Halbach阵列磁极结构电机较普通永磁电机的优越性分析

Halbach阵列磁极结构是1979年美国K.Halbach博士提出的一种新型永磁结构。本文在对Halbach阵列磁极结构特点的分析研究基础之上,通过对比Halbach阵列磁极结构和普通磁极结构的特点以及磁性能,研究了Halbach阵列磁极结构在波形正弦性和气隙磁场大小方面较普通磁极结构的优势,并分析总结了Halbach阵列磁极结构电机较普通永磁电机的优越性,对Halbach阵列磁极电机的后续研制具有一定的指导意义。

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.

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.

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。

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。

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。

少稀土组合磁极Halbach永磁同步电机性能和材料成本研究

稀土永磁同步电机性能优越,但稀土永磁材料价格昂贵导致电机成本增加。因此,提出了一种新型少稀土永磁同步电机,其永磁体采用组合磁极Halbach结构。分析了少稀土组合磁极永磁同步电机的结构特点,并在此基础上,提出了少稀土T型、HAT型和LREH型三种组合磁极Halbach永磁同步电机拓扑结构。从电机空载反电动势、空载齿槽转矩和额定负载电磁转矩等方面分析了三种拓扑结构少稀土永磁同步电机,并与稀土永磁同步电机进行对比分析。在等转矩条件下研究了钕铁硼和铁氧体两种永磁体厚度对少稀土组合磁极永磁同步电机材料成本的影响。对比分析了稀土永磁同步电机和三种少稀土永磁同步电机的材料成本。有限元仿真结果表明LREH型少稀土组合磁极Halbach永磁同步电机具有更好的转矩性能和更低的材料成本。

基于等效磁荷法的永磁电机Halbach阵列磁极磁场分析

基于等效磁荷法推导出永磁电机转子磁极——瓦形磁体在空间的磁场分布。同时用有限元法进行了分析,表明两者之间偏差较小,等效磁荷法满足计算精度要求。进而利用该方法建立了永磁电机的Halbach分布转子磁极静态磁场的模型,通过改变影响转子磁极磁场分布的极弧比和副磁极磁化角度两个因素,得到在不同磁极结构下的转子磁极静态磁场径向分量变化规律:每一极中主磁极空间跨度变大会导致Halbach永磁电机转子磁极静态磁场的径向分量基波幅值变大,而谐波含量先减小后增大;随着副磁极磁化角度变大,转子静态磁场的基波幅值先变大后减小,而谐波含量刚好相反,先减小后变大。

Halbach-偏心磁极永磁同步电机的设计与优化

以提高永磁同步电机(PMSM)输出转矩,降低齿槽转矩、转矩脉动为目标,提出了一种转子采用Halbach-偏心磁极的9槽10极分数槽集中绕组PMSM。建立了PMSM电磁场模型,研究了不等厚磁极偏心距、Halbach径向充磁磁极所占的圆周角度对电机性能的影响规律。针对电机优化目标彼此之间相互制约的特点,基于NSGA-Ⅱ算法对电机参数进行多目标优化,优化后的电机平均输出转矩提升了8.4%,转矩脉动降低了62.2%,齿槽转矩降低了46.2%,为PMSM的结构优化奠定了一定的基础。

环形Halbach永磁轮新型充磁设计及磁力特性研究

径向永磁轮具有“悬浮‒推进”一体化的独特优势,但是由于永磁轮存在非气隙侧漏磁现象,使得永磁轮利用率较低,需要进一步提高悬浮承载能力。鉴于此,文章提出了一种新型永磁轮充磁方案,能在相同永磁轮质量的条件下,有效提高悬浮驱动能力。文章提出在相邻永磁体之间插入斜向磁化的永磁体和径向充磁永磁体等分的永磁轮结构,阐述分析其基本原理,并搭建了三维有限元模型,以浮重比和驱重比为性能指标,求解各结构的最优尺寸。仿真结果表明,对于插入斜向磁化永磁体的永磁轮结构,其悬浮力提升了14.80%,驱动力提升了14.98%;对于径向充磁永磁体等分的永磁轮结构,其悬浮力提升了9.2%,驱动力提升了7.6%。研究结果表明,在永磁体用量相同的情况下,文章提出的充磁方法能够有效改善系统的悬浮力和驱动力特性,节约了成本,并提升了系统的运行效率,为后续永磁轮结构的优化和磁悬浮车辆的设计提供参考。

新型Halbach次级结构永磁同步直线电机

提出一种新型Halbach次级结构的无铁心永磁同步直线电机,介绍了该新型直线电机的结构和原理,利用矢量磁位和边界条件对Halbach永磁阵列所产生的磁场进行解析分析,得到气隙磁通密度的表达式,建立直线电机的数学模型。通过研究分析,设计制造一台样机并进行相关实验研究,通过对比实验和仿真结果,来验证解析设计的合理性。

Halbach阵列盘式永磁电机的解析计算

以一台Halbach阵列盘式永磁电机为对象,采用精确子域法,在直角坐标系下推导该电机空载气隙磁场的解析计算方法。该方法通过分离Halbach永磁体,得到各永磁体的磁化强度,通过叠加法合成最终磁化强度,根据边界条件求解电机的磁场,继而获得相关电磁性能。将有限元计算结果和实验结果分别与解析计算结果进行对比,结果表明所推导的解析方法具有较高的精度。该文所述模型可推广至绝大部分Halbach阵列结构,对该类型电机的快速计算具有一定的指导意义。

