Halbach型磁钢的永磁电机气隙磁场解析计算

随着稀土材料价格上涨、永磁电机成本增加,合理的设计Halbach磁体结构,可充分挖掘Halbach永磁电机磁钢的潜力.分析了每极三块的Halbach磁体磁化规律,建立了Halbach型永磁电机气隙磁通密度的解析模型,该解析法计算的气隙磁场与有限元方法计算结果吻合,验证了解析模型的正确性;研究了充磁角度对气隙磁通密度的影响,结合充磁角度传统计算公式,给出了极间有间隔的Halbach磁体充磁角度的计算公式;通过解析模型分析极弧系数和极对数对Halbach永磁电机气隙磁通密度切向分量的基波幅值和波形正弦性畸变率的影响,给出不同极弧系数、充磁方式和极对数时Halbach永磁电机气隙磁场的变化规律.     

圆柱型平板线圈永磁直流直线电动机

提出了一种圆柱型平板线圈永磁直流直线电动机的结构,对磁体、气隙、线圈等结构参数进行了优化设计,并加工出样机进行了性能测试与分析。驱动器尺寸控制在Φ6mm×10.5 mm下。矩形平板线圈的对边分别处于两个极性相反的气隙磁场之中,气隙磁场位于两块拱形截面永磁块之间,通过外筒、端盖导磁体的磁路闭合。在电磁有限元分析软件Maxwell 9.0中进行了优化设计,优化了气隙磁场。对加工出的样机测试了推力输出,结果表明该微小型永磁直线电动机平均推力可达0.6 N,适宜于应用在特殊受限空间环境中。     

Halbach永磁伺服电机结构研究及优化设计

在分析Halbach电机结构及磁场特性的基础上,对三种Halbach结构永磁伺服电机性能进行了对比研究,并对极间隔断Halbach永磁伺服电机在气隙长度、磁体厚度、磁体块数、磁极配比对径向气隙磁场的影响进行研究,以找出结构尺寸对电机性能影响的一般规律。提出了两种新型Halbach电机改进结构,并对性能进行了仿真研究,最后确定了优化的Halbach电机结构。     

轴对称线圈静磁场的计算与应用

本文研究了包括圆环线圈与螺管线圈在内的轴对称线圈以及圆弧段电流单元所产生的静磁场中矢量磁位与磁通密度的计算，着重讨论了计算中完全椭圆积分与奇点的处理。在此基础上，对０．１５Ｔｅｓｌａ磁共振成像电阻式磁体进行了分析，设计了用于永磁磁共振成像的梯度线圈。     

永磁电磁混合Halbach阵列空间磁场三维解析计算及参数分析

针对永磁电动悬浮系统Halbach阵列产生的空间磁场不可控,导致系统受到外界干扰时容易发生振荡而不能快速稳定悬浮,研究一种永磁电磁混合Halbach阵列.通过在永磁体表面缠绕有源常导线圈实现对Halbach阵列空间磁场的调节控制.分别利用解析法和有限元法对永磁电磁混合Halbach阵列空间三维磁场进行计算,并对其线圈参数对空间磁场的影响进行分析.结果显示:随着线圈所占宽度的减小或线圈电流从-6 A/mm2增大到6 A/mm2时,永磁电磁混合Halbach阵列空间磁场幅值均近似线性增大,且越接近于永磁Halbach阵列空间磁场幅值;当通入±6 A/mm2的线圈电流时,在线圈所占宽度为阵列模块宽度的20％及30％情况下,与电流为0时磁场相比,可分别使空间磁场幅值达到±9％和±13％的调节范围.     

永磁直线同步电动机Halbach阵列磁场分析

直线电动机的气隙磁场是决定其性能的关键因素.针对平板动磁式永磁直线同步电动机(PMLSM),采用Halbach磁体阵列来提高气隙磁场的正弦性.给出了Halbach阵列磁体排列方式及磁化规律;利用有限元法对Halbach磁体结构与常规磁体结构的永磁直线同步电动机进行比较,分析了磁通密度在平均气隙及轭部的分布情况;在此基础上提出了一种基于Halbach阵列的改进的磁体排列方案,并分析了此方案对电机气隙磁密的影响,得出了一些有用的结论.     

直线Halbach磁体用于磁浮列车涡流制动的研究

磁浮列车采用涡流制动摆脱了机械制动中粘着系数对制动性能的制约.电磁涡流制动需要电能供应,存在电能损耗.永磁涡流制动由于不需供电故效率高.永磁Halbach磁体磁感应强度大于普通永磁磁体,且Halbach磁体具有自屏蔽性能,一侧拥有强磁场,另一侧磁场几乎为零.直线Halbach磁体用于磁浮列车涡流制动的研究,采用解析的方法分析其制动过程中的电磁机理,推导出涡流制动力方程.设计了一套实验系统,对制动力方程进行了验证,并对实验结果进行了分析.     

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ψ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.     

凸型Halbach阵列的永磁直线电机磁场分析

永磁直线电机由磁阵列构成的动子和线圈构成的定子组成。其中,磁阵列多采用Halbach永磁阵列。直线电机的运行稳定性与永磁体的气隙磁场的分布情况有直接联系。因此,改善气隙磁场的正弦分布是改善直线电机工作特性的关键。本文提出了改进的Halbach永磁阵列,每个磁块的形状为凸型。论文对其磁场的分布特性进行了理论分析,利用有限元方法对改进的Halbach永磁阵列的磁场进行了仿真,并且和普通矩形的Halbach永磁阵列磁场进行了比较。仿真实验表明,凸型磁块构成的磁阵列可大大改善气隙磁场的正弦特性,而且一定程度上提高了其磁场强度。     

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.     

