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。     

基于重心邻域算法的无铁心永磁同步直线电机优化设计研究

引入重心邻域算法(gravity neighborhood center algorithm,GNCA),以解决无铁心永磁同步直线电机(permanent magnet permanent magnet synchronous linearmotor,PMSLM)多目标优化设计问题。针对应用于微秒激光雕刻机中的PMSLM,采用等效磁化强度法,分析气隙磁密、感应电动势谐波畸变率、推力、推力波动的解析表达式,将永磁体、极距、气隙等结构参数作为变量,以平均推力保持不变,谐波畸变率及推力波动率最小作为优化目标。采用重心邻域算法,根据全局最优值与目标函数重心的邻域关系,通过对"重心"的快速精准定位,获得最优的电机结构参数,实现电机的最佳运行性能。GNCA得到的电机优化结果与设计目标具有良好的一致性,有限元仿真分析与样机测试验证了所提方法的正确性和有效性。     

U型无铁心永磁同步直线电机磁场建模与分析

传统的铁心式直线电机由于铁心开断的影响,造成了横向和纵向边端效应,使推力输出波动较大;无铁心永磁直线电机具有零齿槽效应的优点,结构简单,控制灵活。采用两种解析法求解无铁心永磁同步直线电机气隙磁场的问题,即等效磁势法和等效磁化电流法,同时采用有限元法对电机磁场进行有限元分析,验证解析法磁场解析计算的准确性。最后分析电机主要尺寸对气隙磁场的影响。通过改变电机参数,进行了优化设计,为同类电机的设计与分析提供了参考。     

注入谐波电流的长初级双边直线感应电机推力波动优化研究EI北大核心CSCD

长初级双边直线感应电机(DLIM)的端部效应会引起推力波动,影响电机稳定运行。为降低电机推力波动,采用注入谐波电流方法抑制纵向端部效应引起的两倍滑差频率的推力波动,推导出注入谐波电流后电机气隙磁密和电磁推力的解析表达式。求解出使推力波动分量的合成结果为0时,应注入谐波电流频率、相位、幅值的表达式,并分析注入谐波电流对气隙磁密、推力特性的影响。最后建立长初级双边直线感应电机的有限元模型,仿真计算注入谐波电流的相关参数,分析比较注入谐波电流前后气隙磁密和推力特性,并将仿真结果与解析计算结果对比,二者具有很高的一致性。结果表明注入谐波电流可大幅降低推力波动,为长初级双边直线感应电机推力波动的优化研究提供理论依据。     

无槽圆筒永磁直线同步电机推力波动的解析模型及抑制方法EI北大核心CSCD

无槽圆筒型永磁直线同步电机(slot-less tubular permanent magnet linear synchronous machine,STPMLSM)既避免了齿槽结构引起的齿槽力,又解决了初级铁心加工困难的问题,其推力波动主要来源是初级铁心端部效应和三相绕组电感不对称,介于齿槽结构与空心结构之间,推力波动的准确计算是此类电机设计与优化的关键。建立考虑初级端部效应的STPMLSM精确子域解析模型,能够快速计算空载与负载工况下的气隙磁密与推力波动,保证计算结果的准确性和高效性。基于该解析模型,提出初级铁心长度、三相绕组位置及匝数分配的综合优化方法,有效降低STPMLSM的负载推力波动,样机的推力波动从11.04%降到2.78%。最后,有限元模型和样机实验验证精确子域解析法及优化方案的正确性。     

磁路互补型横向磁通切换直线电机电磁推力计算与特性分析

有铁心永磁直线电机由于齿槽、边端效应及电枢电流谐波等,不可避免地会产生较高的电磁推力波动,电磁推力波动直接影响直线电机运行精度和平稳性。该文对具有磁路互补特征的横向磁通切换直线电机展开电磁推力特性研究,通过等效磁路法分析其磁场分布规律,得出该电机次级具有等磁位的电磁特性;基于气隙磁动势-磁导分析方法,揭示互补磁路条件下,该有铁心电机消除齿槽推力波动,实现有铁心电机无齿槽效果的机理;基于该电机磁场分布特征,建立其许-克变换气隙磁场计算模型,提出定位力、电枢绕组磁阻力及永磁推力等电磁推力快速准确的计算方法,获得该电机各电磁推力特性;对样机进行了空载感应电动势和电磁推力的测试实验,对比实验和仿真结果,验证了理论分析模型及计算方法的有效性和准确性。     

基于深度神经网络模型的无铁心永磁同步直线电机结构优化研究

针对无铁心永磁同步直线电机(permanentmagnet synchronouslinearmotor,PMSLM)存在推力波动问题,该文从电机结构优化着手,引入深度学习算法建立PMSLM快速计算模型,并进行全局优化以实现推力波动抑制。首先,通过有限元模型获取PMSLM结构参数与推力及推力波动的样本数据,采用深度神经网络(deep neural network,DNN)建立其非参数快速计算模型,并与K近邻域算法和支持向量机建模方法对比,验证DNN优越性;其次,以"推力密度不削弱,推力波动最小"为目标,采用免疫克隆算法对电机结构参数进行多工况优化;最后,仿真分析和样机测试验证该方法的正确性和有效性。     

