永磁直线伺服电机的磁场分析及优化设计

介绍了一种圆筒型永磁直线伺服电机,电机次级采用轴向磁通结构,初级采用无铁心空心式绕组设计,完全消除了传统有铁心永磁电机固有齿槽效应所引起的推力波动问题.该结构电机的输出推力稳定性主要与电机气隙磁场分布的正弦程度有关,提高气隙磁场分布的正弦性是改善电机伺服性能的重点.通过对电机磁场进行有限元分析,研究了电机次级永磁体宽度和半径2个主要尺寸对气隙磁场分布的影响,并给出了这2个主要尺寸的最佳取值.经过优化设计,电机的气隙磁场分布得到了改善,磁场谐波分量大大降低,输出推力更加稳定,伺服性能得以提高.     

曲线地段直线电机轮轨列车动力学响应

为研究直线电机轮轨列车行驶于曲线段线路上时,铁路线路条件对列车动力响应的影响规律,以便为修改线路设计规范提供理论依据.建立直线电机轮轨交通列车线路动力学模型,模型中直线电机所受垂向电磁力大小随列车牵引速度和电机气隙的变化而时刻改变.仿真模拟并分析垂向电磁力、车速、曲线半径、超高、轨道不平顺对系统动力响应的影响.结果表明:轨道垂向不平顺和高车速对气隙影响显著;列车通过小半径曲线段时,垂向电磁力对脱轨系数和轮重减载率的消减作用显著;脱轨系数、轮重减载率、轮轨横向力、车体横向加速度、车体横向位移这5类动力响应的最大值,同时受车速、曲线半径、超高影响显著.基于5类动力响应最大值的拟合公式,可对车速、曲线半径、超高取值范围进行合理匹配,并确定曲线地段的合理车辆限界.     

空心式永磁直线伺服电机气隙磁场及推力分析

通过解析法和有限元法对双边空心式永磁直线伺服电机的磁场和推力特性进行了分析.采用等效磁化强度法,将永磁体等效为磁化强度分布函数,建立磁场向量磁位的微分方程组并采用分离变量法进行求解,推导出磁通密度的解析公式.同时采用Ansoft Maxwell软件对电机磁场进行了有限元分析,结果证明磁通密度解析公式是准确的.针对5极/3线圈短距绕组结构的电机,推导出电机动态推力的解析公式,解析法推力计算结果与有限元法计算结果的相对误差为3.28%,证明推力解析公式是准确的.推力解析公式表明,当电机电枢电流为正弦电流时,电机推力仅含有6倍频的谐波分量,且推力波动小.气隙磁场和推力解析公式有助于分析电机磁场分布和推力波动情况,为电机优化设计提供基础.     

永磁直流电机电磁力的分析和参数预测

通过变量分析电机气隙中的电磁力得出电磁噪声的影响因素。首先对电机进行模态分析得出模态频率,然后运用Mawell2D对电机转子偏心、永磁体不同厚度等工况下进行静磁场分析,得出两者对电机气隙电磁力的影响,运用压电阻抗实验得出电机的模态频率验证模态仿真的结果,最后运用BP神经网络通过气隙电磁力实现对电机永磁体的厚度进行预测。结果表明：避免转子偏心、适当微调永磁体的厚度,可以有效地减小径向电磁力;BP神经网络可以通过气隙电磁力实现对永磁体厚度的识别。     

双边空心式永磁直线伺服电机的横向边缘效应

针对双边空心式永磁直线伺服电机横向边缘效应较大,会影响气隙磁场分布、使空载反电势和推力幅值减小的问题,研究量化横向边缘效应影响的方法.定义横向漏磁系数,通过将该电机三维有限元和二维有限元气隙磁场的分析结果进行对比,推导出横向漏磁系数的计算公式.该系数主要受电机横向长度、气隙高度和永磁体厚度的影响,可对二维有限元结果进行修正.实测结果表明,修正后的二维有限元结果更加接近实测值,证明了该方法的正确性和有效性.     

