改进型Halbach阵列的永磁同步电机分析与设计

针对Halbach永磁阵列具有单边聚磁,提高气隙磁场磁通密度基波幅值和改善磁通密度波形的正弦性的优异特性,研究了一种改进型的Halbach永磁阵列。该阵列结构简单、充磁方便、易于优化,进一步改善了气隙磁通密度的正弦度,提高了磁通密度的基波幅值和反电动势基波幅值、永磁电机效率,降低了转矩脉动。运用标量磁位法对改进型Halbach永磁阵列在电机气隙中产生的磁场进行解析分析,得到了气隙磁通密度和空载反电动势的表达式,并利用Maxwell应力张量法解析电磁转矩;通过设计一台8 kW的电机模型,运用磁场有限元仿真验算该方法的准确性和有效性。     

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。     

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.     

应用新型Halbach阵列的PCB定子轴向磁通永磁电机性能分析

本文针对定子为印刷线路板（printed circuit board,PCB）结构的轴向磁通永磁电机的特点,将一种新型的Halbach永磁体阵列应用于该永磁电机中,并对其性能参数进行分析。通过与传统Halbach永磁体阵列的无铁心轴向磁通永磁电机相比可知:应用新型Halbach永磁体阵列的PCB定子轴向磁通永磁电机在相同尺寸及同等永磁体用量条件下,具有更高的气隙磁密及每极磁通,可获得更高的空载反电势,同时有效地降低了漏磁,使得气隙磁密更接近正弦波,电机的整体性能得到了提升。有限元分析结果和样机的对比试验证明了应用新型Halbach永磁体阵列的PCB定子轴向磁通永磁电机的合理性和有效性。为PCB定子轴向磁通永磁电机的设计提供一定的参考。     

磁极组合型轴向磁场无铁心永磁电机的设计与分析

在现有Halbach阵列永磁电机的基础上,提出了一种磁极组合式的Halbach永磁阵列轴向磁场无铁心电机,阐述了该电机的结构与优点,分析了该电机的电磁转矩。借助三维有限元分析方法,优化设计了组成转子磁极的Halbach永磁材料、软磁材料尺寸。在综合考虑单位体积永磁体所产生电磁转矩和气隙磁密正弦性的基础上,确定了电机转子磁极上轴向磁化、切向磁化永磁体以及软磁材料的极弧系数。与传统Halbach结构轴向磁场无铁心永磁电机相比,优化后的磁极组合型轴向磁场无铁心永磁电机,在保证气隙磁密大小一定的基础上,减少了永磁体用量,降低电机造价,从而提高了电机性价比。样机实验和有限元分析结果验证了所设计电机的正确性和有效性。     

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。     

基于双曲余切变换的Halbach阵列表贴式永磁电机转子偏心气隙磁场解析模型

精确计算气隙磁场是设计和分析永磁电机的关键。Halbach阵列永磁电机具有良好的转矩输出特性。转子偏心会对永磁电机产生不良影响,准确获得其偏心气隙磁场分布具有重要意义。采用双曲余切变换解析计算Halbach阵列表贴式永磁电机转子偏心气隙磁场。该文建立了Halbach阵列定子开槽、转子偏心永磁电机二维模型。将同心解析模型分为三类子区域,利用各区域边界条件求解拉普拉斯方程和泊松方程,通过矢量磁位求得同心气隙磁场,利用相对磁导函数对其进行修正,从而获得偏心空载气隙磁场,对其进行研究,并利用回归评价指标进行评估。不同偏心率下气隙磁通密度、不平衡磁拉力、齿槽转矩的解析结果同有限元结果吻合,验证了该文解析模型的有效性和正确性。     

一种新型组合式横磁通永磁风力发电机

在研究现有横磁通永磁电机结构的基础上,提出一种新型横磁通永磁风力发电机设计,其高转矩密度、低速、无刷化的特点非常适宜在直驱式风力发电系统应用。发电机整体由多模块组合而成,每个模块采用组合式定子结构可以降低加工难度,聚磁式转子设计显著提高了每极磁通。该电机各相之间实现了电磁和结构的双重解耦,设计自由度大,在综合考虑转矩密度和漏磁比例的基础上确定了电机的主要尺寸。通过三维有限元法进行了样机的磁场分析和性能计算,研究表明横磁通永磁发电机的输出电压调整率比传统永磁同步发电机小,输出电压的稳定度高。样机实验与计算结果基本吻合,验证了设计方法的正确性。     

聚磁型永磁游标容错电机研究

提出一种带有磁通桥结构的聚磁型永磁游标容错电机,引入容错齿结构.首先,提出了SAPMVFM结构,采用磁通桥结构改善多极对聚磁型永磁游标电机磁路,提高电机的输出转矩,并通过定子Halbach阵列改善了由于磁通桥造成的输出转矩波动.其次,对游标电机的电磁原理及磁通桥结构的工作原理进行了分析.再次,对电机的结构进行了优化以得...     

