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。     

基于不等厚永磁体的非均匀Halbach型PMSM气隙磁场解析及性能研究

Halbach阵列永磁电机的气隙磁场相对于一般的永磁同步电机正弦性更好,转矩输出性能更优秀,对气隙磁场进行准确的计算是其后续设计、计算和优化的基础。本文提出了一种采用主辅极不等厚磁极来优化不均匀Halbach阵列性能的电机模型,以2:1的主辅极比例厚度为例,推导出了计及极间隔断的不等厚磁极Halbach永磁电机的径向气隙磁场解析解,该模型在有限元软件中得到了验证。在此基础上对比了在若干组常见的永磁体所占角度配比下,等厚磁极Halbach电机和不等厚磁极Halbach电机的齿槽转矩、磁场畸变率等性能指标,发现了不等厚度磁极Halbach型永磁电机在削弱齿槽转矩和降低磁场畸变率方面的明显优势。     

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。     

Halbach阵列永磁型无轴承电机特性研究

在分析永磁型无轴承电机径向悬浮力产生机理及转子永磁体Halbach阵列基础上,设计了一种Halbach阵列永磁型无轴承电机,采用耦合电路瞬态有限元分析方法对径向磁化永磁转子和Halbach阵列永磁转子的气隙磁密波形及高次谐波、径向悬浮力、反电动势及转矩进行比较分析。研究结果表明:永磁型无轴承电机转子永磁体采用Halbach阵列结构能显著提高气隙磁密幅值及其正弦特性,增大径向悬浮力与转矩,减小悬浮力、转矩及反电动势的脉动。     

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。     

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。     

Halbach型磁钢的永磁电机气隙磁场解析计算

随着稀土材料价格上涨、永磁电机成本增加,合理的设计Halbach磁体结构,可充分挖掘Halbach永磁电机磁钢的潜力.分析了每极三块的Halbach磁体磁化规律,建立了Halbach型永磁电机气隙磁通密度的解析模型,该解析法计算的气隙磁场与有限元方法计算结果吻合,验证了解析模型的正确性;研究了充磁角度对气隙磁通密度的影响,结合充磁角度传统计算公式,给出了极间有间隔的Halbach磁体充磁角度的计算公式;通过解析模型分析极弧系数和极对数对Halbach永磁电机气隙磁通密度切向分量的基波幅值和波形正弦性畸变率的影响,给出不同极弧系数、充磁方式和极对数时Halbach永磁电机气隙磁场的变化规律.     

组合式Halbach阵列磁场分布特性研究

介绍了Halbach阵列原理和组合式Halbach阵列的自屏蔽效应,并讨论了组合式Halbach阵列的气隙磁密与磁钢厚度的关系,同时还对环形组合式Halbach阵列与表贴式永磁电机的气隙磁密基波进行了对比研究,揭示组合式Halbach阵列的磁场分布特点和在直线电机和旋转电机中的设计规律。实验结果很好地验证了所讨论模型的正确性。研究对永磁伺服电机设计和研究具有工程意义。     

Halbach阵列无轴承永磁电机有限元分析

针对气隙磁密对无轴承永磁电机可靠性、转矩脉动及径向悬浮力的影响,提出了Halbach阵列永磁转子结构。从无轴承永磁电机的转子结构出发,对常规面贴式永磁转子和Halbach阵列永磁转子进行了比较分析,并用Ansoft进行了有限元分析,得出了两种不同转子结构的磁力线分布图及气隙磁密波形,分别对两种转子结构的无轴承永磁电机的径向悬浮力与悬浮力绕组电流的关系进行了对比。分析结果表明:Halbach阵列应用在无轴承永磁电机中能显著提高气隙磁密及其正弦特性,增大径向悬浮力。Halbach阵列应用于无轴承永磁电机具有可行性和可靠性。     

