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。     

五相U型永磁凸极直线电机对比分析

针对直线电机垂直提升系统(LMVHS)无绳化直驱运行,对高容错性、大推力密度的新型直线电机的迫切需求,提出一种五相U型永磁凸极直线电机(FU-PMSPLM),初级设置五相绕组以提高电机容错运行能力,次级永磁体采用U型结构以提高永磁利用率。首先,从降低漏磁角度,分析了U型磁极结构演化机理,并给出电机主要结构参数;其次,采用有限元法对比分析了电机次级永磁体采用U型与Halbach结构的电磁特性,并基于磁动势不变原则,以A相缺相故障为例,与三相U型永磁凸极直线电机(TU-PMSPLM)对比分析了容错性能;最后,制作实验样机并进行实验验证,样机实测与仿真结果基本一致。研究表明,等永磁体用量时,次级采用U型结构较Halbach结构,气隙磁通密度幅值增大13.89%,平均推力提高7.54%,推力波动降低25.07%;FU-PMSPLM较TU-PMSPLM具有更好的缺相运行能力。     

双边长初级磁通切换永磁直线电机推力波动分析及抑制

基于旋转型磁通切换永磁电机的工作原理和电磁发射的特点,提出了一种应用于电磁发射的新型磁通切换型长初级永磁直线电机,该电机具有推力密度大、动子结构简单、质量小的优点.首先,分析了该电机的结构和工作原理,并对该电机的电磁推力各分量的计算公式进行了推导.其次,分析了在正常和故障状态下引起推力波动的原因:根据推力波动产生的机理,针对边端定位力、磁阻力和容错控制运行状态下永磁谐波分量引起的推力波动,分别提出了采用楔形边端设计、绕组电感互补、电流谐波注入和次级错极等方法进行了优化和补偿,并通过二维瞬态有限元进行了验证仿真.最后,通过一台长次级的磁通切换永磁直线电机验证了有限元仿真的正确性以及所提出的推力波动抑制方法的有效性.     

用于电磁弹射的容错型初级永磁直线电机特性

提出一种应用于电磁弹射的新型双边容错型初级永磁型直线电机,该种电机具有次级结构简单的特点。首先,本文给出了电机的结构和工作原理。其次,在采用二维有限元对电机的静态推力特性分析基础之上,通过能量法对电机推力公式进行了推导分析,并且对电机的容错特性进行了分析。然后,采用瞬态有限元对电机在正常和断路故障下的推力变化进行了仿真分析,并对电磁弹射过程电机运行情况进行了仿真分析。最后,通过一个同比例缩小的小尺寸同类电机进行了实验研究,验证了电机的推力特性和容错性能。仿真和实验结果显示该电机具有高的推力密度、较小的推力波动和简单的控制策略,在电磁弹射系统应用中具有很好的前景。     

U型永磁凸极直线电机结构及电磁特性

在要求大推力、长行程的应用中,如垂直提升领域,永磁同步直线电机因受布置方式、安装空间等限制,在提高永磁利用率、实现更高推力密度方面就显得至关重要.该文提出一种U型永磁凸极直线电机,其次级永磁采用U型结构,能够充分利用永磁体,提高电机的空载反电动势和电磁推力.首先,通过电机结构和磁路分析,建立等效磁路模型,分析其气隙磁通密度变化规律;其次,采用有限元法与具有相同初级结构和次级永磁体用量的隐极永磁同步直线电机进行对比分析;最后,研制实验样机,完成空载反电动势和静推力的测试,样机实测与仿真结果基本一致,进而验证了所设计电机的合理性.     

一种同步直线电机推力波动特性的检测方法

直线电机的推力波动是直接影响其运动性能的重要因素,而推力波动的精密测试是指导电机设计和控制的重要前提。传统推力波动测试大多采用滚珠丝杠连接旋转电机进行测试,但旋转电机本身带来的转矩波动以及连接机构的传递效率和精度很大程度地影响了检测精度。该文根据永磁同步直线电机电磁模型和有限元方法分析了直线电机电磁推力特性,提出一种由两个同型号直线电机连接并互为负载,调整相对位置后测得推力波动的检测方法。通过不同实验条件下的对比,选择合适的连接机构,测试最大静推力,并通过数字滤波与快速傅里叶变换分析了推力波动特性。实验结果表明该检测方法具有测试结构简单、检测精度高的优势。     

