基于动磁式永磁同步直线电机定位力的研究

针对永磁同步直线电机定位力大的缺点,文章分析了动磁式永磁同步电动机的定位力产生的基本原理;借鉴永磁同步旋转电机的齿槽力的分析方法,分析了动磁式永磁同步直线电机的端边效应定位力,并得出定位力计算方法,分析了齿槽定位力,得出了齿槽定位力的最大值表达式,利用软件建立的永磁同步电机定位力模型,仿真动磁式直线电机的定位力情况,得出动磁式直线电机边端定位力很小的结论。     

Halbach阵列永磁同步直线电机边端力最小化研究

为了最小化由边端效应引起的永磁同步直线电机的推力波动,分析了永磁直线电机边端力产生的原因。以Halbach阵列永磁直线电机为例,用两种解析方法推导出最优初级长度。用基于傅里叶极数的解析方法推导得出了最小边端力下的初级长度计算公式;并用等效磁化电流法求出空载气隙磁密,用麦克斯韦张量法求出直线电机初级所受边端力,根据解析式分析边端力特性,并推导出边端力最小时的初级长度表达式。通过有限元验证了初级长度计算公式的正确性,结果表明提出的最优初级长度是可行的,可以有效降低永磁直线电机的边端力,从而抑制永磁直线电机的推力波动。     

等间距磁极分段PMLSM磁场及其磁阻力分析

为减小永磁直线同步电机(PMLSM)的磁阻力,提高其稳定运行性能,依据PMLSM结构特点,采用对每极下永磁体等分段后再等间距依次排列方法减小磁阻力.建立磁极分段的解析模型,用解析法计算等间距磁极分段时的气隙磁密,分析分段数与气隙磁密之间的关系.确定合理的磁极分段数与电机齿槽力之间的关系,使不同磁极分段产生的齿槽力相互抵消来减小齿槽力,在此基础上,通过在电枢端部特定位置处添加辅助极铁心方法来补偿端部力.有限元结果分析表明,合理选择分段数可使齿槽力明显减小,且使端部力有一定程度减小,进一步采用辅助极后,很好地消弱了端部力.     

分段错极排列的PMLSM磁阻力研究

永磁直线同步电动机(PMLSM)磁阻力引起电机振动和噪声,影响电机的伺服性能。磁阻力包括端部力和齿槽力两个分量。为抑制电机端部力,根据优化动子长度原理,采用优化电机端齿宽度的方法,确定最小端部力时的端齿宽度尺寸。为抑制电机齿槽力,采用分段错极排列方法,使电机有限元建模时各分段场量计算仍为二维场,研究磁极偏移距离、分段数与电机磁阻力及其谐波次数之间的关系。有限元分析结果表明,分段错极排列后较好地削弱电机的磁阻力。     

附加磁极法优化永磁直线电机定位力

介绍了一种带一附加磁极的新型永磁直线电机。通过建立基于侧向力的永磁直线电机磁阻力的分析模型,得到了基于端部效应的附加磁极的磁阻力的公式。利用Maxwell Ansoft软件建立了基于8极9槽的永磁直线电机有限元模型,仿真结果证明带附加磁极的永磁直线电机对磁阻力的优化有着显著的效果。     

永磁同步直线电机磁阻力分析及抑制措施

以某机床用永磁直线电机为例,分析了永磁直线电机磁阻力产生的原因,通过解析公式推导得到了最小端部力下的初级长度计算公式,利用此公式可以初步估算端部力较小时直线电机的初级长度,并且通过有限元和样机实验两种手段验证了初级长度计算公式的可用性;基于分磁环理论,通过有限元法,建立了直线电机的计算模型,对其磁阻力进行了分析计算,并利用样机实验进行了对比验证,得出在初级端部贴铁块可以进一步削弱端部力。本文通过实验证实这两种方法对削弱直线电机磁阻力是有效的,结论可为永磁直线电机磁阻力的削弱提供抑制措施。     

一种直线永磁游标电机的设计与定位力优化

直线电机目前取代了旋转电机加丝杠的传动方式,现阶段广泛应用于数控机床加工等直驱应用场合。由于传统的直线永磁同步电机很难进一步提高推力密度,基于磁场调制原理工作的直线游标永磁电机被提出以进一步提高推力密度。本文提出了一种新型直线永磁游标电机,分析了该电机的工作机制,验证了该直线永磁游标电机在具有简单拓扑结构的同时,推力密度有着显著的提高,并对直线电机的端部定位力进行解析及优化,进一步减小了电机定位力。     

