Halbach电机的基本原理及其有限元辅助设计

Halbach电机是一种新型的永磁电机。其特殊永磁体结构不仅可以增加气隙磁通,而且还可以削弱转子轭部磁通密度,这样不仅可以提高电机的功率密度,而且还可以降低电机的体积和成本。文中利用有限元对Halbach电机设计进行了深入研究。

双层Halbach永磁电机解析建模与优化

提出双层Halbach永磁电机的二维解析模型,模型中转子永磁包括内外两层,每层每极均由两块永磁构成,且每层中间磁块均为径向磁化。通过分区域求解标量磁位的微分方程,解析得到双层Halbach无槽电机的气隙磁场。利用卡特系数考虑齿槽作用,解析获得双层Halbach有槽电机的气隙磁场。接着,为优化气隙磁场波形,分别解析获得外层径向磁化磁块的最优极弧比和内层径向磁化磁块的最优极弧比,从而获得双层Halbach电机气隙磁场的优化解。计算结果表明,双层Halbach电机不仅气隙磁场和反电势的波形正弦度都优于单层Halbach电机,而且电磁转矩的波动更小,因此具有更好的电磁性能。二维有限元法与二维解析法计算结果一致性较好,验证了二维解析模型的正确性。

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阵列半闭口槽永磁电机全局解析法研究

Halbach阵列永磁电机具有出色的转矩输出性能,适用于高精度伺服系统。准确获得其磁场分布是Halbach阵列永磁电机设计及优化的关键。该文采用二维全局解析法分析Halbach阵列永磁电机气隙磁场,为了与实际电机槽型尺寸尽可能接近,定子槽区域划分为槽口和槽身区域。解析所得的气隙磁密、齿槽转矩、电磁转矩、磁链和反电动势波形以及绕组电感值,与有限元分析结果一致性较好,其中反电动势波形与试验测试波形趋势一致,验证了所提解析模型的合理性。

不均匀halbach永磁电机气隙磁场解析法研究

提出了忽略定子开槽的不均匀每极三块halbach永磁电机模型,以主极占比例和极数为分析参数,推导了halbach永磁电机径向气隙磁场分布解析解,并用有限元软件进行了验证。应用气隙径向磁场分布解析式,得到了气隙径向磁场畸变率和基波幅值与极数、主极占比例的三维关系图,研究了不均匀程度对每极三块halbach永磁电机气隙磁场的影响。

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。

Halbach型外转子永磁同步电机热流体场仿真

以Halbach型外转子永磁同步电机为例,研究一种预测电机温升的新方法.在分析Halbach电机结构的基础上,基于流体力学与传热学原理,建立Halbach电机电磁场、温度场和流体场等多物理场模型,并对Halbach电机的热流体进行了有限元仿真研究.仿真结果验证了Halbach电机热流体场模型的合理正确性以及分析电机温升方法的有效性,为电机本体的热设计提供了依据.

分数槽Halbach永磁直线同步电机磁场解析计算

分数槽Halbach永磁直线同步电机(fractional-slot Halbach permanent magnet linear synchronous motor,FH-PMLSM)的次级永磁体采用Halbach阵列,初级绕组采用端部不重叠的集中绕组,与常规的分数槽永磁同步直线电机相比,具有推力密度大、损耗小等优点,适用于长行程、大推力驱动场合。文章在Halbach永磁阵列的电流密度等效基础上,对16极15槽FH-PMLSM建立分层解析模型,利用矢量磁位和边界条件推导出气隙区域、齿槽和永磁体区域磁场的解析公式,并结合分布式卡式系数分析FH-PMLSM励磁磁场的分布,进一步对不同气隙长度的FH-PMLSM的电磁推力进行计算。结果表明:解析计算与有限元计算的磁场结果基本吻合,验证了该解析方法的正确性,为分数槽Halbach永磁同步直线电机的工程分析和优化设计提供了依据。

基于模拟退火算法的Halbach直线发电机优化设计

在研究海洋波浪能量收集的过程中,需要建立相应的理论模型来降低工程成本,提高研发效率。针对波能转换器在收集波浪能时能量的转换效率不高这一问题,采用无槽Halbach直线发电机作为装置的二级能量转换机构来优化磁场分布,提高能量的转换效率。该文描述Halbach直线发电机的拓扑结构,引入磁矢量势能理论推导出发电机性能的表达式,由此建立直线发电机的综合分析模型。基于此模型,使用模拟退火算法求全局最优解,得到一组直线发电机设计参数,包括永磁体尺寸和绕线线圈的数据。计算结果表明,理论模型解析解的峰值功率与模拟退火算法的结果相差约为3.6%。基于优化后的参数,确定了Halbach直线发电机的设计,为样机实验的验证提供了数据支撑。

