永磁直线同步电机推力波动优化及实验研究

由边端力、齿槽力及法向吸力引起的推力波动是影响永磁直线同步电机(PMLSM)运动性能的主要因素。通过优化电机动子长度方法降低边端力，采用分数槽结构方法降低齿槽效应引起的齿槽力，利用有限元方法计算PMLSM法向吸力，并采用傅立叶级数进行非线性回归分析，得到PMLSM推力波动统一公式。实验表明PMLSM进给单元推力波动实验值与理论值基本一致。证明了优化理论及分析方法的正确性。因此，在实际应用中，可利用得到的公式对推力波动进行补偿，提高永磁直线同步电机的运动性能。     

采用新型磁性槽楔的永磁同步电机分析

针对磁性槽楔能够改善电机气隙磁导波形,减小气隙磁密谐波,削弱电机齿槽效应,从而减小电机损耗和转矩波动,提高电机效率的优异特性,提出一种新型的叠片式磁性槽楔。该结构能够进一步优化开口槽电机的气隙磁密波形,降低齿槽转矩,减小电机损耗,同时又不会影响电机定子槽漏抗。本文用解析法分析磁性槽楔磁导率对于气隙磁密谐波以及定子槽漏抗的影响,通过一台130kW的永磁同步电机模型,运用有限元仿真分析比较叠片式磁性槽楔与普通磁性槽楔的电气性能。     

永磁直线同步电机推力波动约束

由齿槽力、边端力及法向吸力引起的推力波动是影响永磁直线同步电机(PMLSM)动态性能的主要因素。为了实现高速精密直接驱动系统,通过对PMLSM进行有限元分析建模,分析了齿槽力变化规律,利用傅里叶级数拟合得到齿槽力变化曲线;设计了齿槽力电流预测控制模型,对齿槽力引起的推力波动进行补偿;同时设计了扰动观测器对其他因素引起的推力波动进行补偿,进一步削弱了推力波动。最后,通过实验验证PMLSM推力波动补偿控制系统的有效性,补偿后电流和速度的波动都得到了很大改善,能够实现较高精度的直接驱动系统。     

基于比例谐振内模扩张状态观测器的PMLSM推力波动抑制策略

定位力是永磁同步直线电机（PMLSM）产生推力波动的主要原因,导致振动和噪声,恶化驱动系统运行性能。针对这一问题,该文提出一种基于比例谐振内模扩张状态观测器（PR-IMESO）的PMLSM推力波动抑制策略以提高系统控制精度和运行性能。首先,对PMLSM推力波动进行建模与分析,针对推力波动中占比较大的定位力分量,根据内模原理研究考虑定位力模型的内模扩张状态观测器（IMESO）,并在观测器中引入谐振项以加强对二次脉动定位力的抑制。所提出抑制策略对PMLSM定位力具有良好的观测及补偿能力,还可对其余未建模的复杂动子推力波动进行抑制,具有较好的推力波动整体抑制效果。最后,在一台750 W的PMLSM实验平台上验证所提出抑制策略的有效性。     

永磁直线伺服电动机的分析计算

对具有多极、少齿结构的永磁直线伺服电动机(PMLSM)进行了分析和计算。在设计上采用真分数槽绕组和开口槽对齿槽磁导波进行移相调制,并优化了电枢长度,有效削弱了PMLSM的端部效应和齿槽效应,提高了伺服机构的定位精度。利用有限元法计算了直线电机在不同位置的Detent Force及其在矢量控制下不同负载时的推力波动。     

永磁直线伺服电动机的分析计算

对具有多极、少齿结构的永磁直线伺服电动机(PMLSM)进行了分析和计算.在设计上采用真分数槽绕组和开口槽对齿槽磁导波进行移相调制,并优化了电枢长度,有效削弱了PMLSM的端部效应和齿槽效应,提高了伺服机构的定位精度.利用有限元法计算了直线电机在不同位置的Detent Force及其在矢量控制下不同负载时的推力波动.     

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。     

直线电机齿槽推力波动的标定与补偿方法

为减小直线电机齿槽推力波动对运动性能的影响,依据齿槽推力波动固有特性,提出基于PID位置控制的齿槽推力波动标定方法及其位置函数构造方法.采用线性插值计算方法建立齿槽推力波动的前馈补偿控制模型,并给出齿槽推力波动的标定结果,对比齿槽推力前馈补偿前后的位置跟踪误差.实验获得的齿槽推力波动幅值为±12N,前馈补偿前后的位置跟踪误差分别为±48μm和±10μm.实际结果表明采用所提方法可提高电机的运动精度和性能.     