一种磁悬浮永磁直线电动机的电磁力特性

为消除直线电机数控机床进给系统的摩擦阻力,提出一种自身产生磁悬浮力的磁悬浮永磁直线同步电动机.从描述磁介质的分子环流假设出发,用毕奥-萨伐尔定理导出永磁体外部空间磁场分布的解析表达式,并基于由磁荷法和虚位移法给出的永磁体磁力数值积分公式,椎导出电机悬浮力波动的解析模型,说明斜极对电机悬浮力的影响.利用Maxwell 3D软件建立三维有限元瞬态分析模型,结果证明该磁悬浮永磁直线电动机自身可以产生独立并可控的推力和悬浮力.进一步建立斜极结构下电动机的三维有限元模型,分析结果表明采用斜极结构可以有效的减小电机推力和悬浮力的波动.     

基于辅助铁心的永磁直线同步电机边端力最小化

针对永磁直线同步电机（PMLSM）边端力最小化问题,提出在初级铁心两端增加辅助铁心的方法,有效削弱PMLSM的边端力。首先分析了边端力产生的机理,对齿壁上所受电磁力进行解析研究。当初级铁心两端辅助铁心高度为一个气隙长度,且辅助铁心长度为1/4永磁极距时,边端力有最小值。以一台36槽12极轴向充磁圆筒永磁直线同步电机(TPMLSM)为例,进行有限元仿真分析和试验测试,边端力的有限元分析值和试验值较吻合,证实了所提方法能够有效削弱PMLSM边端力,为该类电机边端力最小化提供了一种简单有效的技术手段。     

永磁直线电机端部效应力的解析计算

短初级型永磁直线电机的纵向端部效应带来了较大的detent force和法向力波动,恶化了其伺服运行性能。为分析电枢电流为零时端部效应力的特点,文章提出了基于磁通的虚位移原理分析端部效应力的方法。在分析纵向端部边缘磁通变化规律基础上,采用虚位移法推导了端部效应引起的法向力波动和推力波动的解析表达式,揭示端部效应力的波动规律。通过对端部效应力解析表达式的分析,归纳总结了动子长度参数对端部效应力的影响规律。最后,对一台12槽11极电机进行了仿真与实验,仿真、实验结果与解析结果基本一致,验证了基于磁通虚位移法分析端部效应力方法的正确性。     

永磁直线同步电机纵向端部效应补偿方法

由于永磁直线同步电机端部磁场分布复杂,因此没有简单、准确分析纵向端部效应的方法,所以很难评价减小端部效应各种措施的优劣。该文采用一种新的非线性磁路模型的方法,通过比较旋转电机和直线电机磁场分布的不同,得出了纵向端部效应本质上是磁场边界使电机内部的磁场分布规律发生畸变。进一步提出"直线电机与旋转电机磁场相似化"方法,获得了简单易行的减小纵向端部效应的措施,并将该措施用于减小整数槽电机、分数槽电机的定位力。分别通过有限元仿真和实验验证了该措施可以将定位力减小80%以上。     

Halbach永磁阵列磁场解析求解及推力建模

对于无铁心动铁式长行程直线电机,其动子Halbach永磁阵列长度小于定子线圈沿运动方向的长度,为线圈切换简单及提高磁场的利用率,使得通电线圈范围大于永磁阵列产生的磁场范围,此时通电线圈数目不发生变化,需利用到永磁阵列的端部磁场.由于端部磁场的畸变产生端部效应,引起的推力波动将影响电机的运动精度.为此,需要建立准确的包含端部效应的Halbach永磁阵列磁场模型.以无铁心动铁式永磁同步直线电机为研究对象,考虑端部效应,采用修正的傅里叶级数形式推导出了伪周期内完整的Halbach永磁阵列磁场解析模型,并利用Maxwell应力张量法建立了电机推力模型.通过磁场有限元仿真、推力测试,对比结果验证了所提方法的准确性和有效性.     

一种新型多齿开关磁链直线电机的关键问题

提出一种省永磁、高推力性能的新型多齿开关磁链直线电机;推导分析直线电机端部开断引起的电磁推力与定位力特点,比较3种端部辅助齿形状对推力特性的影响,结果表明与内部齿相同的端部辅助齿可使直线电机得到较好性能;与旋转电机同样电枢高度及齿槽宽度的直线电机电密偏高,故增高电抠使槽面积增大到2.5倍,之后分析FSPM直线电机非饱和时推力表达式及饱和对电磁性能的影响,永磁优化分析表明21 mm高度永磁体可以使本设计电机达到最大推力,最后示出了不同轭部高度、不同气隙时,最佳永磁体高度的选择规律.     

