三段式Halbach阵列永磁电机解析建模与研究

针对传统子域模型在分析电机电磁性能时无法考虑软磁材料磁导率的缺陷,提出了一种考虑软磁材料磁导率为具体值的三段式Halbach阵列永磁电机多层解析模型。根据内部激励源和媒介的不同,将永磁电机全域划分成Halbach阵列永磁体层、气隙层、定子齿尖层和电枢绕组层4类磁场求解层。利用柯西乘积和复数形式的傅里叶级数来描述磁场求解层中媒介磁导率分布情况。基于麦克斯韦方程组建立了每个磁场求解层的拉普拉斯方程或泊松方程,结合边界条件求解出每个磁场求解层的磁矢位。利用多层解析模型计算了电机的气隙磁密、空载反电动势和输出转矩等电磁特性,并与有限元模型计算结果进行了对比。计算结果表明：多层解析模型和有限元模型计算得到的气隙磁密波形吻合得很好,两者的空载反电动势峰值和输出转矩平均值的相对误差均小于1%,证明了多层解析模型的正确性。最后利用多层解析模型研究了槽开口宽度、磁极宽度和充磁夹角对电机输出转矩的影响规律,给出了输出转矩最优的设计方案。仿真结果表明：优化后的输出转矩脉动削减了75.7%,证明所提出的多层解析模型不仅计算准确而且计算速度快,在电机的初始设计和电磁性能影响规律的探究上具有明显的优势。     

超磁致伸缩执行器动力学模型及数值模拟

为提高超磁致伸缩执行器的控制精度,实现亚微米级的驱动与控制,准确描述执行器的动力学特性是关键环节之一.为建立超磁致伸缩执行器的动力学特性的数学模型,将Terfenol-D 棒作为粘弹性杆连续系统,将Terfenol-D棒在磁场驱动下产生的应变等效为磁-机械转换等效力,建立了执行器系统的一维波动方程,并采用有限元解法求解.模型的计算求解采用迭代方法,易于实现计算机控制.利用Matlab 7.0对不同频率等幅磁场驱动下Terfenol-D棒内的磁场-位移(H-u)曲线进行数值模拟仿真,仿真计算值与实验值误差在10%以内,表明建立的动力学模型能较好地反映磁致伸缩执行器的动力学特性.     

增强型电磁驱动装置瞬态磁场分析

 基于ANSYS有限元仿真平台的动网格技术,建立了三维增强型电磁驱动装置有限元模型。结合440 kA发射条件下增强型电磁驱动装置附近的空间磁场分布,验证了模型的可靠性。结合模型开展仿真,获得了增强型电磁驱动装置内膛中轴线上磁场的分布规律,以及电磁驱动装置径向磁场在空间的衰减规律。指出电流峰值时刻,电枢前端的磁感应强度随着距离增大先增大,而后趋于不变。在模型中,可认为电枢前端磁场最大为2.3~3.3 T。     

电磁弹射用变极距直线电机电感参数分析

为了分析极距变化型直线电机的驱动特性,通过建模仿真方法研究了变极距直线感应电机绕组电感特性。设计极距变化型长初级短次级直线感应电机,永磁体次级位于双边初级中,通过连接装置连接待弹射物体,完成弹射加速任务。直线感应电机初级绕组线圈采用分段供电模式,提高电磁弹射过程能源利用率。仿真分析极距值对初级线圈绕组自感和互感参量影响。建立有限元仿真分析模型,分析极距变化型直线感应电机磁场情况。结果表明绕组自感值和互感值在高频区域趋向于恒定。可见增加电磁弹射频率有利于电磁弹射任务的完成,模型的分析为变极距直线感应电机运用奠定理论基础。     