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。     

分段错极排列的PMLSM磁阻力研究

永磁直线同步电动机(PMLSM)磁阻力引起电机振动和噪声,影响电机的伺服性能。磁阻力包括端部力和齿槽力两个分量。为抑制电机端部力,根据优化动子长度原理,采用优化电机端齿宽度的方法,确定最小端部力时的端齿宽度尺寸。为抑制电机齿槽力,采用分段错极排列方法,使电机有限元建模时各分段场量计算仍为二维场,研究磁极偏移距离、分段数与电机磁阻力及其谐波次数之间的关系。有限元分析结果表明,分段错极排列后较好地削弱电机的磁阻力。     

动磁式永磁直线同步电动机电磁力分析

结合永磁直线同步电动机的特点,介绍了在超大功率场合的动磁式永磁直线同步电动机的应用结构形式。利用有限元分析方法分析了电动机相关结构参数对电动机推力和齿槽力的影响,得到了齿槽力波动周期的计算方法,以及相关结构参数对电动机推力、推力波动的影响曲线和不同结构参数时的齿槽力波形,实验论证了分析结果的正确性。     

永磁直线同步电机的推力波动分析

为改善高档数控机床进给系统用永磁直线同步电机的伺服性能,需要研究减少推力波动的技术措施。文章分析了永磁直线同步电机推力波动的机理,指出齿槽效应、端部效应及法向力是引起永磁直线同步电机推力波动的主要原因。     

永磁同步直线电动机磁场和推力波动分析及实验研究

直线电动机存在由端部效应、齿槽效应和法向吸力引起的推力波动,对电动机动态稳定性和伺服控制性能产生较大的影响。利用等效磁化电流和许-可变换求解电动机的磁场分布,并采用ANSYS进行仿真分析验证,采用对电动机初级铁心长度优化的方法降低推力波动。实验表明,推力波动实验值与分析基本一致,证明了提出的磁场分析方法和优化设计的有效性。     

永磁直线同步电机推力脉动削弱方法综述

对永磁直线同步电机(PMLSM)的推力脉动削弱方法进行了原理介绍和特点分析。针对边端效应力、齿槽力和电磁脉动力,归纳和总结了其对应的推力脉动削弱方法,并对其控制方式进行了概括。最后讨论了PMLSM推力脉动削弱方法的发展趋势。所做研究有助于促进PMLSM性能的提高和应用领域的扩大。     

双V型结构削弱永磁直线电机磁阻力波动方法

磁阻力是单边平板型永磁直线电机(PMLM)推力波动的主要组成部分,影响了其在精密驱动领域的应用,为此,提出双V型结构削弱端部效应和齿槽效应产生的推力波动的方法。首先分析齿槽磁阻力和端部磁阻力的波动规律;然后基于积分法推导齿槽效应磁阻力与磁极的V型深度之间关系。接着针对特定深度的V型磁极,推导端部效应磁阻力与V型端部电枢铁心V型深度的关系。最后,以12槽10极PMLM为例,采用有限元仿真和实验验证,结果证明该方法能够有效削弱端部效应和齿槽效应产生的磁阻推力波动。     

Thrust ripple optimization and experiment for a permanent magnet linear synchronous motor

Thrust ripple such as end force, slot force and normal force are key factors that affect the properties of permanent magnet linear synchronous motors (PMLSM). According to different mechanics and analytical models, end force resulting from open magnetic circuit of PMLSM was greatly decreased by optimizing the length of the PMLSM mover. Slot force caused by slot effect was greatly reduced by using fraction slot structure, and normal force was calculated through the finite element method (FEM). After thrust ripple was calculated, its uniform formula was obtained through Fourier series nonlinear regression. An experimental system was set up to measure thrust ripple, and experiment results demonstrated that experimental force ripple was quite in line with that calculated by the fitting formula. The optimal theory and analysis method is effective, and the obtained formula can be utilized to compensate thrust ripple in practical applications and improve the motion performance of PMLSM. __________ Translated from Proceeding of the Chinese Society for Electrical Engineering, 2005, 25(12): 122–126 (in Chinese)     

基于响应面模型与遗传算法的无轭分块电枢轴向磁场永磁电机齿槽转矩优化

无轭分块电枢轴向磁场永磁电机（Yokeless and Segmented Armature Machine,YASA）是一种高功率密度、高效率的电机,适于电牵引驱动特别是电动车的轮毂和轮边直驱。本文针对基于软磁复合材料（SMC）的YASA电机的齿槽转矩进行研究。首先比较了基于SMC和叠压硅钢材料的YASA电机齿槽转矩波形,然后分析了永磁体极弧系数、永磁体斜极、定子齿靴宽度系数以及定子齿靴偏移对基于SMC的YASA电机齿槽转矩的影响,在此基础上建立响应面模型并利用遗传算法对齿槽转矩进行优化,最后,通过3-D FEM验证了优化结果的准确性。结果表明,在选取一定极弧系数的前提下,存在最优的永磁体斜极角度、定子齿靴宽度系数和定子齿靴偏移角度组合能够使电机的齿槽转矩降为最小,且优化前后电机的其他性能基本保持不变。