无铁心HALBACH阵列对盘式永磁同步电机控制性能的影响

从对无铁心绕组及Halbach阵列永磁磁钢自身性能特点的分析出发,分析了无铁心Halbach阵列对永磁同步电机控制性能的影响,并与传统永磁同步电机进行了对比分析。

基于Halbach阵列的永磁电动悬浮仿真与性能影响因素分析

为了研究永磁电动悬浮中各参数对系统悬浮性能的影响,针对直线型Halbach永磁体阵列,基于电磁场理论分析,结合瞬态电磁场有限元模型,明确永磁体外部磁场的分布规律,之后分析了永磁电动悬浮系统的电磁特性与系统各参数的关系,最终提出了一种较优的永磁体结构方案。研究表明,永磁体阵列下部磁场呈近似正弦分布,电动悬浮系统低速时以磁阻力为主,高速时以悬浮力为主。轨道感应板厚度的选取是影响浮阻比的关键,当永磁体长宽高之比为1:1.2:0.8时,系统浮重比最大,浮阻比与永磁体长度近线性相关,因此,合理选择相关参数可有效提高系统悬浮性能。

中速磁浮无铁心永磁直线同步电机的结构优化

中速磁浮列车采用单边长初级无铁心永磁直线同步电机(IPMLSM)作为牵引电机,因为这种电机具有结构简单、运行平稳、无轮轨摩擦以及法向吸引力接近于0等优点,但是由于该电机定子无铁心,导致其推力密度较小,且永磁材料使用过多及定子绕组沿轨道长距离铺设,使电机效率进一步降低。为了提高电机性能,在IPMLSM基本结构的基础上,提出一种新型永磁体装配结构,可提升电机推力密度;并根据长定子IPMLSM绕组的特点,优化绕组导体截面,获得适用于中速磁浮列车IPMLSM定子绕组导体的宽与高之比,进一步提升电机的推力密度。最后,制作IPMLSM小型样机实验装置,对比实验结果验证了所提改进结构的优越性。

磁极组合型无铁心永磁直驱风力发电机转子结构设计

Halbach阵列用在电机上有很多好处,但却造成成本上升,研究了一种适用于无铁心永磁直驱风力发电机的径向磁场磁极组合型Halbach阵列,阐述了该新型磁极的结构与优点。借助二维有限元分析方法,找到了利于实现Halbach阵列单边磁屏蔽能力磁极组合方式,并且优化了软磁材料的尺寸,确定了电机的极弧系数。与常规Halbach阵列相比,优化后的组合磁极型电机在保证一定气隙磁密的基础上,减少了永磁体用量,降低了电机成本。

基于Halbach阵列的车用可控磁通电机电磁分析

针对新能源汽车的电安全问题以及转矩安全问题,提出一种采用Halbach阵列变磁阻结构的可控磁通永磁电机。对电机空载特性、工作状态特性和安全特性进行了有限元仿真。仿真表明,电机能够满足车用电机的需求,并且能保证新能源汽车的电安全特性与转矩安全特性。

Halbach结构在正弦波驱动电机中的优化应用

为了解决正弦波驱动电机中Halbach结构磁体均匀分布的工艺操作难度问题。以一台表贴式磁体结构电机为研究对象,对比分析了常规磁体结构与Halbach磁体结构的优缺点;采用有限元法建立了该电机的二维仿真模型,对Halbach磁体结构进行了优化设计;并利用有限元法分别计算出了优化前、后Halbach磁体结构电机的气隙磁通密度与电机相同激励下的输出性能。经过对比,优化后的电机结构不会影响电机的整体性能,实验对比测试表明,优化后电机相较于优化前电机额定电流降低了3.55%,额定转矩提高了1.18%,峰值电流提高了0.48%,峰值转矩提高了1.33%,验证了优化仿真结果的准确性,证明了转子结构优化后的电机性能能够满足设计要求,为今后同类型电机的设计和生产提供了参考。

磁极组合型轴向磁场无铁心永磁电机的设计与分析

在现有Halbach阵列永磁电机的基础上,提出了一种磁极组合式的Halbach永磁阵列轴向磁场无铁心电机,阐述了该电机的结构与优点,分析了该电机的电磁转矩。借助三维有限元分析方法,优化设计了组成转子磁极的Halbach永磁材料、软磁材料尺寸。在综合考虑单位体积永磁体所产生电磁转矩和气隙磁密正弦性的基础上,确定了电机转子磁极上轴向磁化、切向磁化永磁体以及软磁材料的极弧系数。与传统Halbach结构轴向磁场无铁心永磁电机相比,优化后的磁极组合型轴向磁场无铁心永磁电机,在保证气隙磁密大小一定的基础上,减少了永磁体用量,降低电机造价,从而提高了电机性价比。样机实验和有限元分析结果验证了所设计电机的正确性和有效性。

磁极径向组合轴向磁场永磁电机转矩品质分析与优化设计

为了实现轴向磁场永磁(axial field permanent magnet,AFPM)电机大转矩惯量比、低转矩脉动等高品质转矩输出,提出磁极径向组合式的AFPM电机,采用传统表贴永磁与Halbach永磁阵列沿径向排列的转子结构。分析电机运行原理,推导电机功率尺寸方程;通过有限元方法对比分析该结构与传统表贴式结构的磁场分布、转矩、转矩脉动、反电动势及电感等电磁特性。在此基础上,基于响应面分析,构建多目标遗传优化设计方法,对电机转矩、齿槽转矩、反电动势和转矩脉动进行优化设计。最后,基于优选参数加工制造样机,并进行实验研究,验证了该电机结构的有效性和分析的正确性。