基于等效面磁荷的缆索闭合式磁化解析模型

针对缆索磁性检测中大直径缆索深层次钢丝磁化的难题,建立了缆索闭合磁化解析模型,研究缆索磁化规律．提出一种穿过闭合式磁化器的轴对称模型,采用等效面磁荷法对永磁体进行等效,并应用截断区域特征函数展开法和传递矩阵求解磁标位方程,得到磁场的空间解析表达式,该模型可用于求解缆索内部磁场分布．与有限元仿真结果的对比显示：当使用解析模型计算磁化器两磁极中间区域磁场时,轴向磁感应强度的相对计算误差不大于3%,径向磁感应强度不大于12%,表明使用该模型计算缆索内部磁场是可行的．     

永磁三自由度电机的磁场分析与电磁计算

为解决现有驱动装置在多刚体耦连系统的复杂运动协调性偏差、灵活性较低等问题,提出一种新式永磁三自由度电机的结构设计,区分为内侧偏转模块和外围自转模块,其运行策略可分为独立控制型与混合驱动式。首先对比了不同充磁方式下的电磁损耗,并利用Halbach阵列的强力聚磁与磁路屏蔽的效果,对电机自转永磁体磁场特性进行优化与完善。结合电机的有限元结构,在静态磁场下了分析了自转与偏转磁场的各类特性参数。并于瞬态磁场下求解了电机自转与偏转空载运行时的转矩,均符合预期要求,同时计算了电机自转运行的反电动势与磁链,仿真结果证实了两类模块独立控制的可行性与正确性。     

互感耦合开关磁阻电机的等效磁路模型与有限元分析

基于互感耦合开关磁阻电机(MCSRM)的结构和运行原理,利用等效磁路法,建立了电机的等效磁路模型.在一个相周期内对气隙磁导进行了分解计算,利用高斯-赛德尔迭代法求解了非线性磁通矩阵方程,获得了电机的磁链及矩角特性,并进一步利用非线性磁参数法对电机的稳态运行性能进行分析.该模型的计算速度要远高于有限元方法,适合进行电机的初始设计.在此基础上,利用有限元软件从电磁场分析的角度计算了电机的电磁特性,结果表明,该模型计算结果的误差不超过20%,验证了模型的正确性.该数学模型为MCSRM的深入研究奠定了良好的基础.     

线性压缩机用动磁式直线电动机

研制了一种新型直线压缩机驱动用动磁式直线振动电动机.建立了电动机磁路物理模型,并对磁路数学模型、电动机动子动力学模型和驱动电路模型进行了求解,得到了驱动电压与动子位移关联式,分析了电动机参数对动子运动特性和电动机性能的影响.运用电磁场有限元方法对动磁式直线电动机电磁场模型求解,磁通分布揭示了电磁力产生机理;运用直线电动机样机静态特性实验数据验证了数值分析的有效性.数据分析揭示了动磁式直线电动机力-位移-电流之间的关系,为压缩机和电动机控制系统设计奠定了基础.     

分数槽Halbach永磁直线同步电机磁场解析计算

分数槽Halbach永磁直线同步电机(fractional-slot Halbach permanent magnet linear synchronous motor,FH-PMLSM)的次级永磁体采用Halbach阵列,初级绕组采用端部不重叠的集中绕组,与常规的分数槽永磁同步直线电机相比,具有推力密度大、损耗小等优点,适用于长行程、大推力驱动场合。文章在Halbach永磁阵列的电流密度等效基础上,对16极15槽FH-PMLSM建立分层解析模型,利用矢量磁位和边界条件推导出气隙区域、齿槽和永磁体区域磁场的解析公式,并结合分布式卡式系数分析FH-PMLSM励磁磁场的分布,进一步对不同气隙长度的FH-PMLSM的电磁推力进行计算。结果表明:解析计算与有限元计算的磁场结果基本吻合,验证了该解析方法的正确性,为分数槽Halbach永磁同步直线电机的工程分析和优化设计提供了依据。     

大间隙磁力传动系统驱动力矩的计算方法

提出了行波磁场驱动的大间隙磁力传动系统,通过磁场分析,以系统电磁体4个磁极状态之一的NS(电磁体左极表示为N,右极为S)为例,对电磁体的空间磁场分布进行研究,建立了系统空间磁场数学模型;通过数值计算和推导,建立了系统驱动力矩计算模型;以Matlab为平台对大间隙磁力传动系统的驱动力矩计算模型进行解析求解,并应用ANSYS软件对系统的驱动力矩进行仿真.研究结果表明:通过增加线圈匝数、线圈通电电流和永磁体磁化强度,减小电磁体和永磁体间耦合距离,将电磁体和永磁体的相对位置沿y方向两侧(左侧或右侧) 置于5～10 mm范围内等方法,可提高系统的驱动力矩.     

