Magnetic field and performance analysis of a tubular permanent magnet linear synchronous motor applied in elevator door system

A novel elevator door driven by tubular permanent magnet linear synchronous motor (TPMLSM) is presented. This TPMLSM applies axial magnet array topology of the secondary rod, air-cored armature windings and slotless structure of the forcer to improve the stability of the thrust. The influence of two major dimensions, the pitch and radius of the permanent magnet (PM), on magnetic field was studied and the best values were given by the finite element analysis (FEA). The magnetic field, back EMF and thrust of the motor were analyzed and the PM size was optimized to reduce the harmonic components of the magnetic field and improve the performance of the motor. Predicted results are validated by the experiment. It is shown that the performance of the motor and the novel elevator door system is satisfying.

主动悬架用非均匀齿圆筒型永磁直线电机多目标分层优化设计

针对直线电机式电磁主动悬架推力波动大、推力密度低的问题,提出一种非均匀齿结构的Halbach圆筒型永磁直线电机。利用解析法对该电机的边端力模型进行推导,并进一步分析非均匀边端齿结构对电机输出性能的影响。根据分析结果选取边端齿的轴向长度和径向削短高度、永磁体高度和径向充磁的长度、内部齿的长度5个参数作为优化因子,以电机输出推力最大和推力波动最小为优化目标进行田口法和响应面法优化,得到参数的最优值。试制了原理样机并搭建了实验平台,对电机进行空载与负载实验,验证了所提结构及其设计优化方法的有效性。

单相无刷直流圆筒直线电动机及其起动推力研究

提出了一种单相无刷直流圆筒型直线电动机(SPBLDC-TLM),利用有限元方法对其电磁性能进行了分析。与三相无刷直流圆筒型直线电机对比,SPBLDC-TLM具有推力峰值大、结构简单以及成本低等优点。针对SPBLDC-TLM起动推力为零的问题,提出了斜齿和高低齿两种非对称齿结构,对比分析了两种齿结构不对称度对起动推力以及推力峰值的影响规律,为SPBLDC-TLM的起动性能优化提供了参考。结果表明,斜齿结构不对称度对起动推力影响较小,而高低齿不对称度的增大可以显著增加起动推力。采用有限元法和MATLAB软件,验证了两种非对称齿结构的有效性。

圆筒永磁直线电机定位力最小化研究

为降低圆筒型永磁直线电机(TPMLSM)定位力并使其最小化,通过增加附加铁心的方法来削弱TPMLSM的定位力波动大小。首先根据麦克斯韦张量法得到的解析式,初步确定附加铁心的宽度w、高度h及离初级铁心端部的距离t为影响定位力的3项基本参数;使用有限元方法分析了各个参数与定位力变化的联系;再利用交互正交优化试验,以降低定位力波动大小为目标,得到最优的附加铁心参数。结果表明,优化附加铁心后TPMLSM的定位力波动大幅降低,为TPMLSM的定位力最小化提供一个简单有效的方法。

NSGA-Ⅱ应用于圆筒型永磁直线电机的多目标优化

针对圆筒型永磁直线电机提出了使用二代非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)优化其功率和效率。首先根据电机的二维有限元模型,计算电流、电压等参数;其次利用敏感参数法建立以气隙长度等为变量的优化模型,并计算电机的电磁参数;再对电磁参数数据训练,以NSGA-Ⅱ为优化算法的多目标优化模型,优化电机的功率和效率;最后根据优化结果加工出了MTS100kN万能试验机。样机实验结果验证了所提出的多目标优化设计方法和性能分析的正确性。

潜油永磁直线同步电机优化设计

陆地油田深井采油需求越来越多。深井需使用加厚套管,井下尺寸较小,同时更深的油井采油需要更大的举升力,使用传统系列潜油直线电机存在两个问题,尺寸紧张、推力不足,潜油直线电机急需优化设计,以满足新的采油需求。首先分析了潜油永磁直线同步电机的结构与性能的关联性,找出了主要的结构变量。然后通过有限元分析了结构变量对电机性能的影响,并综合筛选出优化方案。最后通过制作样机,搭建试验平台,验证了优化方案。潜油永磁直线同步电机优化方案性能满足了油田采油的新需求。