双边型长初级直线感应电机电磁推力特性研究

针对电磁弹射及空间实验系统用双边型长初级直线感应电机(doublesidedlongprimarylinearinductionmotor,DSLPLIM)的电磁推力特性,首先根据电磁场理论,通过对初级行波电流层和次级电流的微分运算,推导出计及端部效应的直线感应电机气隙磁密的解析表达式,同时,依据洛伦兹力公式,推导出直线感应电机平均电磁推力的解析计算表达式;其次,为削弱端部效应引起的推力波动,采用发卡式全填充绕组以改善直线感应电机气隙磁密分布的正弦性(减小推力波动),同时为提升电机的电磁推力,改进现有次级板开槽结构,实现涡流路径的优化;最后,针对发卡式绕组和次级板开槽2种改进,利用推导的解析计算公式和3D有限元仿真软件,分别计算双边型直线感应电机的气隙磁密分布和电磁推力特性曲线。对比分析表明:发卡式全填充绕组的使用不仅能削弱直线感应电机的推力波动,还能有效提升电磁推力的大小,提高直线感应电机的运行性能;改进次级开槽结构可有效提升电机的电磁推力,增大推力密度。     

基于次级错齿的C型铁心双边直线永磁开关磁链电机

直线永磁开关磁链电机(LFSPM)适合长次级直线驱动场合,这是由于永磁体和电枢绕组都在短初级,而长次级结构简单可靠性高。很多应用场合都要求电机具有高推力,但往往也需要低的推力脉动。为此,对1台双边C型铁心的直线永磁开关磁链电机(DSLFSPM-C)进行研究和改进。利用有限元软件先对电机进行推力优化,然后为了在不影响平均推力的情况下有效地减小推力脉动,分别利用次级错齿和端部永磁体两种结构对电机进行了改进。分析结果表明,改进后的DSLFSPM-C具有相对较低的法向力、高的推力输出以及较低的推力脉动。     

每极分数槽永磁直线电机的槽极数配合研究

每极分数槽永磁直线电机(PM linear motors,PMLMs)采用端部不重叠的集中绕组,具有绕组端部短、铜耗低、推力密度高等优点,在数控机床、半导体加工等领域应用广泛。针对12槽/11极与12槽/10极的两种PMLMs,阐述了每种电机采用单边型或双边型、所有齿绕绕组或交替齿绕绕组的4种可行结构,建立了有限元分析模型,分析了平均推力、推力波动与结构参数之间的关系。此外,还重点分析了双边型结构PMLMs在两侧磁极位置错位时的力性能,提出了基于最小推力波动与推力比值的最佳错位位置。通过详细的对比分析,得到了单边型与双边型每极分数槽PMLMs推力波动与推力比值最小的最佳方案,研究结果为该类电机的优化设计及应用提供了参考依据。     

双边错位高速永磁直线同步电机的设计与分析

针对传统的4极6槽双边对称长初级永磁直线同步电机,在保证电磁推力大小的情况下,提出采用双边错位来降低永磁体涡流损耗的有效方法.介绍电机的基本结构,阐明双边错位结构可以完全消除偶数次电枢谐波磁动势,进而能大幅度降低次级永磁体涡流损耗.利用有限元分析(FEA)软件对比分析对称结构和错位结构的定位力、电磁推力和次级涡流损耗,验证错位方法的正确性,并进行结构优化设计.最后,研制一台样机并搭建实验平台,测得样机的空载反电动势、定位力以及静推力.     

直线磁场调制电机推力特性关键参数分析

直线磁场调制电机由于材料成本受行程长度影响较小,适合于长行程应用场合。为获得更好的推力特性,本文从理论研究入手,分析了直线磁场调制电机推力的解析公式,进而确定气隙磁密谐波含量影响推力特性。为了提高气隙磁密的正弦度,电机采用Halbach永磁阵列,相比于传统法向充磁直线磁场调制电机平均推力提高18%,但推力波动率也增大了3.4%。为了尽量降低推力波动,利用有限元法对Halbach永磁体结构、电枢齿靴宽度、调磁块的尺寸和形状等结构参数进行参数化分析与改进设计。最终平均推力为783N,相比于传统法向直线磁场调制电机平均推力提高了44.5%,推力波动率从16.1%降低到8.3%。     

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。     

U型永磁开关磁链直线电机特性分析及优化

针对长行程无绳提升系统提出一种U型永磁开关磁链直线电机(UPM-FSLM)的拓扑结构,通过改变永磁体的位置排列、初级槽型与次级齿形,提高推力密度与功率因数,降低推力波动。首先介绍了UPM-FSLM的基本参数尺寸设计和工作机理。然后建立有限元仿真模型,分析静态磁场分布、反电动势、电磁推力、推力波动、效率及功率因数等电磁特性并与传统永磁开关磁链直线电机(PMFSLM)电磁性能进行对比研究。最后有限元仿真结果表明:相较于PMFSLM,UPM-FSLM具有高推力密度、低推力波动、高结构强度以及高电磁兼容性能等优势,更适合用于长行程的无绳提升系统。     