电动车用轮毂电机场路耦合分析

针对电路模拟法和电磁解析法难以准确计及铁磁材料磁导率非线性的影响,以及磁场有限元法难以分析外电路为非标准正弦激励等问题,采用场路耦合法分析电动车用轮毂电机特性,将电磁场有限元方程与外电路方程联立求解,充分考虑外电路中时间谐波电流等非线性因素对磁场的影响,实现电磁场量和电气量的直接耦合。推导轮毂电机电磁场与外电路耦合离散方程、机械运动方程以及功率损耗方程,计算其负载感应电动势和功率损耗,对比分析磁场有限元法和场路耦合法计算结果的差异,并研究轮毂电机功率损耗密度的分布规律。分别采用磁场有限元法和场路耦合法计算在不同工况运行时电机的效率特性,通过样机实验对比分析,结果表明:场路耦合法计算结果更准确,证明所用分析方法的正确性。     

永磁涡流耦合器传递转矩计算方法研究

永磁涡流耦合器作为一种传动装置,传递转矩的有效计算是评价其传动性能的重要指标.针对一台6磁极对数、额定输入转速1450r/min的永磁涡流耦合器,首先,根据耦合器几何结构,采用有限元方法对磁力线走向进行了仿真分析,获得永磁涡流耦合器的磁路分布,进而通过分析漏磁边界条件得到了泄漏磁阻和有效磁动势;其次,建立导体盘涡流的坐标系,根据趋肤深度和安培环路定律,考虑磁场分布的连续性和对称性,构建了耦合器的磁感应强度方程;然后,根据导体盘涡电流密度和电导率的数学关系,同时考虑三维端部效应,得到了传递转矩的解析结果;最后,建立样机试验平台和三维有限元模型对该方法进行验证.结果表明,在一定的转速差范围内,所提计算方法具有较好的精度,相对误差在6%以内.采用该方法对永磁涡流耦合器的设计优化提出了一些合理化建议.     

转子-轴承系统中电磁作动器的Ansys仿真及实验研究

通过有限元软件对电磁作动器进行实验工况下的三维有限元仿真,分析在不同电流和转子定子间气隙下的电磁力;建立了电磁作动器电磁力测量装置,对相应电流和间隙下的电磁力进行静态工况下的测量,验证磁场分析结果的准确性。在此基础上根据模拟数据预测轴承的电流刚度和位移刚度,并分析逐渐增大电流达到磁饱和时电磁力随电流变化规律。研究结果表明,基于Ansys软件的三维有限元分析得出的静态电磁力与实验值相比误差小于10%, Ansys软件能够较准确的模拟电磁轴承静态时的电磁力及相应的电流刚度和位移刚度。     

直线异步电机空载气隙磁场的计算分析

通过二维电磁场分析得到直线异步电机空载时气隙磁场的二维解析公式，并通过有限元数值计算与实验测结果进行对比，验证了该分析方法和结论的正确性。     

基于非线性等效磁路模型的水轮发电机组转子系统电磁磁力减载分析

为提高水轮发电机组转子系统的电磁减载力,充分考虑磁路饱和情况的影响,建立了电磁减载装置的非线性分段等效磁路模型,将粒子群算法应用到该磁路模型的求解中。以HL100-LJ-210水电机组为实例,分析了其电磁减载力随电路的变化规律。通过有限元法验证了该计算方法的可行性;利用该方法对磁路饱和情况进行估计;并针对装置存在的磁饱和问题提出了相应的解决措施,有效地提高了电磁减载力,为改善水轮发电机组推力轴承运行条件提供了理论依据。