圆筒永磁直线同步电机磁场和推力分析

针对轴向磁化圆筒永磁直线同步电机,提出一种基于圆柱坐标的标量磁位分离变量法的磁场解析计算方法,并利用该解析法对无槽电机的气隙磁场分布进行理论分析,得出气隙磁场的轴向和径向磁场分布的解析结果,并解析计算了电机的推力。利用有限元数值计算法对磁场和推力结果进行验证。结果表明,该电机气隙磁场的两种计算方法的结果误差很小,验证了标量磁位分离变量法解析计算气隙磁场及电磁推力的正确性和实用性。给出实验样机的径向磁场分布实验结果,磁密实测值与计算值一致,用负载传感器对电机额定负载的推力进行了实测,验证了样机分析和设计的正确性。

利用辅助槽削弱齿槽力的方法研究

针对圆筒型永磁直线电机存在齿槽力的问题,先得出了气隙磁场强度的解析公式,再依据气隙磁场强度的解析公式采用能量法推导出了齿槽力解析公式。对齿槽力解析公式进行傅里叶分解,得到了开辅助槽对齿槽力的影响规律。研究表明,为了削弱齿槽力,当N p(齿槽力周期数)=1时,开任意辅助槽数必须选择与之相对应的极弧系数;当N p≠1时,开辅助槽数应使得对齿槽力有影响的傅里叶分解系数变为零。通过样机实验研究,验证了选择合理的辅助槽数能够削弱齿槽力。

径向充磁圆筒永磁直线同步电机磁场和推力解析计算

介绍了一种基于标量磁位分离变量法(圆柱坐标)的径向充磁圆筒永磁直线同步电机磁场解析计算方法。利用该解析法理论分析了无槽电机的气隙磁场,得到了气隙磁场的轴向和径向磁场分布的解析结果;同时对有槽电机引入了卡特系数并利用许-克变换构造了考虑齿槽效应的气隙相对比磁导函数,得出了径向磁通密度的解析表达式;此外,文中还利用解析法计算了无槽电机的推力;通过有限元数值算法对磁场和推力进行计算,结果表明,该电机气隙磁场及电磁推力的两种计算方法的结果误差很小,验证了解析法的正确性和实用性。最后给出了无槽型实验样机的径向磁场分布以及电机额定负载时的推力实验结果,验证了样机分析和设计的正确性。

新型筒型永磁动圈式直线电动机气隙磁场解析分析

提出一种新的轴向充磁永磁结构的筒型永磁动圈式直线电动机。该电机可直接用于电液比例阀作为控制执行装置,导出了该种直线电动机气隙磁场的解析计算公式,通过将算例与有限元软件的计算结果相比较,证实了解析公式的正确性。在此基础上,本文给出的电磁力及相关电磁设计主要参数的计算公式适用于该电动机的设计和研制。

径向充磁圆筒永磁直线同步电机磁场分析

针对径向充磁圆筒永磁直线同步电机,介绍了一种基于圆柱坐标标量磁位的分离变量法的磁场解析计算方法,并对大气隙无槽电机的气隙磁场分布进行了理论分析,得出气隙磁场轴向和径向磁场分布的解析结果.对有槽电机引入卡特系数,得出了修正的解析结果表达式,解析计算了电机的推力.利用有限元分析法,对磁场和推力计算结果进行了验证.结果表明,该电机气隙磁场的解析法和有限元法的计算结果误差很小,从而验证了标量磁位分离变量法计算气隙磁场及解析计算推力的正确性和实用价值.

基于不匹配干扰观测器的圆筒型永磁直线电机新型滑模速度控制

圆筒型永磁直线电机（tubular permanent magnet linear motor,TPMLM）具有推力密度大、效率高等优点。不匹配干扰易引起电机速度波动、超调等问题,恶化了TPMLM的系统性能。为解决该问题,该文提出一种基于不匹配干扰观测器的新型滑模控制策略。该策略在滑模面中引入扰动观测器,采用该扰动观测器观测不匹配扰动,确保TPMLM系统对不匹配干扰和匹配干扰具有鲁棒性;将反馈q轴电流融入速度控制器中,实现电机速度和电流的双重控制,能使电机速度快速跟随且无超调,提高该类电机系统的动态性能和稳态性能。仿真和实验结果验证了所提控制策略的可行性。

低速大推力圆筒永磁直线电动机磁场分析

介绍了一种在合理的假设条件下计算低速大推力圆筒永磁直线电动机磁场的方法。利用磁场分析法,用许克变换直接解算空载、负载气隙磁密波形,并同非线性有限元分析结果进行了比较,得出了该方法的可行性。而计算量仅相当于一般的磁路法,并且容易在计算机上编程实现。