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。     

热声横向磁通永磁直线电机结构及运行特性分析

以热声发电系统的运行特性为基础,采用轴向叠片结构的横向磁通永磁直线电机能量转换装置,横向磁通永磁直线电机次级铁心上加装永磁体,横向及轴向相邻永磁体极性相反。通过有限元分析可知,电机的主磁通通过次级永磁体经由气隙-初级铁心进入相邻的横向永磁体构成磁回路,磁回路平面与电机运行方向正交。在行程小于1.5τ_(axial)的合理行程范围内,沿轴向各处的径向气隙磁感应强度呈现准方波形式,气隙磁感应强度幅值为0.78T,在频率为110Hz,幅值为4.71m/s的正弦速度运行状态下,输出电压幅值为137V,基波含量达95.7%,证明横向磁通永磁直线电机适用于热声发电系统这类高频短行程往复振荡运行工况。     

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。     

径轴向聚磁型永磁推进电机优化设计与分析

为了进一步实现永磁电机磁负荷和转矩密度的提升,提出了一种径轴向聚磁型永磁推进电机结构,转子永磁体在Halbach径向聚磁结构基础上进一步结合轴向延伸永磁体,实现了永磁磁场的径轴向聚磁。针对该种新型电机,本文详细研究了其结构特点,利用有限元分析了所提电机结构的电磁性能。首先对比分析了定转子等长结构、定转子不等长(overhang)结构输出性能,并对对称型overhang结构进行了参数化优化,有效提升了电机转矩密度。最后,利用三维有限元模型对比分析了径向overhang和径轴向overhang电机的电磁性能,结果发现径轴向overhang电机空载磁密提升了6%、输出转矩增大了1.3%、转矩脉动减少了0.4%,进一步验证了电机性能的优越性。     

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.     

不均匀气隙工况下轴向磁通永磁电动式磁悬浮电机的磁场与力特性分析

该文以轴向磁通永磁电动式磁悬浮电机为研究对象，针对其运行过程中存在的气隙不均匀工况，在直角坐标下建立求解该电机磁场和电磁特性的三维解析模型。首先，基于等效电流片模型，推导出轴向磁通Halbach永磁阵列的三维空间磁场分布函数。对该磁场分布函数进行傅里叶级数转换，使Halbach转子三维磁场函数具有形式上连续统一的解析表达式。在此基础上，基于二阶矢量磁位，构建该电机的三维解析模型，推导出悬浮力、水平力和涡流损耗的解析表达式，并通过有限元法验证了解析计算模型的准确性。最后，通过小型样机实验，来验证理论计算的准确性。该文提出的解析模型适用于永磁电动式磁悬浮系统的任意气隙工况，可以作为该系统的一般设计方法。     

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.     

新型双层Halbach永磁阵列的解析分析

提出了一种新型双层Halbach永磁阵列,该阵列结构简单、易于优化,可以得到很高的气隙磁通密度正弦度。设计了一台高速无槽永磁同步电机,运用标量磁位法对双层Halbach永磁阵列在电机气隙中产生的磁场进行了解析分析,得到了气隙磁通密度的数学表达式,并进一步得到了电机空载反电动势。分析表明,优化后的气隙磁通密度的谐波畸变率仅为0.5%,反电动势中的谐波含量也非常小。制造了一台样机并进行了实验研究,通过解析、仿真与实验结果的对比,验证了解析方法的正确性。     

异形永磁体圆柱型直线电机的优化设计

为了进一步提高直线电机的推力密度,结合异形永磁体圆柱型直线电机(T-CLM)和传统Halbach结构提出了异形永磁体Halbach阵列圆柱型直线电机(TH-CLM)。建立了异形永磁体Halbach阵列圆柱型直线电机的磁路分析模型,研究了异形永磁体的异形角对电机磁场和推力的影响,得到了推力密度最大时的永磁体角度。对比分析了异形永磁体结构的两种圆柱型直线电机的推力密度,结果表明异形永磁体Halbach阵列圆柱型直线电机增强了电机的气隙磁通密度,具有更高的推力密度,并与传统的圆柱型直线电机进行了比较,验证了异形永磁体结构圆柱型直线电机在推力密度方面具有一定的优势。     

组合磁极结构的永磁电机解析法建模与分析

磁极结构直接影响永磁电机气隙磁场的分布。提出一种组合双层Halbach阵列结构。利用叠加原理,采用标量磁位法对该结构电机中的气隙磁场进行了解析计算。同时,对于有齿尖结构的定子槽,通过改进的卡特系数对气隙长度进行等效。为了比较,同时分析得到了单层Halbach结构气隙磁密的最优值。在此基础上,通过改变双层结构磁极上下层的厚度比、上下层中间磁极极弧系数以及边磁磁化角度等参数变量,分析优化电机的气隙磁密,并计算优化后的双层结构永磁电机的气隙磁密、感应电动势和电磁转矩。计算结果表明,在永磁用量相等的前提下,双层Halbach结构永磁电机的电磁性能优于单层结构。最后,通过有限元法验证了解析计算的正确性。     

Halbach永磁直流电动机气隙磁密分析

首先通过Halbach永磁直流电动机的物理模型推导出气隙磁密的解析解，进而分析磁场的分布特点；然后利用有限元方法求解Halbach永磁直流电动机气隙磁密的数值解，并将两种方法的计算结果进行比较对照，分析了磁通密度随磁体厚度、极对数、每极磁体阵列数的变化规律以及3维情况下沿轴向的衰减情况。