永磁电动悬浮多工况下的电磁力特性研究

永磁电动悬浮系统由于自身弱阻尼的特点,运行过程中磁体的姿态易受外界扰动而发生改变,从而影响系统的电磁力特性。该文针对磁体倾斜、横移、偏转等工况,采用解析计算、仿真分析、实验验证相结合的方法来研究系统电磁力特性。首先阐述系统的结构及原理,推导Halbach永磁体阵列在水平、倾斜、偏转状态下的磁场分布函数,建立适用于系统多工况的三维解析模型;其次,搭建三维仿真模型,仿真结果验证了解析模型的正确性,并结合解析模型对比分析系统典型工况下的浮阻特性和悬浮能力;最后,依托组内自研的最高设计时速为600km/h的动轨实验台,分析了系统在固定参数下的电磁力特性和垂向自稳定能力,并验证解析模型的准确性及磁体在不同横移位置的电磁力特性。

Suspension Power Optimization of Unbalanced Structure Permanent-electro Hybrid Magnet Using Genetic Algorithm

The permanent magnet electromagnetic hybridmagnet (PEHM) has the advantages of low energy consumptionand a large suspension air gap. In this study, an unbalancedPEHM structure is proposed, which combines the advantages ofthe previous hybrid magnet structure. First, by establishing themagnetic circuit model of the new hybrid magnet structure, theinfluence of magnetic field distribution on the working magneticcircuit of the magnet is analyzed, and the method of magneticforce correction calculation of the new structure magnet isgiven. Then, the validity of the magnetic calculation method isverified by the 3D finite element method (FEM). Furthermore, theaverage suspension power force ratio is used as the optimizationgoal, and the system parameters of the hybrid magnet under aworking air gap of 6–10 mm and a load condition of 15000–20000 N are optimized by a genetic algorithm. Compared withthe previous hybrid magnet, the optimized hybrid magnet systemcan maintain lower power consumption under comprehensiveworking conditions.

永磁和电磁构成的混合式悬浮系统研究

永久磁铁和常导线圈构成的混合式悬浮系统,悬浮能耗小,可实现大气隙悬浮。本文建立了该混合悬浮系统的数学模型,分析了它的一些性质,采用定气隙控制指标,设计了使系统稳定的控制器,并对所设计的控制器进行了仿真。仿真结果表明,这种混合式悬浮系统可以通过控制实现大气隙、低能耗的稳定悬浮。

考虑偏心及绕组耦合的无轴承永磁同步电机建模

在阐述无轴承永磁同步电机转子悬浮机理的基础上,根据电机磁路原理,建立了无轴承永磁同步电机电感矩阵解析模型。基于该解析模型和电磁场虚位移原理,推导了无轴承永磁同步电机的较为精确的数学模型。该解析模型充分考虑了转子偏心以及两套绕组的耦合关系,能有效地描述电机产生的径向悬浮力和电磁转矩。为了验证该模型的正确性和可行性,在一台表面贴装式无轴承永磁同步电机上进行了的实验研究。实验结果表明利用该模型能够有效地提高无轴承永磁同步电机稳定悬浮运行的稳态精度和动态响应速度。

一种新颖的永磁偏置三自由度电磁轴承

为了使磁轴承系统减小尺寸、改善动态性能和降低成本 ,提出一种将轴向磁轴承和径向磁轴承的功能相结合的永磁偏置三自由度电磁轴承 ,对其磁悬浮机理进行了研究 ,用等效磁路法建立了这种电磁轴承轴向力和径向力数学模型 ,利用三维网格图直观地分析了轴向力和径向力的耦合状况 ,理论分析表明 ,在平衡位置附近这种磁轴承 3个自由度之间是解耦的。作者研制了一套实验样机 ,利用简单的分散控制实现了 3自由度的稳定悬浮 ,并给出了部分实验结果。实验很好地验证了理论分析的结果 ,这种新颖的电磁轴承适合应用于飞轮储能、空调压缩机、涡轮分子泵等高速应用场合。

车辆电磁悬架技术综述

主动悬架对路况和车况的自适应能力强,可显著提升车辆的行驶平顺性,而作为其核心部件之一的作动器,则是实现主动悬架性能的关键。随着电动车、电控系统和电磁减振技术的发展,电磁作动器在车辆悬架系统上的应用开始受到关注。本文中对车辆电磁悬架技术的研究和应用现状进行回顾和分析,并对其应用前景进行展望。

永磁型无轴承电机的完整系统建模

为实现永磁型无轴承电机的稳定悬浮运行,须对转矩和悬浮力进行实时控制。电磁转矩和磁悬浮力的精确计算是无轴承电机设计及其控制的基础。传统的永磁型无轴承电机数学模型将转矩与悬浮力作为两个独立的系统来考虑,忽略了它们之间的非线性电磁耦合关系,因此计算精度不理想。该文通过虚位移法推导、并建立了考虑转矩绕组与悬浮绕组之间非线性电磁耦合关系及转子运动的面贴式永磁型无轴承电机完整系统数学模型,并通过有限元分析提取了模型中的关键参数。基于此模型实现了转子磁场定向控制的悬浮运行仿真,通过与传统数学模型的仿真结果对比,验证了该模型的精确性与完整性。

