梯形Halbach交替极无铁心永磁同步直线电机特性分析与优化设计

针对无铁心永磁同步直线电机(PMLSM)存在推力波动问题以及磁极结构对永磁体利用率的影响,从结构方面着手,提出一种梯形Halbach交替极磁极结构的无铁心永磁同步直线电机,对Halbach阵列进行优化设计。首先通过有限元法对比在Halbach交替极、双层Halbach磁极与梯形Halbach交替极3种磁极结构中PMLSM的电磁性能,分别对气隙磁场谐波成分、空载反电动势、电磁推力以及推力体积比进行计算与对比。其次,采用等效磁化强度法定性分析磁极结构对电机出力性能的影响,并引入Kriging模型,结合多目标优化算法对关键参数进行优化以提高电机平均推力和推力体积比,降低推力波动,得到3个优化目标的Pareto前沿。最后,通过仿真分析验证设计方法的有效性以及电机性能的改善。结果表明:梯形Halbach交替极磁极结构永磁体利用率更高,具有实用价值;梯形Halbach交替极PMLSM能够有效抑制推力波动并保持在7%左右,适用于高精确度加工设备。

Optimization Design of Halbach Permanent Magnet Motor Based on Multi-objective Sensitivity

The halbach permanent magnet synchronous motor(HPMSM)combines the advantages of permanent magnet motors and halbach arrays,which make it very suitable to act as a robot joint motor,and it can also be used in other fields,such as electric vehicles,wind power generation,etc.At first,the sizing equation is derived and the initial design dimensions are calculated for the HPMSM with the rated power of 275W,based on which the finite element parametric model of the motor is built up and the key structural parameters that affect the total harmonic distortion of air-gap flux density and output torque are determined by analyzing multi-objective sensitivity.Then the structure parameters are optimized by using the cuckoo search algorithm.Last,in view of the problem of local overheating of the motor,an improved stator slot structure is proposed and researched.Under the condition of the same outer dimensions,the electromagnetic performance of the HPMSM before and after the improvement are analyzed and compared by the finite element method.It is found that the improved HPMSM can obtain better performances.

考虑端部效应的动子无源型Halbach磁悬浮永磁直线电机电磁力分析

针对光刻机等高精确度定位平台无摩擦、无接触、无噪声需求,提出一种采用动子无源型平移和悬浮一体化Halbach磁悬浮永磁直线电机以实现定位平台的无摩擦悬浮及长距离定位运动。为了精确分析该类电机的悬浮力和推力特性,提出一种考虑动子永磁体端部效应的电机磁场解析模型并采用傅里叶分解法得到Halbach阵列永磁体磁场解析式。基于此磁场解析模型,通过洛伦兹力法得到了动子电磁力解析模型,并基于正交分解法推导了电机悬浮力和推力解耦的电磁力模型。结合有限元仿真对建立的电磁模型进行了对比验证,在此基础上,设计并制作了一台10极12槽样机,通过搭建实验平台进行推力和悬浮力测试,将实验测试值与有限元仿真值和解析值对比验证了所提出方法的准确性和快速性。

基于敏感度分层优化的Halbach永磁电机电磁振动分析

为解决内置式永磁同步电机径向电磁力引起的电磁振动问题,提出一种分段永磁体采用Halbach充磁方式同时转子开设辅助槽的电机拓扑结构。首先,对电机气隙磁密、径向电磁力、电磁振动原理进行推导与分析,并建立有限元模型。其次,提出基于电磁场和机械场耦合的电磁振动分析方案,对电机径向电磁力进行时间空间阶次傅里叶分解,在机械场中,分析电机定子在不同频率下的振动加速度幅值大小,并计算出定子各阶模态。在此基础上,基于响应面法和多目标遗传算法构建电机参数敏感度分层优化方案,并求得样本点帕累托前沿从而确定电机最优参数,将优化后的电机与普通V型内置式电机进行比较。最后,在机械场中仿真得到转子所受等效应力和总变形,验证得所提电机结构符合机械设计要求。分析结果表明:所提出结构电机在不损失电磁转矩的基础上,径向电磁力幅值大幅度降低,抑制了齿槽转矩,改善了气隙磁密和反电势的正弦度,在提高电机电磁性能的同时抑制了电磁振动的发生。

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。

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。

一种无铁Halbach型永磁直线电机

提出一种用于驱动高精度平面电机的无铁永磁直线电机结构,并制作了同尺寸的Halbach阵列型和径向阵列型样机进行对比研究。分析了Halbach永磁阵列和径向永磁阵列的磁场,提出了直线电机的解耦电磁力方程,对两种样机的静态推力、空载反电动势、闭环定位特性进行了对比实验研究。与径向阵列型样机相比,Halbach阵列型样机的推力常数提高1.37倍,反电动势幅值提高1.5倍且波形正弦性较好,达到相同动态性能指标时,控制电流幅值降低1.4倍。理论分析和实验结果表明,Halbach永磁阵列可增大无铁直线电机的气隙磁通密度,改善磁场分布的正弦性能。

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型磁悬浮平面电动机电流控制方法

Halbach型磁悬浮平面电动机的6个运动自由度之间存在紧密的电磁和力学耦合。为实现平面电动机的解耦控制,首先介绍了平面电动机的结构和工作原理,分析了Halbach型直线电动机执行器的特点并提出其电磁力方程,接着引入了基于模式力的解耦动力学模型,提出了模式力的电流分配方法以及垂直和水平运动的电流控制策略,文末对电流控制方法的可行性进行了探讨,设计了垂直运动的伺服控制器并进行了相关仿真。电流控制方法使6个运动自由度的运动控制方程之间不再存在耦合,且都为简单的二阶线性系统,为平面电动机控制奠定了理论基础。