Halbach结构在永磁交流伺服电机中的应用

由正弦波电流驱动的永磁交流伺服电机,因其优良的性能被广泛应用于航空、航天、船舶和军工等领域。而独特的Halbach磁体阵列结构因其特有的充磁方式,具有磁场分布正弦性好、气隙磁密幅值高等优点。为进一步提升永磁交流伺服电机的性能,给出了两类Halbach磁体磁感应强度解析式,分析了Halbach结构在永磁交流伺服电机中的应用及该结构电磁特点,并通过有限元仿真对比研究了平行充磁Halbach结构、径向充磁Halbach结构、常规平行充磁结构与常规径向充磁结构电机的气隙磁场与输出转矩。最后通过搭建实验测试平台验证了仿真的准确性。     

Design and analysis framework for linear permanent-magnet machines

This paper presents a design and analysis framework for the general class of permanent magnet electric machines. In the authors' analysis, surface-mounted linear motors consisting of permanent magnets and ironless current-carrying coils are treated in a uniform way via the magnetic vector potential. This analysis is developed to design novel linear magnetic levitators for driving precision motion control stages such as those used in wafer steppers. For one such motor structure, they give analytical formulae for its magnetic field, force, flux linkage, inductance of the winding, and back electromotive force. They provide experimental results with a six degree-of-freedom magnetic levitator. These results are in good agreement with analytical estimations. The levitator uses a permanent-magnet Halbach array in order to improve its power efficiency. By analogy, there also exists an electromagnetic dual of the Halbach array. One such dual utilizes a triangular winding pattern in order to achieve a primarily single-sided magnetic field     

极间隔断Halbach型磁钢的永磁同步电机气隙磁场解析计算及参数分析

提出将分块式Halbach型磁钢的单片磁钢角度与充磁夹角作为分析参数,获得基于这两个参数的永磁同步电机的气隙磁场解析模型;系统分析了磁钢厚度、单片磁钢角度与充磁夹角对气隙磁通密度的影响;提出一种性能优于传统Halbach型磁钢的极间隔断Halbach型磁钢新方案,以获得径向气隙磁通密度更高的基波幅值与更低的波形正弦性畸变率为目标,分析获得不同极对数下该类磁钢的优化设计方案。通过有限元分析验证了解析模型的正确性,并验证了合理设计的极间隔断Halbach型磁钢的优越性。     

一种Halbach磁体结构同心磁力齿轮传动装置的设计和实现

提出了一种使用Halbach磁体结构产生磁场,并对磁场进行调制的同心磁力齿轮传动装置。该传动装置由机壳、安装在机壳内腔的悬臂式的外转子和内转予组成。内、外转子永磁体之间有调磁环。调磁环由铁心块组成,并固定在机壳的端板上。磁体结构采用Halbach阵列,得到的气隙磁密接近正弦分布。对样机测试后表明,该装置取得了较好的正弦磁场分布、稳定的转速比值和较高的传动效率。     

基于探测线圈永磁电机转子位置估计

针对无位置传感器中存在的受电机结构和参数影响大的问题,本文提出通过探测线圈感应电压来获取永磁电机气隙磁场转子位置的方法,有不受电机结构参数影响的优点,通用性好,在永磁电机无位置传感器控制领域应用前景良好。通过在永磁电机内部的定子齿槽上布置两套正交的探测线圈以感应气隙磁场中的基波电压,研究布置方案和探测线圈电压幅值与相位之间的关系,提出探测线圈优化布置方案,并采用基于锁相环的位置解调方法。采用一台表贴式六相永磁电机进行仿真,结果表明所提探测线圈布置方案可提升感应电势基波的信噪比,较好的抑制三次谐波,位置估计稳态误差为1.44°,具有较好的跟踪性能。     

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。     

Pulsed gradient analysis using a dedicated magnetometer

In magnetic resonance imaging and spectroscopy, knowledge of the magnetic field gradient behavior is very important. This work describes a simple way to characterize the temporal and spatial dependence of the main magnetic field when a gradient is switched. Records are performed with a home-built magnetometer. This device is controlled by a personal computer for recording and processing the NMR signals from an array of small probes spatially distributed and switched by the magnetometer. We present results of measurements on a 2-T superconducting magnet. These results show the residual defects of an active shielded gradient coils system.     

Halbach永磁阵列无刷直流电机转矩的解析计算和分析

Halbach永磁阵列具有灵活配置电机气隙磁通密度、磁屏蔽的特点,将其用于无刷直流电机以增加电磁转矩、降低齿槽转矩。在保角变换求解电磁场基础上,给出无刷直流电机电磁转矩与齿槽转矩的解析计算模型,通过有限元仿真对该模型的准确性进行证明;使用该模型分析每极两块(1P2p)、每极三块(1P3p)Halbach永磁阵列中主磁钢弧角和辅磁钢充磁方向角对无刷直流电机电磁转矩与齿槽转矩的影响,对比分析径向充磁、平行充磁和Halbach永磁阵列的无刷直流电机电磁转矩与齿槽转矩随永磁体厚度的变化规律。分析结果表明,合理配置无刷直流电机Halbach永磁阵列中主磁钢弧角和辅磁钢充磁方向角可提高电磁转矩、降低齿槽转矩,当永磁体厚度增加时,Halbach永磁阵列更有利于电磁转矩增加。