合驱动器优化前后的输出力变化,并以提高输出力和降低输出力波动为目标,得出了Halbach阵列的永磁体最佳尺寸。最后搭建实验平台验证了优化方案的合理性。结果表明:优化方案使宏微复合驱动器在电流大小为4 A时,输出力达到95 N左右,输出力波动减小为23 N左右,验证了优化方案的合理性。

两段式Halbach阵列永磁电机气隙磁场对比分析

针对目前每极2段式Halbach阵列分类不明确、缺少磁场性能对比分析、设计困难等问题,本文将常用的每极2段式Halbach阵列分为标准型、径向型和简化型,并对三种Halbach阵列的气隙磁场性能进行研究。以Halbach阵列内转子永磁电机为研究对象,建立三种Halbach阵列的气隙磁场解析计算模型。在解析计算的基础上,对比分析了设计参数对三种Halbach阵列永磁电机气隙磁密的影响。研究结果表明,对于确定尺寸的三种Halbach阵列,都存在最优的主磁极占比和极对数;从基波幅值和正弦畸变率的角度来评价,标准型Halbach的性能要优于其他两种类型的Halbach阵列;三种Halbach阵列的最优基波幅值都随着永磁体厚度比的增大而持续减小。

集横波与SH波一体的Halbach阵列换能器研究

为解决金属板超声体波测厚效率低下、导波扫查定量能力不足的问题,提出了一种集横波与水平剪切(SH)波为一体的Halbach阵列电磁超声换能器,在不增加体积的条件下,可同时实现横波和SH0阶导波的激励,兼具高精度定点测厚和区域缺陷扫查功能。通过仿真对磁体阵列和线圈排布结构进行了建模与优化,基于优化结果加工、装配了换能器原型。针对SH波扫查和横波测厚功能分别搭建了实验平台,实验结果表明该换能器能够有效识别粘附铁块尺寸大于35 mm×10 mm×20 mm的缺陷回波,横波测厚的平均误差小于1.2%。该研究结合了超声体波定点测厚穿透强、准确度高以及SH波长距扫查、非频散的优势,提升了换能器的检测效率和功能性,具有良好的工业应用潜力。

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阵列的新型吸附结构设计及其优化

为解决目前爬壁机器人永磁式吸附结构难以改变吸附力大小的问题,提出了一种基于Halbach阵列的新型永磁式吸附结构,该结构由方形永磁体和圆柱形永磁体按一定的充磁方向排列组合而成,通过转动圆柱形永磁体改变充磁方向,从而改变吸附力大小.采用ANSYS Maxwell软件研究了吸附结构各参数(永磁体数量、轭铁厚度、气隙大小)对吸附力和单位吸附力的影响,并对以上参数进行优选;以单位吸附力为目标参数,基于粒子群算法对两种永磁体尺寸进行优化,优化前永磁体体积为219823 mm^(3),吸附力为744 N,永磁利用率为0.00352N/mm^(3),优化后永磁体体积为160027.4 mm^(3),吸附力为819.7 N,永磁利用率为0.00510 N/mm^(3).研究结果表明:吸附结构优化后节省了27.2%所占据的空间,增加了15.1%的总体吸附力,提升了45.5%的永磁利用率,优化后吸附结构的吸附性能有了显著提高,可为永磁式吸附结构的设计及优化提供参考.

基于Halbach阵列的永磁悬浮车辆悬浮系统磁力特性研究

提出对Halbach阵列永磁体进行尺寸参数优化,研究不同参数对永磁悬浮系统横向刚度问题的影响。以斥力型跨座式永磁悬浮车辆的悬浮永磁体模块为例,运用正弦法对悬浮永磁体的Halbach阵列磁场进行解析,利用Maxwell方法推导出永磁体的横向力和悬浮力随横向位移变化的公式,确定要优化的三个尺寸参数分别为:永磁体厚度、永磁体宽度和相邻两块永磁体的磁化角度差。利用软件COMSOL建立磁力模型,分析永磁悬浮模型在发生横向位移时,不同尺寸参数对模型产生的横向力和横向刚度的影响。仿真分析表明:增大永磁体的厚度会增大永磁悬浮系统的最大横向力和横向刚度;永磁体宽度的改变在一定范围内对永磁悬浮系统的横向刚度影响较小;减小相邻两块永磁体的磁化角度差,会在减小最大横向力的同时减小横向刚度,角度从90°减小到45°,横向刚度减小了58.4%。所得结论对永磁悬浮式磁浮车辆悬浮永磁体的设计和选择提供了一定参考。