基于双曲余切变换的Halbach阵列表贴式永磁电机转子偏心气隙磁场解析模型

精确计算气隙磁场是设计和分析永磁电机的关键。Halbach阵列永磁电机具有良好的转矩输出特性。转子偏心会对永磁电机产生不良影响,准确获得其偏心气隙磁场分布具有重要意义。采用双曲余切变换解析计算Halbach阵列表贴式永磁电机转子偏心气隙磁场。该文建立了Halbach阵列定子开槽、转子偏心永磁电机二维模型。将同心解析模型分为三类子区域,利用各区域边界条件求解拉普拉斯方程和泊松方程,通过矢量磁位求得同心气隙磁场,利用相对磁导函数对其进行修正,从而获得偏心空载气隙磁场,对其进行研究,并利用回归评价指标进行评估。不同偏心率下气隙磁通密度、不平衡磁拉力、齿槽转矩的解析结果同有限元结果吻合,验证了该文解析模型的有效性和正确性。

Halbach圆筒型永磁直线同步电机永磁体用量优化研究

本文提出一种减小径向充磁永磁体厚度的Halbach圆筒型永磁直线同步电机结构,在不降低平均推力的情况下减少永磁体用量,从而降低成本。首先,通过磁路法计算得到直线电机气隙磁密公式,分析了永磁体相关尺寸与气隙磁密的关系。应用有限元方法分析了电机分割比λ、径向充磁永磁体厚度Pr和径向充磁永磁体长度mr变化对电机气隙磁密、平均推力以及永磁体用量的影响。以最大平均推力为目标确定了电机尺寸,比较了传统Halbach TPMLSM与减小径向充磁永磁体厚度的Halbach TPMLSM的气隙磁密和推力。结果表明,减小径向充磁永磁体厚度的Halbach TPMLSM比传统Halbach TPMLSM永磁体用量降低了15.27%,平均推力提高1.07%。最后,通过样机测试对仿真分析进行验证。

机桨一体化推进电机设计及分析

设计了一种新型机桨一体化装置的永磁推进电机,将无转轴结构和Halbach阵列应用其中,并在永磁体结构形式、充磁角度以及永磁体厚度与极对数的最佳配比等方面对电机进行优化,使电机具有较小的转子厚度和较大的气隙长度;提出适用于此类特殊结构的一体化装置推进电机的场路耦合有限元计算方法,将外电路的控制方程与电机电磁场方程相结合,考虑转差对实心转子电阻的影响,得到电机在空载和额定负载时的磁场分布以及反电动势、电流、电压和转矩值,计算值与实验值吻合较好,说明本文方法正确有效。

基于不等厚永磁体的非均匀Halbach型PMSM气隙磁场解析及性能研究

Halbach阵列永磁电机的气隙磁场相对于一般的永磁同步电机正弦性更好,转矩输出性能更优秀,对气隙磁场进行准确的计算是其后续设计、计算和优化的基础。本文提出了一种采用主辅极不等厚磁极来优化不均匀Halbach阵列性能的电机模型,以2:1的主辅极比例厚度为例,推导出了计及极间隔断的不等厚磁极Halbach永磁电机的径向气隙磁场解析解,该模型在有限元软件中得到了验证。在此基础上对比了在若干组常见的永磁体所占角度配比下,等厚磁极Halbach电机和不等厚磁极Halbach电机的齿槽转矩、磁场畸变率等性能指标,发现了不等厚度磁极Halbach型永磁电机在削弱齿槽转矩和降低磁场畸变率方面的明显优势。

一种串联式双浮体直驱式波浪发电系统的设计与试验研究

针对传统的直驱式波浪发电系统安装不便以及俘获波浪能能力弱的问题,文章提出了一种漂浮串联式双浮体直驱式波浪发电系统。该系统的两个浮体水平漂浮在波浪中,Halbach永磁直线发电机的初级与次级分别安装在两个浮体之间的侧面,两个浮体均可俘获波浪能,提升了系统的波浪能俘获能力。该系统还具有结构简单、易于制造与维护的优点。文章利用制作的原型样机在波浪水槽中进行了试验。试验结果表明,在波高为16 cm,浮体吃水为16 cm,在波浪周期从1.2 s增大到2.4 s的波况下,原型样机的平均发电功率在1.8 s处取得最大值6.54 W。比较双浮体原型样机与单浮体样机后发现,在波浪周期较大的范围内,双浮体原型样机输出的平均发电功率一直高于单浮体样机。

离散式任意充磁角度Halbach永磁电机解析模型研究

Halbach电机因其自身优势在新型船舶推进、海洋洋流发电等方面受到广泛关注.本文在假设铁磁材料线性和定子内表面光滑的条件下,通过将任意充磁角度Halbach阵列等效为两组90°Halbach(或180°Halbach)阵列的矢量合成,提出了一种分析离散式任意充磁角度Halbach永磁电机气隙磁场的解析方法;通过对电机中磁标量势的傅里叶级数进行计算,推导出了最简单的90°Halbach永磁电机在极坐标系下的气隙磁密表达式,并在此基础上,给出了任意充磁角度Halbach电机永磁体磁化强度在一个极下的表达式,进而得出任意充磁角度Halbach电机气隙磁密的分布,并分析了气隙磁密与电机极对数、永磁体厚度和充磁角度间的关系.最后通过有限元和试验结果验证了本文方法的正确性.