基于HALBACH阵列的永磁同步盘式无铁心电机磁钢设计

介绍了永磁体的一种新型排列方式—Halbach阵列。在此阵列的基础上,以每极主磁通和气隙磁场波形为研究对象,通过磁场分析确定永磁同步盘式无铁心电机的最佳磁钢结构尺寸。

Halbach阵列用于盘式无铁心永磁同步电动机的结构仿真研究

介绍了一种新型Halbach永磁体阵列的基本形式、特点及其在盘式无铁心永磁同步电动机中的应用,并利用FEM对该型电动机中的Halbach永磁体阵列的最佳结构及特点进行了仿真分析。说明样机电动势接近正弦,损耗降低,效率提高。

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。

空心和Halbach永磁直线同步电机的牵引力和法向力分析

针对由空芯线圈和Halbach永磁结构组成的直线同步牵引电机,提出其牵引力和法向力的一种解析计算方法。首先从相同结构的旋转电机出发,推导得到其牵引力和法向力的解析计算公式;然后,将所得结果推广到直线电机结构,得到基于空芯线圈和Halbach永磁结构的直线同步电机牵引力和法向力的计算方法。所得解析解的有效性由有限元分析软件Ansoft Maxwell得到验证。此方法为基于空芯线圈和Halbach永磁结构的直线同步电机的结构设计和性能分析提供了基础。

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。

基于伪周期的Halbach永磁阵列三维磁场端部效应建模研究

对于无铁芯动铁式长行程平面电机,其动子Halbach永磁阵列端部磁场的畸变将产生端部效应,由其引起的推力波动将影响平面电机定位与运动精度。建立准确的包含端部磁场的Halbach永磁阵列三维磁场数学解析模型,是电机推力建模、避免推力波动、提高端部磁场利用率及降低单个线圈能耗的基础。以无铁芯动铁式永磁同步平面电机动子Halbach永磁阵列为研究对象,分析了Halbach永磁阵列中磁场类正弦区与端部畸变区的磁场特性,通过将Halbach永磁阵列外边缘磁场衰减至零的特征边界间距定义为机械伪周期,并采用新的傅立叶级数及空间积分技术,推导出了完整的Halbach永磁阵列全空间磁场三维数学解析表达式。通过与有限元计算及现有磁场解析计算方法的对比,结果验证了提出的磁场建模方法的准确有效性。

Halbach结构永磁电机优化设计

对自行设计的22.5 kW三相永磁Halbach电机进行研究,建立了其二维有限元模型,通过改变永磁体厚度和Halbach阵列的径向与切向磁体宽度配比,详细分析了其对电机空载及负载时的气隙磁密、反电势、转矩脉动等性能指标的影响,提出永磁电机的优化设计方案。

Halbach交替极永磁同步直线电机特性分析

提出一种Halbach交替极永磁同步直线电机(HCP-PMLSM),利用有限元法对隐极、交替极和Halbach交替极三种次级结构永磁同步直线电机的空载电动势、电磁推力、磁阻力及推力波动等电磁特性进行计算与对比,并优化了HCP-PMLSM的磁极尺寸,以进一步提高其推力。针对HCP-PMLSM推力波动偏大的问题,提出一种次级双边错齿结构HCP-PMLSM对推力波动进行抑制,并分析了HCP-PMLSM的自感、反电动势、推力和推力波动等电磁特性。最后,制作了双边错齿结构HCP-PMLSM样机,并进行了实验,实验结果验证了理论分析的正确性。

基于Halbach结构的伺服丝杠电机技术研究

构建Halbach结构、常规结构电机有限元模型,对比、分析两种结构的性能参数;构建基于Halbach结构不同极弧系数下的电机有限元模型,针对电机波形展开傅里叶分析,总结Halbach电机转子装配工艺流程、方法。对比样机试验结果与仿真模型计算结果,验证设计合理性。

新型外转子Halbach永磁阵列定子无铁心电机设计与分析

具有气隙磁密正弦、磁密高等优点的halbach阵列永磁外转子电机应用于飞轮储能系统的电动/发电机可以有效提升系统集成度,简化系统结构,提高系统功率密度。本文研究分析新型外转子halbach永磁阵列定子无铁心电机的转子结构和定子绕组设计方法;通过有限元方法分析了磁场分布和定子绕组损耗;研究定子绕组区域磁场分布变化特征,采用每匝绕组线圈内部导体换位技术有效抑制线圈导体内部之间的环流;最后,通过场路耦合方法分析定子绕组电流对转子永磁体涡流损耗影响。本文优化设计的200k W外转子halbach永磁阵列定子无铁心电机的机电能量转化效率高达99%以上。

高温超导运动磁场电磁Halbach初级结构直线感应磁悬浮电机

提出一种高温超导运动磁场电磁Halbach初级结构的直线感应磁悬浮电机,该电机通过在初级高温超导电磁Halbach绕组中通入三相交变电流产生运动的交变磁场,与其在次级导体中感应出的涡流磁场相互作用产生悬浮力和推进力。介绍了该电机的结构和原理,利用矢量磁位和边界条件对电磁Halbach阵列所产生的磁场进行解析计算,得到电机各部分磁通密度的表达式,建立电机的数学模型。通过研究分析,设计制造了一台铜绕组样机进行相关实验研究,验证解析计算的合理性。