新型Halbach阵列永磁电机谐波分析与优化

Halbach阵列具有单边磁场的特点,在电机设计中得到越来越多的关注和研究。设计了一种"凸"形双层Halbach阵列永磁电机,通过有限元方法分别仿真单层和双层磁极结构,比较两者气隙磁密波形和谐波,为得到较低谐波畸变率,对影响畸变率磁极结构主要参数进行组合寻优。仿真结果表明,该双层Halbach阵列电机磁极结构简单,谐波畸变率低,有效改善气隙磁场,提高磁场强度和运行稳定性,为Halbach阵列永磁电机优化提供了新思路。     

三段Halbach磁铁阵列永磁同步电机铁心的优化设计

Halbach磁铁阵列和集中绕组的分数槽绕组应用于永磁同步电机可提高输出转矩并降低转矩波动,满足伺服系统快速性和高精确度的要求,但需要对电机铁心进行再设计。依据Halbach磁铁阵列的理论建立了每极三段Halbach磁铁阵列永磁同步电机磁场的模型,并分析了气隙磁场特点,提出采用集中绕组的分数槽绕组削弱齿谐波。分析电机铁心的结构特点,确定多个关键尺寸为设计变量,以一定电流的最大转矩平均值和最小转矩波动为主要优化目标,采用Taguchi方法简化优化设计的计算,并建立了双层的优化模型。以一台8极9槽的伺服电动机为例,采用有限元计算,阐述了每极三段Halbach磁铁阵列永磁电机多变量、多目标的优化过程。     

一种Halbach磁体结构同心磁力齿轮传动装置的设计和实现

提出了一种使用Halbach磁体结构产生磁场,并对磁场进行调制的同心磁力齿轮传动装置。该传动装置由机壳、安装在机壳内腔的悬臂式的外转子和内转予组成。内、外转子永磁体之间有调磁环。调磁环由铁心块组成,并固定在机壳的端板上。磁体结构采用Halbach阵列,得到的气隙磁密接近正弦分布。对样机测试后表明,该装置取得了较好的正弦磁场分布、稳定的转速比值和较高的传动效率。     

Halbach型磁力联轴器传动转矩的特性分析

阐述了磁力联轴器传动的基本原理,介绍了磁力联轴器的Halbach阵列磁体形成的磁场特点.利用ANSYS软件对24极式磁力联轴器的传动转矩进行数值计算,分析传统磁体排列和Halbach阵列两种排列方式在不同转角差、磁极数、永磁体厚度和轭铁厚度时所传递的转矩.结果表明,Halbach阵列所传递的转矩较传统排列有明显的提高,...     

基于Halbach阵列的斥力型磁悬浮模型有限元分析

针对传统斥力型磁悬浮系统永磁部分磁密利用率低、悬浮高度不高、悬浮力小等问题,引入Halbach永磁阵列,对传统模型进行改进,其主要思想是在不改变模型材料与尺寸的前提下,将传统模型底部主磁环设计为Halbach阵列,利用Halbach阵列单边磁场的特点,提高底部主磁环的磁场利用率。分析结果表明,Halbach斥力型磁悬浮模型的磁场分布强度比传统模型大将近2倍;对于相同的悬浮高度,Halbach阵列结构模型的悬浮力明显高于传统模型,悬浮高度越低,二者的差异越大;对于同样重量的悬浮物,Halbach阵列结构可以获得更大的悬浮气隙。研究结果为斥力型磁悬浮模型的结构尺寸优化和悬浮控制提供依据。     

End effects of Halbach field magnet-type linear motor

A linear motor that uses a finite length Halbach array as its magnetic field causes a thrust force ripple owing to end effects. In this paper, the theoretical and numerical analysis methods of the Halbach array are investigated. The results of the electromagnetic field analysis are compared to confirm the validity of the theoretical and numerical solutions. Moreover, we focus on the magnetic pole period and coil arrangement of the finite length Halbach field type linear motor to eliminate the influence of the end effects, and report the relationship with the end effects.     