永磁直线同步电动机磁阻力端部分量的解析建模

磁阻力造成永磁直线同步电动机的推力波动,产生振动和噪声,尤其是电机工作在速度或位置控制的低速区时,控制性能进一步恶化.在初、次级不完全耦合区域,采用样条函数对永磁直线同步电动机磁阻力的端部分量的有限元数据进行插值.插值结果与有限元分析结果一致.解析结果为永磁直线同步电动机的状态方程建模提供依据.     

基于辅助槽的永磁电机激振力波削弱方法

提出一种基于辅助槽削弱分数槽永磁电机空载激振力波的方法。首先推导永磁电机空载激振力波的解析表达式,得到对分数槽永磁电机振动噪声起主要作用的低阶激振力波的解析表达式。对激振力波阶数的分析表明,通过在定子齿上开辅助槽改变永磁电机极数槽数配合,可以削弱因极槽数配合引起的低阶激振力波。采用机械阻抗法得到未开辅助槽和开辅助槽时永磁电机电磁噪声声功率级频谱,利用有限元仿真计算和傅里叶分析对比开辅助槽前后激振力波的频谱,对比结果说明,所提方法可以有效削弱对分数槽永磁电机空载电磁振动和噪声起主要作用的激振力波。     

扁平型永磁直线电机定位力综合优化

通过单一变量削弱永磁直线电机定位力的方法往往会影响到永磁直线电机的其他性能,所以需要以多变量、多目标进行综合优化设计。以一台18槽21极扁平永磁直线电机为优化对象,分析了影响定位力的关键参数。以边齿宽度、斜极长度、磁钢宽度和磁钢厚度为优化变量,以定位力、反电势和单块磁钢用量为优化目标,基于田口法和有限元法进行优化设计,通过对仿真结果的分析确定最佳的变量组合。有限元仿真结果表明,优化后的电机的定位力减小、反电势幅值增加并且磁钢用量减少,实现了优化目标。最后,通过测试样机的定位力和反电势验证了方法的有效性。     

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。     

永磁直线同步电机的端部力分析及其优化

永磁直线同步电机本身存在的推力波动是阻碍其获得平稳速度响应的主要因素,如何抑制推力波动是电机及其控制器设计中必须考虑的一个重要问题。针对端部效应产生的端部作用力对永磁直线同步电机的影响进行研究,阐述了直线电机端部效应的产生机理,并推导出端部力表达式,通过最优初级长度设计,同时优化边齿形状,显著抑制了直线电机的端部力幅值,并采用有限元软件对优化方案进行了仿真和验证。该方案用于产品设计,获得了较好效果。     

考虑端部效应的永磁直线电机等效磁路模型

为了提高永磁直线电机的仿真速度,提出了一种考虑端部效应的改进等效磁路模型。首先,不包括直线电机端部齿,交链每个初级齿的磁场被划分为4个磁路支路,分析了支路参数的周期性;其次,通过比较磁力线的长度,将永磁极之间的漏磁通与主磁路分离,建立了单独的漏磁磁路;最后,通过分析有限元方法获得的端部磁场,构造了2条附加支路,建立了直线电机的等效磁路模型,并进行了简化。等效模型考虑了齿槽效应、磁饱和和电枢反应,并在电机运行时保持拓扑结构不变,只需改变支路参数。以8极9槽永磁直线电机为例,通过与二维有限元仿真结果进行比较,验证了所提模型的有效性。     

分数槽集中绕组永磁同步直线电机磁场解析计算

分数槽集中绕组永磁同步直线电机(Fractional-slot Windings Permanent Magnet Synchronous Linear Motors,FW-PMSLM)采用端部不重叠的集中绕组,具有磁阻力小、推力波动小、端部绕组短、用铜材料省、损耗小等优点,适合于长行程、高精度驱动场合。本文以15槽16极FW-PMSLM为例,考虑电枢电流分布函数和永磁体电流密度等效,建立分层解析模型。运用傅氏级数法推导出气隙和磁极区域中磁场的解析公式,分析FW-PMSLM电枢磁场和励磁磁场的分布。针对传统卡氏系数法在计算FW-PMSLM磁场的不足,提出采用分布卡氏系数函数来计及铁心开槽对分数槽电机磁场的影响,将解析分析与有限元分析结果进行比较,验证本文所提分布卡氏系数函数法解析求解FW-PMSLM磁场的有效性。利用该方法分析不同极弧系数、不同初级齿宽以及不同气隙长度时的电机推力以及这些因素对推力解析计算精度的影响,利用不同气隙下的实验结果验证推力解析计算精度。为分数槽永磁直线电机的工程计算和优化设计提供依据。