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。     

长行程永磁同步直线电机初级绕组结构研究

对长行程永磁同步直线电机初级绕组结构的研究,通过对推力波动与气隙磁场高次谐波的分析,总结出改善直线电机推力波动的初级绕组结构设计方法。     

开辅助槽对永磁直线伺服电机法向力波动的影响

单边平板型有铁心永磁直线伺服电机(PMLSM)由于具有推力大,功率密度高的特点,是目前应用最为广泛的一种直线电机,但由于齿槽效应、端部效应及磁场谐波的影响,电机在运行过程中初、次级之间存在较大的法向力波动,其中齿槽效应引起的法向力波动一方面以摩擦力扰动的形式引起切向推力的波动,另一方会面引起机床的振动。为此,采用Maxwell stress tensor推导初级边齿无限长永磁直线电机空载齿槽法向力的解析表达式,通过对整数槽和分数槽PMLSM法向力波动谐波分量的分析,得出电机初级齿开辅助槽对齿槽法向力波动谐波次数和谐波幅值的影响规律。利用Ansoft Maxwell有限元软件对单边永磁直线电机开辅助槽前后的法向力波动情况进行仿真分析,仿真结果与解析结果基本一致,验证了解析分析方法的正确性,为削弱PMLSM法向力波动提供了理论指导。     

组合磁极无槽PMLSM正弦磁场分析

针对传统永磁直线同步电机(PMLSM)齿槽效应及单一磁极产生的非正弦气隙磁场引起电机推力波动,使电机性能变差问题,提出一种组合磁极无槽PMLSM,以提高电机气隙磁场正弦度。建立了组合磁极结构模型,采用分层模型法将气隙磁场叠加,研究消除前三次低频次谐波磁场时,其正弦气隙磁场与电机结构参数及材料特性之间的解析关系式。对比分析了组合磁极和磁极未分段时的气隙磁密、空载反电势及其谐波磁场。研究结果表明当组合磁极中各段磁极长度、剩磁比例系数满足确定约束关系时,气隙磁场中三次、五次、七次谐波均为零,能使气隙磁密和空载反电势趋于标准正弦形,有效消除谐波影响,提高电机性能。解析法和有限元法结果一致证明了理论分析的正确性。     

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%。     

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.     

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.     

双层反向倾斜线圈永磁同步直线电机的设计与优化

提出一种新型线圈拓扑结构——双层反向倾斜线圈,并进行电机结构参数优化以提升永磁同步直线电机(permanent magnet synchronous linear motor,PMSLM)的推力品质。首先,设计双层反向倾斜线圈PMSLM的拓扑结构,采用等效磁化强度法定性分析影响电机推力品质(推力和推力波动率)的主要结构参数。其次,引入机器学习回归建模方法——K-最近邻算法(K-nearest neighbor,KNN),对有限元计算产生的样本数据进行回归拟合,建立电机高精度快速计算模型。最后,采用粒子群算法以平均推力提高、推力波动率降低为优化目标对拟合模型进行迭代寻优,得到最优的电机结构参数。实验证明了所提电机结构设计与优化方法对推力品质提升的有效性。     

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。     

基于Ⅴ型三段磁极错位削弱永磁直线电机推力波动的方法

6槽7极单边平板型永磁同步直线电机(PMLSM)运行过程中会产生推力波动,导致机床加工精度变差。针对此问题,提出一种将磁极错位与Ⅴ型磁极相结合的优化方法来改善其性能。首先采用许克变换法对端部磁场进行分析,得到由端部效应引起的总推力波动解析表达式,再对解析式中傅里叶系数进行分析,得出端部效应引起推力波动的主要谐波次数;然后通过对多种永磁体结构进行有限元仿真,由力特性得出采用Ⅴ型三段错位磁极的方法,当两端磁极与中间磁极所产生的谐波相位互差90°时可有效削弱推力波动;最后根据此方法制作样机。有限元结果及样机实验验证了此方法的可行性,对单边平板型PMLSM优化设计有着重要的指导意义。     

基于V型三段磁极错位削弱永磁直线电机推力波动的方法

6槽7极单边平板型永磁同步直线电机(PMLSM)运行过程中会产生推力波动,导致机床加工精度变差.针对此问题,提出一种将磁极错位与V型磁极相结合的优化方法来改善其性能.首先采用许克变换法对端部磁场进行分析,得到由端部效应引起的总推力波动解析表达式,再对解析式中傅里叶系数进行分析,得出端部效应引起推力波动的主要谐波次数;然后通过对多种永磁体结构进行有限元仿真,由力特性得出采用V型三段错位磁极的方法,当两端磁极与中间磁极所产生的谐波相位互差90°时可有效削弱推力波动;最后根据此方法制作样机.有限元结果及样机实验验证了此方法的可行性,对单边平板型PMLSM优化设计有着重要的指导意义.     

基于组合继电反馈的永磁同步直线电机推力波动辨识方法

在永磁同步直线电机中,由齿槽效应和端部效应引起的推力波动是制约其动态性能的重要因素。提出一种基于组合继电反馈的推力波动辨识方法,且利用辨识结果实现推力波动的补偿。针对某直驱进给实验平台,首先建立其动力学模型,设计基于理想继电环节和含有死区的迟滞继电环节相结合的信号激励源;其次利用描述函数对各非线性环节进行谐波线性化进而获取各环节的双输入描述函数,再根据非线性系统极限环存在条件确定系统待辨识参数的解析表达式;最后,通过仿真和实验验证了该方法的可行性和准确性。实验表明当直驱进给系统匀速运动时,含有推力波动补偿时伺服系统的推力电流波动比补偿前降低了46.3%,其跟踪误差的方均根由34.1μm降至19.3μm。     

圆筒永磁直线电机设计及推力波动研究

圆筒型永磁直线电机无需中间传动装置便可实现直线运动,使系统结构简单、响应快,但其存在推力波动大的问题。为了减小电机推力波动,提高电机推力性能,本文重点从初级铁心长度、极弧系数和闭口槽的使用3个方面对电机结构进行了分析,研究其对电机推力的影响。最终确定了圆筒直线电机的设计方案,并制造出样机,所得结果为圆筒型永磁直线电机设计提供了理论依据。