三相倍极感应励磁同步发电机运行性能研究

在三相倍极感应励磁同步发电机中，转子励磁绕组中的励磁电流是由定子直流绕组建立的倍极静止磁场感应产生的，这种励磁电流获得方式及倍极静止磁场的存在，势必影响电机的运行性能，本文对此进行了理论分析及实验研究．结果表明：倍极磁场的存在确会影响电机的运行性能，但由于转子绕组的特殊工作状态，产生一定的转子励磁电流所需的倍极静止磁场气隙合成磁密很低，故电机的工作特性、电压波形、振动和噪声等均无明显恶化．     

三相倍极感应励磁同步发电机运行性能研究

在三相倍极感应励磁同步电机中，转子励磁绕组中的励磁电流是由定子直流绕组建立的倍极静止磁场感应产生的，这种励磁电流获得方式及倍极静止磁场的存在，势必影响电机的运行性能，本文对此进行了理论分析及实验研究，结果表明，倍极磁场的存在确会影响电机的运行性能，但由于转子绕组的特殊工作状态，产生一定的转子励磁电流所需的倍极静止磁场气隙合成磁密很低，故电机的工作特性，电压波形，振动和噪声等均无明显恶化。     

Halbach磁体结构应用于永磁直线同步电机的研究

为提高永磁直线电机的推力，介绍了Halbach磁体结构的基本工作原理，分析了采用Halbach磁体结构的磁体排列方式及磁体的磁化规律.并以一台永磁直线同步电机为例，确定了适合该直线电机的Halbach磁体结构形式，对比分析了不同磁体排列方式的永磁直线同步电机空载运行推力特性.分析结果表明采用Halbach磁体结构不仅可以改善气隙磁场分布、提高永磁直线同步电机的推力，而且可以减小永磁直线同步电动机的推力波动.因此将Halbach磁体结构应用于永磁直线同步电机中与常规永磁体结构的永磁直线同步电机相比具有很大的优越性.     

新型无铁芯永磁同步直线电机推力性能优化设计及试验

为解决无铁芯永磁同步直线电机推力及推力波动问题,提出新型永磁体结构设计原理,建立物理模型,设计一种新型永磁体结构的无铁芯永磁同步直线电机,并对其结构参数进行优化.对新型磁极结构的磁场、直线电机的推力与推力波动进行有限元分析,以推力不削弱、推力波动最小作为优化目标,进行电机推力性能优化.通过重复定位精度的测量,验证新型磁...     

两级式无刷混合励磁同步电机的电磁设计及分析

为利用永磁电机的高功率密度、高效率以及电励磁电机电压易于调节的特性,提出一种混合励磁同步电机.主电机采用混合励磁同步电机,为主电机提供励磁的励磁机采用旋转电枢式交流电机.介绍电机的结构和工作原理,并采用有限元法对电机的磁场分布特征及调磁能力等进行计算和分析.根据理论分析试制样机,测试主电机的调压特性、励磁机的励磁特性以及两级式运行时的空载特性.有限元计算结果以及针对样机的实验数据表明:主电机和励磁机能够可靠地匹配运行;可以在永磁磁场的基础上,通过电励磁有效地调节气隙磁场,满足调压的需求.采用有限元法,研究主电机转子外形以及励磁机的定子齿宽对气隙磁场的影响规律.结果表明:对于主电机,设计适当的转子外缘形状能够有效地降低气隙磁密的总的谐波畸变率(THD),同时应兼顾气隙磁密基波的变化;对于励磁机,选择合理的定子齿宽系数有助于励磁能力的提高.     

EMS型磁浮列车驱动力和悬浮力的计算新方法

针对电磁悬浮(EMS)型磁浮列车用凸极直线同步电机定子和转子齿槽不连续分布的特点，提出一种基于解析的驱动力和悬浮力计算新方法.该方法在分析列车运行时所在位置处的定子和转子几何分布和载荷分布基础上，根据列车所在位置处的定子电流磁动势分布和磁场强度的分布，计算出所有驱动力的大小.通过研究列车所在位置处的定子与转子总的磁导率函数分布和励磁曲线分布，得出列车运行过程中所有悬浮力的大小.计算结果表明，驱动力和悬浮力的波动频率是定子电流变化频率的6倍.当转子极距大于定子极距时，可以获得较大的悬浮力和驱动力，驱动力和悬浮力的波动也相对较小.     

磁悬浮永磁直线同步电动机的有限元分析

针对数控机床直线电动机驱动系统中动子与导轨之间的摩擦问题,提出采用直接磁悬浮永磁直线同步电动机实现无摩擦进给的方法.该电动机的动子上有两套绕组,一套为推力绕组,用于产生电磁推力;另一套为悬浮绕组,用于产生可控的磁悬浮力.采用Maxwell应力张量法推导了电动机的电磁推力和悬浮力的数学模型,并采用Ansoft对不同永磁材料电动机的电磁推力和磁悬浮力进行有限元分析.计算结果验证了数学模型的正确性,证明了采用磁悬浮双绕组永磁同步电动机实现无摩擦进给的可行性.     

