基于辅助铁心的永磁直线同步电机边端力最小化

针对永磁直线同步电机(PMLSM)边端力最小化问题,提出在初级铁心两端增加辅助铁心的方法,有效削弱PMLSM的边端力。首先分析了边端力产生的机理,对齿壁上所受电磁力进行解析研究。当初级铁心两端辅助铁心高度为一个气隙长度,且辅助铁心长度为1/4永磁极距时,边端力有最小值。以一台36槽12极轴向充磁圆筒永磁直线同步电机(TPMLSM)为例,进行有限元仿真分析和试验测试,边端力的有限元分析值和试验值较吻合,证实了所提方法能够有效削弱PMLSM边端力,为该类电机边端力最小化提供了一种简单有效的技术手段。     

永磁同步直线电机磁阻力分析及抑制措施

以某机床用永磁直线电机为例,分析了永磁直线电机磁阻力产生的原因,通过解析公式推导得到了最小端部力下的初级长度计算公式,利用此公式可以初步估算端部力较小时直线电机的初级长度,并且通过有限元和样机实验两种手段验证了初级长度计算公式的可用性;基于分磁环理论,通过有限元法,建立了直线电机的计算模型,对其磁阻力进行了分析计算,并利用样机实验进行了对比验证,得出在初级端部贴铁块可以进一步削弱端部力。本文通过实验证实这两种方法对削弱直线电机磁阻力是有效的,结论可为永磁直线电机磁阻力的削弱提供抑制措施。     

多边形组合式永磁直线电机边端力削弱方法

在低速大推力直线驱动领域,针对平板型永磁直线电机体积过大导致电机制造复杂和维护困难的问题,介绍了一种多边形组合式永磁直线同步电机（PCPMLSM）。沿着圆周方向叠片的PCPMLSM减小了涡流效应。利用三维有限元方法（FEM）对1台20极24槽的PCPMLSM进行了分析。针对该结构电机存在的边端力导致电机定位精度受限和推力特性恶化问题,分析了端部磁通不对称造成的单端边端力非周期变化规律,采用与初级铁心交链的磁极数为奇数和偶数时的单端边端力平均值的方式削弱此现象。在此基础上,提出采用优化初级铁心长度和各边的边端齿不等宽错位相结合的方法来削弱边端力。最后通过FEM验证了此方法的有效性。     

直驱波浪发电用圆筒型永磁直线电机的磁阻力最小化分析

圆筒型永磁直线发电机(TPMLG)广泛应用于直驱式波浪能发电装置中以提能量转化效率,但由边端力、齿槽力等引起的磁阻力波动是影响永磁直线发电机运动性能及整个能量装置稳定性的主要因素。首先运用傅里叶级数与数值分析相结合的方法对TPMLG边端力进行分析,提出优化动子长度降低边端力的原理与方法;其次,在旋转电机磁场能量计算方法的基础上对TPMLG齿槽力的计算公式进行推导,得到TPMLG齿槽力波动统一公式;最后采用有限元方法(FEM)建立PMLG磁阻力分析模型,在电机不同槽距与极距的匹配情况下,对电机的磁阻力进行仿真分析与验证,得到电机的槽距和极距的最优尺寸。优化理论及仿真分析方法可以指导TPMLG的设计与研究。     

永磁直线同步电机的端部力分析及其优化

永磁直线同步电机本身存在的推力波动是阻碍其获得平稳速度响应的主要因素,如何抑制推力波动是电机及其控制器设计中必须考虑的一个重要问题。针对端部效应产生的端部作用力对永磁直线同步电机的影响进行研究,阐述了直线电机端部效应的产生机理,并推导出端部力表达式,通过最优初级长度设计,同时优化边齿形状,显著抑制了直线电机的端部力幅值,并采用有限元软件对优化方案进行了仿真和验证。该方案用于产品设计,获得了较好效果。     

永磁直线电机端部效应力的解析计算

短初级型永磁直线电机的纵向端部效应带来了较大的detent force和法向力波动,恶化了其伺服运行性能。为分析电枢电流为零时端部效应力的特点,文章提出了基于磁通的虚位移原理分析端部效应力的方法。在分析纵向端部边缘磁通变化规律基础上,采用虚位移法推导了端部效应引起的法向力波动和推力波动的解析表达式,揭示端部效应力的波动规律。通过对端部效应力解析表达式的分析,归纳总结了动子长度参数对端部效应力的影响规律。最后,对一台12槽11极电机进行了仿真与实验,仿真、实验结果与解析结果基本一致,验证了基于磁通虚位移法分析端部效应力方法的正确性。     

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。     

一种减小动圈式永磁无刷直线电动机磁阻力方法研究

在不考虑齿槽力的情况下,依据永磁直线电机磁阻力产生的原理,针对两极三槽动圈式永磁直线无刷直流电机(LPMBDCM),采用傅立叶变换法分析了电机的边端效应;在此基础上提出了通过优化初级铁心长度和端部形式使磁阻力达到最小化方法.利用电磁软件Magnet验证了最优动子铁心长度以及动子边端齿的长度;结果表明所提出的磁阻力最小化方法是可行的;减小了电机推力波动范围,提高了运行稳定性.     