斥力型磁悬浮平台建模及仿真

针对吸力型磁悬浮平台尺寸大、刚度低以及承载力小等缺点,提出一种斥力型磁悬浮平台。采用等效方法推导出永磁导轨对悬浮永磁体和悬浮电磁铁的磁斥力数学模型,并通过实验验证了该模型的准确性。通过对计算实例的Matlab仿真分析,表明所建的磁斥力模型是可控的,可实现斥力型磁悬浮平台的稳定悬浮。

板式双边永磁电动悬浮电磁力计算

针对现有电动悬浮模式的缺点,研究了一种由导体板和双边Halbach永磁阵列构成的悬浮系统。相比单边电动悬浮,该系统电磁阻力更小,适用于城市轨道交通。分别采用解析法和有限元法对其产生的电磁力进行计算。首先,建立了空间矢量磁位方程,通过求解该方程可得导体板中涡流分布;其次,研究了空间磁场与涡流的相互作用,得到了电磁力的2D解析表达式,建立了2D和3D有限元模型,计算了不同速度下的电磁力、磁场与涡流,并得出解析法与2D有限元法的平均相对误差为1.7%;最后,通过与单边电动悬浮对比,证明了该悬浮模式可有效提高浮阻比,减小阻力损耗。

电磁永磁混合悬浮系统的控制特性分析

研究电磁永磁混合悬浮系统的悬浮力计算方法,建立其数学模型,分析永久磁铁对模型参数的影响,并分别从混合悬浮系统的悬浮力、电气特性、控制性能3个角度研究永久磁铁对控制系统的影响,用于指导完成串级控制器的设计与参数选取,实现了单磁悬浮架混合悬浮系统的稳定化控制。

电力活塞式电动机混合驱动系统性能分析

针对电动汽车电动化底盘电力活塞式电动机电磁驱动系统存在的电磁力对电流大小过度依赖的问题,提出一种采用永磁电磁混合方式构成电力活塞式电动机混合驱动系统驱动活塞做功的方案,设计了电磁永磁混合驱动系统结构。基于磁路分析法建立了传统电磁驱动系统和电磁永磁混合驱动系统的等效磁路模型,并建立了两种驱动系统的仿真模型,在同等条件下对两种驱动系统进行了研究分析,结果表明:同等条件下,电磁永磁混合驱动系统产生的电磁力是传统电磁驱动系统的17.3倍;在同等工作要求下,电磁永磁混合驱动系统的电流消耗为传统电磁驱动系统的25.2%,有效降低了电动汽车电动化底盘电磁永磁混合驱动系统的能耗,验证了所提方案的可行性和有效性。

电磁永磁混合结构排斥力的特性

在永磁体上加上螺线管的这种结构称为电磁永磁混合结构,这种结构可以调节部分磁场强度,从而调节所受力的大小。本文对混合结构与单体永磁体之间产生的排斥力分别进行了等效计算法和数值计算法计算,并进行了比较,结果表明等效计算法虽简单、易理解,但它是基于磁路的计算,因此计算误差太大。而数值计算法中的有限单元法虽繁锁,但它是其于有限元件分析,精确可靠。并利用ANSYS分别对混合式和纯电磁铁进行有限元分析,通过对比证明了混合悬浮系统在排斥力方面的优越性。

基于TMS320F2812的混合悬浮系统研究

针对纯电磁悬浮系统实现大气隙悬浮能耗很大的问题,本文研究了电磁与永磁混合的悬浮系统。系统阐述了混合系统的工作原理,详细分析了以定点数字信号处理器TMS320F2812为核心的数字控制器硬件系统。控制方法采用积分分离式的PID控制规律,并给出了C语言的程序流程图。实验结果验证了系统的可行性。

超高速永磁电动悬浮系统性能优化

为提高超高速永磁电动悬浮系统的综合性能,围绕浮重比、浮阻比和悬浮刚度3个重要指标开展了多目标性能优化研究.首先,对永磁电动悬浮系统进行横向延拓,推导三维电磁力模型,并进行有限元仿真分析;然后,针对浮重比、浮阻比和悬浮刚度的多目标优化问题,提出基于“系统级+子系统级”架构的并行优化策略,实现了线性加权意义下的系统性能最优.最后,搭建了“Halbach永磁阵列+凸缘式铝制转盘”实验平台,验证上述优化策略在提高系统性能上的有效性.研究结果表明:在超高速工况下,理论解析计算得到悬浮力与仿真结果误差在8%以内,而磁阻力几乎没有误差;通过优化设计,浮重比从11.0提升至18.3,增幅为75.50%;浮阻比从3.5提升至3.8,增幅为7.50%;单位质量永磁阵列的悬浮刚度从6.1 kN/m提升至20.6 kN/m,增幅为235.94%.