异极型径向磁轴承的非线性解析模型

针对异极型径向磁轴承（HeRMB）气隙磁密分布和电磁力的计算,建立等效磁路法和气隙磁导函数相结合的非线性解析模型.通过计算磁轴承磁路各部分的集中磁导,建立计及饱和效应的等效磁路.采用考虑齿槽效应和转子偏心的气隙磁导函数计算气隙磁密分布,得到作用在转子上的电磁力,利用有限元验证了该解析模型的计算精度. 利用建立的解析模型,研究偏置电流的影响和耦合效应.结果表明,偏置电流的变化对电磁力特性有很明显的影响;当转子无偏心时,X、Y 2个方向相互解耦,当转子有偏心时,2个方向之间会有耦合.     

直线电机在车磨复合机床中的应用

针对直线电机存在端部效应,运行中存在推力波动等问题,提出基于扰动等效电流在线补偿的速度控制环算法,以使系统自身参数扰动及外界负载阻力扰动,尤其是齿槽推力扰动及永磁体磁通谐波扰动对系统的影响降到最低。阐述了直线电机在数控机床上的应用特点和直线电机全闭环交流伺服驱动技术。结合研究课题介绍了直驱进给系统的调试,并获得了很好的调试效果,保证了数控机床的加工精度。     

轨道科研试验线的轮轨力、脱轨系数及减载率研究

为了对同济大学轨道交通科研试验线进行脱轨安全性评定,采用测力钢轨法测试轨道交通科研试验线列车通过时的轮轨力,包括轮轨垂直力及横向力,由轮轨力计算脱轨系数及轮重减载率。结果表明,列车以速度20、30及40 km/h驶过时,南侧钢轨的轮轨垂直力平均值在54.91~56.14 k N范围内,北侧钢轨的轮轨垂直力平均值在72.91~76.62 k N范围内;南侧钢轨的轮轨横向力平均值在5.77~7.86 k N范围内,北侧钢轨的轮轨横向力平均值在6.48~7.11 k N范围内;脱轨系数分别为0.096、0.104及0.113,轮重减载率分别为0.141、0.152及0.154,脱轨系数及轮重减载率都远小于限界值,都具有很大的安全余量,轨道交通科研试验线在脱轨安全性评定方面完全符合要求。     

平板型混合式直线步进电机的关键参数

通过有限元法对一种混合式单边型结构的直线步进电机的若干关键参数进行优化分析.采用有限元法研究了该结构电机在体积一定条件下绕组控制电流和气隙大小对电机切向力、法向力的影响,得到了相应的关系曲线;在动子、定子齿宽齿距比一致与不一致的两种情况下,计算不同齿宽齿距比时电机的切向力和单边法向力大小,并具体分析了电机静态切向力的谐波状况,得到两种情况下最大保持力和最大基波推力所对应的齿宽齿距比.结果表明：当动、定子齿宽齿距比在0.33～0.38时可使切向力及其基波分量较大且法向力较小,其中在0.36左右时,电机的基波推力最大.     

磁、气悬浮电机的机制研究及仿真分析

在已有磁悬浮电机原理的基础上提出磁、气悬浮电机,通过气隙（气隙长度）联立磁、气悬浮本构方程,利用虚位移原理建立电机电磁悬浮力模型,建立了定转子气隙流体的雷诺方程。运用有限元分析软件对高速无轴承磁悬浮电机磁感应强度、电磁悬浮力及气隙流体的承载力进行了仿真分析。     

磁悬浮列车用直线电机的有限元分析和电感计算

为研究磁悬浮列车长定子直线电机的性能,以德国TR08型磁悬浮列车长定子直线同步电机尺寸为基础,基于有限元方法建立了一个悬浮电磁铁模块的分析模型,对其牵引和悬浮电磁场进行了较为系统的分析,得到了不同动子极距下牵引和悬浮力的变化曲线.重点研究了长定子直线同步电机在分别改变定、动子电流和气隙大小的情况下,以及定动子绕组交直轴电感的变化情况,并通过多项式拟合和傅立叶分解得到了交直轴电感的经验公式.仿真结果表明,定子电流对气隙磁场和电感影响较小,当动子极距为266.5 mm时电机性能较佳,拟合得到的经验公式具有较高的精确度,平均误差小于5％.