板式双边永磁电动悬浮电磁力计算

针对现有电动悬浮模式的缺点,研究了一种由导体板和双边Halbach永磁阵列构成的悬浮系统。相比单边电动悬浮,该系统电磁阻力更小,适用于城市轨道交通。分别采用解析法和有限元法对其产生的电磁力进行计算。首先,建立了空间矢量磁位方程,通过求解该方程可得导体板中涡流分布;其次,研究了空间磁场与涡流的相互作用,得到了电磁力的2D解析表达式,建立了2D和3D有限元模型,计算了不同速度下的电磁力、磁场与涡流,并得出解析法与2D有限元法的平均相对误差为1.7%;最后,通过与单边电动悬浮对比,证明了该悬浮模式可有效提高浮阻比,减小阻力损耗。     

梯形永磁体盘式无铁心电机的设计与研究

针对永磁盘式无铁心同步电机的轴向磁场结构,在现有Halbach永磁阵列的基础上,提出一种梯形结构永磁体阵列。详细阐述该电机的结构与优点,利用有限元方法研究了不同梯形结构永磁体阵列对气隙磁密的影响,根据气隙磁场中的谐波含量及空载反电势畸变率选取最优转子结构。该结构在保证与传统结构永磁体材料用量相当的前提下,有效提高气隙磁密的基波,降低谐波含量。由于轴向磁场结构的特殊性,给出该电机的设计规则,如磁极尺寸和导体占空比的确定。计算了电机在负载工况下不同定子电流对交直轴电感的影响,为该类电机的设计提供了一定的参考价值。     

Analytical Modeling of an Eddy-current Adjustable-speed Coupling System with a Three-segment Halbach Magnet Array

This article presents a two-dimensional analytical model to predict the magnetic field distributions and torque characteristics in an axial-flux eddy-current adjustable-speed coupling system with a three-segment Halbach magnet array. The main contribution of this article is the analytical evaluation of a moving-conductor eddy-current problem based on a three-segment Halbach magnet array by considering the influence of the eddy currents on the magnetic field. Based on the layer model method, the three-dimensional eddy-current problem is linearized to a two-dimensional problem, and the field equations derived from Maxwell's equations in each layer (iron core, magnet, air gap, and conductor) are solved by using the variable separation method and Cramer's rule. The proposed analytical model is validated by the three-dimensional finite-element method in terms of both magnetic field prediction and parameter analysis. Because the analytical methods take less computational time than numerical methods, they are an effective tool for the first step of design optimization.     

Design and analysis framework for linear permanent-magnet machines

This paper presents a design and analysis framework for the general class of permanent magnet electric machines. In the authors' analysis, surface-mounted linear motors consisting of permanent magnets and ironless current-carrying coils are treated in a uniform way via the magnetic vector potential. This analysis is developed to design novel linear magnetic levitators for driving precision motion control stages such as those used in wafer steppers. For one such motor structure, they give analytical formulae for its magnetic field, force, flux linkage, inductance of the winding, and back electromotive force. They provide experimental results with a six degree-of-freedom magnetic levitator. These results are in good agreement with analytical estimations. The levitator uses a permanent-magnet Halbach array in order to improve its power efficiency. By analogy, there also exists an electromagnetic dual of the Halbach array. One such dual utilizes a triangular winding pattern in order to achieve a primarily single-sided magnetic field     

双层Halbach永磁电机解析建模与优化

提出双层Halbach永磁电机的二维解析模型,模型中转子永磁包括内外两层,每层每极均由两块永磁构成,且每层中间磁块均为径向磁化。通过分区域求解标量磁位的微分方程,解析得到双层Halbach无槽电机的气隙磁场。利用卡特系数考虑齿槽作用,解析获得双层Halbach有槽电机的气隙磁场。接着,为优化气隙磁场波形,分别解析获得外层径向磁化磁块的最优极弧比和内层径向磁化磁块的最优极弧比,从而获得双层Halbach电机气隙磁场的优化解。计算结果表明,双层Halbach电机不仅气隙磁场和反电势的波形正弦度都优于单层Halbach电机,而且电磁转矩的波动更小,因此具有更好的电磁性能。二维有限元法与二维解析法计算结果一致性较好,验证了二维解析模型的正确性。