电磁永磁混合悬浮的零功率控制

基于电磁永磁混合悬浮系统局部线性化设计零功率悬浮控制器,将电流积分项视为外环独立控制。其电流反馈采用最速电流环的思想,使线圈电流能快速跟踪控制电压变化,减少电感滞后作用。根据不同负载质量对应的最优控制参数及其实现零功率悬浮时对应的间隙,设计变负载质量条件下PD环参数的自适应机制。

板式双边永磁电动悬浮三维解析计算

研究目的:板式双边Halbach电动悬浮具有自稳定悬浮的特点,适用于低速磁浮交通。为研究不同参数对电磁力和悬浮特性的影响,从而为工程设计服务,本文基于三维阵列,提出该悬浮系统的解析计算模型,并通过有限元和试验法对解析结果进行验证。研究结论:(1)根据空间导电率特性,将空间划分为不同区域,利用二阶矢量磁位(SOVP)建立不同区域内的电磁场微分方程,用分离变量法求得了空间磁场二阶矢量磁位的通解;(2)由磁荷法推导出Halbach阵列在导体板上、下表面处的静态磁场方程;(3)结合二阶矢量磁位的通解、静态磁场方程和边界条件,确定待定常数,从而推导出不同区域内磁场的表达式,进而由磁荷法计算得到电磁力;(4)用ANSYS软件建立该系统的三维有限元模型,计算磁场和电磁力,与所得到的解析结果进行对比,平均相对误差约为0. 7%;(5)设计了旋转试验台,模拟双边电动悬浮运行方式,对电磁力进行测试,并与解析计算结果对比,所得平均相对误差约为10%;(6)本研究成果可为低速磁浮列车的设计提供理论依据。

永磁电动悬浮系统三维解析建模与电磁力优化分析

电磁力准确计算是对Halbach阵列永磁电动悬浮系统进行研究和优化的基础,结构优化是提高系统性能和减少工程化建设成本的关键。建立包含类似直线电机横向端部和纵向端部效应的三维电磁场解析模型,通过对比2-D、3-D解析模型计算结果与3-D有限元仿真结果,验证了所建解析模型的准确性和可靠性。基于三维解析模型对永磁电动悬浮系统进行优化分析,研究结构参数对优化指标的影响,首次量化导体板宽度和永磁体宽度对系统横向端部效应的作用,总结出基于参数分析的系统优化设计方法。最后利用多目标粒子群优化算法对系统进行优化,通过对比参数分析系统优化设计解和优化算法设计解的性能,证明提出的优化方法快速可靠。

舰载机悬浮式电磁弹射器的系统研究

电磁弹射技术一直是世界发达国家竞相发展的高新技术,电磁弹射器将代替目前航母上使用的蒸汽弹射器.本文从舰载飞机起飞运动分析入手,以磁悬浮导轨技术和永磁无刷直线电机技术运用到磁悬浮电磁弹射设计中,简述了该项技术的基本原理、组成及其特点,并对悬浮电磁弹射系统进行分析.

基于模糊PID控制的准零刚度磁悬浮隔振平台的设计与实现

为有效降低系统固有频率,获得外部振动在多频段的强衰减,以永磁电磁混合作动器为负刚度结构提出并设计了一种准零刚度的磁悬浮隔振平台,实现了基于模糊PID(proportional integral differential)算法的振动主动控制系统.首先,通过特性分析与参数计算,基于准零刚度理论完成了准零刚度磁悬浮隔振平台的方案设计;其次,建立磁悬浮隔振系统模型,提出基于模糊PID算法的振动主动控制策略,可主动调节系统的等效刚度和阻尼;最后,基于Speedgoat实时目标机开发振动主动控制系统,搭建隔振测试平台,并开展了隔振性能测试.研究结果表明:本文设计的准零刚度磁悬浮隔振平台通过采用模糊PID的控制策略能够主动调节PID参数,动态调整系统的等效刚度和阻尼;外部振动频率在20~100 Hz频率段内,振动衰减率大于80%;外部振动频率在100~500 Hz频率段内,振动衰减率大于90%.

新型电磁推力机构设计与仿真分析

电磁推力机构是一种利用涡流原理制作的新型快速操动机构,在电力系统故障限流、电能质量控制以及相控开关等诸多领域具有广阔的应用前景。本文通过对电磁推力机构的原理和结构进行分析,提出并设计了一台12kV断路器用配永磁保持的新型电磁推力机构,并利用有限元分析软件Maxwell对设计模型进行仿真分析。计算出保持力数值与设计值基本相符,此外,得到该机构的动态参数:仅需1.25ms就可完成合闸,平均速度可达8.8m/s,满足设计要求,从而验证了设计的合理性。