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。

方形阵列端面研磨技术研究

使用不饱和聚酯树脂、V型定位槽和定位模具制成8×8方形光纤阵列(多芯)。采用四角加压固定研磨方法进行研磨,探究了方形光纤阵列(多芯)的表面粗糙度和表面最大高度差与研磨转速和研磨压力之间的关系。结果表明,当研磨转速是12 rpm,研磨压力为2 kPa时,方形光纤阵列(多芯)表面状态最适宜,此时Ra等于10 nm、表面最大高度差为5.5μm。研磨压力对于表面粗糙度和最大高度差均有影响,而研磨转速对表面最大高度差无明显影响。

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。

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。

Halbach型永磁阵列的应用综述

阐述了Halbach永磁阵列的特点和制造方法,紧密结合Halbach永磁阵列的主要优点,详细讨论了其在高速电机、高精度伺服电机、直线电动机、多自由度电机、磁悬浮列车、磁轴承、医学等领域内的应用现状。

新型双层Halbach永磁阵列的解析分析

提出了一种新型双层Halbach永磁阵列,该阵列结构简单、易于优化,可以得到很高的气隙磁通密度正弦度。设计了一台高速无槽永磁同步电机,运用标量磁位法对双层Halbach永磁阵列在电机气隙中产生的磁场进行了解析分析,得到了气隙磁通密度的数学表达式,并进一步得到了电机空载反电动势。分析表明,优化后的气隙磁通密度的谐波畸变率仅为0.5%,反电动势中的谐波含量也非常小。制造了一台样机并进行了实验研究,通过解析、仿真与实验结果的对比,验证了解析方法的正确性。

基于Halbach阵列的永磁球形电动机磁场

Halbach阵列永磁电机与常规磁体结构电机相比,具有更接近正弦的气隙磁密分布、更大的气隙磁通及良好的自屏蔽作用等特性。因此,Halbach阵列永磁电机具有效率高、体积小、重量轻等优点。本文提出一种Halbach阵列永磁球形电动机,介绍了其基本结构和工作原理,并给出了转子磁极的Halbach阵列充磁规律。以转子4极、每极3块Halbach阵列磁体结构为例,对其磁场进行了分析,得出了磁场三维解析模型,并对磁场沿球坐标?和θ两个方向的谐波含量进行了研究。最后采用有限元方法对磁场进行了分析。

Halbach阵列无轴承永磁电机有限元分析

针对气隙磁密对无轴承永磁电机可靠性、转矩脉动及径向悬浮力的影响,提出了Halbach阵列永磁转子结构。从无轴承永磁电机的转子结构出发,对常规面贴式永磁转子和Halbach阵列永磁转子进行了比较分析,并用Ansoft进行了有限元分析,得出了两种不同转子结构的磁力线分布图及气隙磁密波形,分别对两种转子结构的无轴承永磁电机的径向悬浮力与悬浮力绕组电流的关系进行了对比。分析结果表明:Halbach阵列应用在无轴承永磁电机中能显著提高气隙磁密及其正弦特性,增大径向悬浮力。Halbach阵列应用于无轴承永磁电机具有可行性和可靠性。

Halbach阵列同心式磁力齿轮磁场分析与优化设计

采用二维全局解析法计算Halbach阵列同心式磁力齿轮气隙磁场。求解场域划分为内外转子永磁体、内外两层气隙和调磁定子的槽形区域,3类子区域的拉普拉斯方程和泊松方程通过边界连续条件建立联系。得到内外两层气隙区域的矢量磁位磁通密度解析表达式,有利于方便、快速、精确地计算任意转子位置的电磁转矩。气隙磁场波形与二维有限元法计算波形较吻合。与径向充磁相比,Halbach阵列充磁方式所得转矩更大,且更接近正弦。运用Matlab优化工具箱中的遗传算法对Halbach阵列同心式磁力齿轮某些参数进行优化,试验结果表明计算值与测量值较为一致,证明了所提方法的正确性和有效性。

Halbach阵列磁力联轴器传动转矩的数值计算

为提高磁力泵磁力联轴器的传动转矩,对Halbach阵列的特点和制造方法进行阐述,并分析了Halbach阵列的磁场分布情况及磁体的磁化规律.基于ANSYS求解磁传动转矩的基本原理,应用ANSYS软件对24极式Halbach型磁力联轴器的气隙磁场进行有限元分析,研究转角差、气隙厚度、永磁体厚度以及轭铁厚度对磁力联轴器传动转矩的影响.计算结果表明:Halbach型磁力联轴器的传动转矩随转角差呈正弦周期性变化,且在转角差为磁极张角一半时取得最大值;在满足结构要求的前提下应尽量减小工作气隙厚度以提高其传动转矩;随着永磁体厚度的增大,其传动转矩值变化较大且在使用较大尺寸永磁体时更能充分体现Halbach阵列的单边聚磁特性;随着轭铁厚度的增大,传动转矩呈下降趋势但影响很小,因此,在设计Halbach型磁力联轴器时可以取消轭铁结构以降低转动惯量,从而增强联轴器的传动性能.