永磁直线同步电机磁阻力最小化研究

依据永磁直线同步电机磁阻力产生的原理,针对2极三槽电机,分析了其边端效应,在此基础上,考虑到齿槽效应引起的齿槽力.提出了优化初级铁心长度和初级铁心端部形式的磁阻力最小化方法.有限元分析和验证了动子铁心和边端齿的最佳长度.结果表明本文提出的磁阻力最小化方法是可行的,减小了电机的推力波动.     

双边长初级磁通切换永磁直线电机推力波动分析及抑制

基于旋转型磁通切换永磁电机的工作原理和电磁发射的特点,提出了一种应用于电磁发射的新型磁通切换型长初级永磁直线电机,该电机具有推力密度大、动子结构简单、质量小的优点.首先,分析了该电机的结构和工作原理,并对该电机的电磁推力各分量的计算公式进行了推导.其次,分析了在正常和故障状态下引起推力波动的原因:根据推力波动产生的机理,针对边端定位力、磁阻力和容错控制运行状态下永磁谐波分量引起的推力波动,分别提出了采用楔形边端设计、绕组电感互补、电流谐波注入和次级错极等方法进行了优化和补偿,并通过二维瞬态有限元进行了验证仿真.最后,通过一台长次级的磁通切换永磁直线电机验证了有限元仿真的正确性以及所提出的推力波动抑制方法的有效性.     

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。     

削弱永磁直线电机法向力波动优化设计

为了削弱永磁直线电机(PMLM)运动中存在于动子与定子之间的法向力波动,在推导分析法向力波动产生原理的基础上,采用最优极弧系数和磁极倒角法削弱齿槽法向力,采用优化铁心长度及端齿形状削弱端部法向力,以达到综合削弱PMLM法向力波动的目的。通过有限元仿真证明了所采用方法的有效性,可以在满足推力要求的的情况下,极大地削弱PMLM的法向力波动。所得结论可为永磁直线电机的设计提供一定的理论指导。     

双边型长初级直线感应电机电磁推力特性研究

针对电磁弹射及空间实验系统用双边型长初级直线感应电机(doublesidedlongprimarylinearinductionmotor,DSLPLIM)的电磁推力特性,首先根据电磁场理论,通过对初级行波电流层和次级电流的微分运算,推导出计及端部效应的直线感应电机气隙磁密的解析表达式,同时,依据洛伦兹力公式,推导出直线感应电机平均电磁推力的解析计算表达式;其次,为削弱端部效应引起的推力波动,采用发卡式全填充绕组以改善直线感应电机气隙磁密分布的正弦性(减小推力波动),同时为提升电机的电磁推力,改进现有次级板开槽结构,实现涡流路径的优化;最后,针对发卡式绕组和次级板开槽2种改进,利用推导的解析计算公式和3D有限元仿真软件,分别计算双边型直线感应电机的气隙磁密分布和电磁推力特性曲线。对比分析表明:发卡式全填充绕组的使用不仅能削弱直线感应电机的推力波动,还能有效提升电磁推力的大小,提高直线感应电机的运行性能;改进次级开槽结构可有效提升电机的电磁推力,增大推力密度。     

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。     

分数槽集中绕组永磁同步直线电机磁场解析计算

分数槽集中绕组永磁同步直线电机(Fractional-slot Windings Permanent Magnet Synchronous Linear Motors,FW-PMSLM)采用端部不重叠的集中绕组,具有磁阻力小、推力波动小、端部绕组短、用铜材料省、损耗小等优点,适合于长行程、高精度驱动场合。本文以15槽16极FW-PMSLM为例,考虑电枢电流分布函数和永磁体电流密度等效,建立分层解析模型。运用傅氏级数法推导出气隙和磁极区域中磁场的解析公式,分析FW-PMSLM电枢磁场和励磁磁场的分布。针对传统卡氏系数法在计算FW-PMSLM磁场的不足,提出采用分布卡氏系数函数来计及铁心开槽对分数槽电机磁场的影响,将解析分析与有限元分析结果进行比较,验证本文所提分布卡氏系数函数法解析求解FW-PMSLM磁场的有效性。利用该方法分析不同极弧系数、不同初级齿宽以及不同气隙长度时的电机推力以及这些因素对推力解析计算精度的影响,利用不同气隙下的实验结果验证推力解析计算精度。为分数槽永磁直线电机的工程计算和优化设计提供依据。     

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.     

磁导调制式永磁直线伺服电机的设计

为了削弱永磁直线伺服电机端部效应引起的推力波动,本文提出了基于磁导调制的永磁直线伺服电机设计方法。电机的初级采用开口槽,利用齿槽磁导与端部磁导相调制,使总磁导波均匀分布在奇数个永磁体磁极内。将磁导调制方法与分数槽绕组理论有机结合应用于永磁直线伺服电机的设计中,电机的初级绕组采用单齿集中成型线圈,具有短距与分布效应,且有工艺性好、绕组端部短、推力密度高的特点,有效地削弱了永磁直线伺服电机端部效应引起的推力波动。文中给出了磁导调制式永磁直线伺服电机设计方法的一般规则,并给出了一个每相2绕组的直线电机算例,样机的分析计算验证了所述方法的正确性。     

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。     

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。     

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。