大行程纳米二维工作台的动态优化设计

为了减小直线电机的电磁推力波动,保证绕线动子与永磁定子有足够的偏心量,对大行程纳米二维位移工作台进行了动态优化设计研究。基于振动理论建立了工作台与上层板系统的动力学模型,并以此模型分析了工作台动力响应与上层板厚的关系,给出了优化设计结果。对工作台进行了全行程定位实验,实验结果表明,工作台可以在0～100mm范围内,实现10nm定位分辨率的快速、高精度定位,满足纳米测量的要求。

低速大力矩圆筒永磁直线电机齿槽力分析

为削弱圆筒永磁直线电机的齿槽力,采用了一种基于能量法和傅里叶分解的解析分析方法,推导出了圆筒直线电机与结构参数有关的齿槽力表达式。在此基础上,研究了定子极距所作的微小改变和极弧系数的优化选择对齿槽力的影响,提出了减少电机齿槽力的优化方案,并利用有限元法对其进行了验证。通过抽油机实际测试,其测试结果证明所提出的方法是正确有效的。

永磁直线伺服电机的磁场分析及优化设计

介绍了一种圆筒型永磁直线伺服电机,电机次级采用轴向磁通结构,初级采用无铁心空心式绕组设计,完全消除了传统有铁心永磁电机固有齿槽效应所引起的推力波动问题.该结构电机的输出推力稳定性主要与电机气隙磁场分布的正弦程度有关,提高气隙磁场分布的正弦性是改善电机伺服性能的重点.通过对电机磁场进行有限元分析,研究了电机次级永磁体宽度和半径2个主要尺寸对气隙磁场分布的影响,并给出了这2个主要尺寸的最佳取值.经过优化设计,电机的气隙磁场分布得到了改善,磁场谐波分量大大降低,输出推力更加稳定,伺服性能得以提高.

低速大力矩圆筒永磁直线电机齿槽力优化

首先用有限元分析来说明该文所研究的圆筒永磁直线电机推力波动主要是由齿槽力引起的。为削弱该电机的齿槽力,采用了一种基于能量法和傅里叶分解的解析分析方法,推导出圆筒直线电机与结构参数有关的齿槽力表达式。在此基础上,研究了对定子极距所作的微小改变和极弧系数的优化选择对齿槽力的影响,提出了减少电机齿槽力的优化方案。利用有限元法对其验证,通过抽油机实际测试,证明文中提出的方法是正确有效的。

基于内模的圆筒永磁直线电机滑模速度控制

为了提高圆筒永磁直线电机(tubular permanent magnet linear motor,TPMLM)在不匹配扰动下的调速性能,提出一种基于内模的滑模速度控制策略。该策略采用内模控制方法(internal model control,IMC)将TPMLM系统变换为1阶惯性系统,进而系统响应速度由IMC调制系数a决定,实现了电机速度快速跟随且无超调,简化了动态性能设计。采用2阶扰动观测器观测系统不匹配扰动,并将其引入滑模面,滑模控制器与扰动观测器相结合,提高系统对不匹配扰动的鲁棒性能;同时将反馈电流引入速度控制,实现了速度、电流的双重闭环控制。仿真和实验结果验证了所提控制策略的有效性。

圆筒型永磁直线电机齿槽力解析

针对圆筒型永磁直线电机齿槽力解析计算不够准确的问题,提出了一种利用能量法解析研究齿槽力的方法。利用许—克变换计算出了该种结构的无槽和开槽后的基本气隙磁场强度,计算出气隙最小处的气隙磁场强度,最终得出整个电机的气隙磁场强度。根据得到的气隙磁场强度公式得出电机能量,结合电机能量和齿槽力的关系推导出齿槽力解析公式,并使用有限元法仿真和样机实验结果验证所提方法的有效性和准确性。结果表明:解析法、有限元法计算和实验测量的齿槽力规律完全一致,峰值分别为22.2、20.8、0.9 N,三者结果吻合较好。该方法是一种快捷、有效、计算精度高的方法。

磁极偏移减小永磁直线无刷直流电动机磁阻力

为了减小由永磁体和初级齿相互作用引起的永磁直线无刷直流电动机的磁阻力,提出了一种磁极偏移的优化方法。运用傅立叶级数和数值分析相结合的方法对磁阻力进行了分析,研究了优化磁极相对位置降低磁阻力的原理和方法,推导出了永磁体偏移量的规则。建立了电机的磁阻力有限元分析模型,并进行了仿真分析。结果表明,采用磁极偏移的方法可以很好地降低磁阻力,电机电磁推力降低很少,且电机极数越多优化效果越明显,采用有限元法验证了该结论。