一种波浪发电装置用低速双动子永磁直线电机运行机理研究

提出了一种用于直驱式波浪发电装置的短行程、低速、双动子双侧Halbach永磁阵列直线电机。研究该电机的运行机理及电磁特性,通过优化电机永磁体结构提高电机磁能密度及发电效率,降低电机磁阻力。首先,根据电机的电磁负荷、运动行程和平均速度,给出电机模型的初始设计结构和参数,采用磁场分析法辅助有限元法分析电机电磁特性,验证电机模型的正确性。其次,对Halbach永磁阵列拓扑结构及其磁场分布进行计算与分析,研究电机径向磁通密度增强原理与电机轴向磁通密度抵消原理,对电机双侧Halbach永磁结构进行优化,提高电机磁能密度及输出电压幅值,降低电机轴向磁阻力,减少电机低速运行过程中的振动;研究电机在恒速及正弦速度下的电动势曲线,并计算电机的输出效率。最后,采用一台圆筒形永磁直线电机验证在不同波浪参数下的输出电压曲线。分析与计算结果表明双动子双侧Halbach永磁阵列直线电机较其他类型电机具有磁能密度高、磁阻力波动小及输出效率高的优势。     

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。     

基于响应面法的双边长初级永磁直线同步电机多目标优化设计

永磁直线同步电机由于存在边端效应以及齿槽效应,在运行中不可避免地产生推力波动。针对高速大推力密度应用场景,对一种双边长初级PMLSM开展了优化设计。将有限元法与解析法结合,首先独立分析了轴向长度、极弧系数和初级轭部高度等单个参数对电机水平推力和推力波动的影响,并进一步采用Taguchi法筛选显著性较高的结构参数。在此基础上,以提高电磁推力、减小推力波动为优化目标对电机进行响应面分析,得到最终的电机尺寸优化参数。最后制作样机并搭建实验平台,验证了所提优化方法的有效性。     

改进式Halbach磁体结构直线电机设计与分析

提出了一种应用于低速直驱式波浪发电装置的无齿槽永磁直线发电机。为提高电机的气隙磁通密度与电能输出效率,采用T型和爪型两种改进式的Halbach永磁阵列结构。当为该无齿槽电机的初级部分设置相同的铁轭和绕组参数时,电机的永磁体部分采用普通Halbach永磁阵列结构、T型永磁体结构、爪型永磁体结构,对电机电磁特性进行对比分析。采用三维瞬态有限元法对电机在空载运行时的特性进行分析与计算。最后,通过采用Halbach永磁阵列结构的筒型直线电机进行实验和分析,验证了该电机模型的正确性和电机分析方法的有效性。所有分析结果表明该电机结构及分析方法可以用于直驱式运动电机的设计与分析方面的研究。     

无铁心永磁同步直线电机推力谐波分析与消除

直线电机的推力波动较大,限制其在超精密领域的应用。推力中的谐波是无铁心永磁同步直线电机推力波动的主要原因之一,消除推力中的部分谐波可以有效降低推力波动。该文建立了无铁心永磁体同步直线电机推力谐波的解析模型,揭示了结构参数与推力波动间的关系,并提出了低推力波动直线电机的设计准则。将设计准则应用于一类直线电机的优化设计中,提出了消除推力中特定阶次谐波的结构参数设计方法。设计结果与有限元仿真结果和实验结果进行比对,验证了解析模型的准确性和设计方法的有效性。     

平板型永磁直线同步电机推力特性的优化设计

为了抑制永磁直线同步电机的推力波动,提升平均推力,以12槽10极平板型永磁同步直线电机为研究对象,对电机的设计参数进行优化.首先,采用Taguchi法的敏感性分析,从12个设计参数中选出6个敏感参数,确定为优化变量.然后,通过Kriging模型辅助的多目标粒子群优化,获得推力波动和平均推力的Pareto前沿.结果显示,与原始电机相比,优化后的永磁同步直线电机的推力波动减小了64％,且平均推力提升了6.6％.配合斜极,推力波动减小量可进一步达到92％.最后通过实验验证了电机性能的改善.     

永磁开关磁链直线电机若干优化设计方法

永磁开关磁链直线电机除具有常规永磁直线电机的优点外,还具有显著的成本优势,因此具有很好的应用前景。本文在简要说明该类电机的基本结构与原理之后,指出通过合理调整初级与次级铁心的外形尺寸来减小反电动势谐波含量与电机推力波动,采用磁桥结构提高弱磁控制能力和初级铁心机械强度,借鉴旋转电机齿槽力矩的抑制方法来削弱推力波动的齿槽效应成分,并提出辅助齿结构来有效削弱推力波动的端部效应成分,最后还给出了一种模块化结构形式来提高电机的容错性以及边端线圈与内部线圈的对称性。