机床用永磁直线同步电机推力波动的优化设计

永磁直线同步电机正在越来越广泛应用在高精度数控机床上.推力波动是影响机床系统运动精度和定位精度的主要因素.因此减小推力波动是永磁直线同步电机优化设计的重要任务.以一台有铁心PMLSM为例,首先对端部效应力,齿槽效应力分别加以分析,通过优化初级长度,优化两个端部齿的形状,优化绕组形式,优化次级磁钢偏斜角度,并用Ansoft进行仿真,比较切向力和法向力的波动变化,最终以优化后的参数制作了验证样机.     

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。     

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.     

双三相永磁直线同步电机的推力波动及抑制

基于有限元模型,分析了双三相永磁直线同步电机的推力波动,其包括两个由直线结构引起的分量,一个分量是由铁心开断引起的磁路不对称所产生,另一个分量由绕组空间位置不对称引起的电感不对称所产生.针对前者,采用优化铁心边端齿的方法来抑制;针对后者,则提出不等匝数绕组结构来抑制,并通过优化得出了性能最佳的匝数配合.最后,计算优化的电机结构每相绕组自感和互感,显示了电感对称性得到了提高,表明该方法能降低推力波动.最后通过样机验证了模型的准确性.     

永磁开关磁链直线电机若干优化设计方法

永磁开关磁链直线电机除具有常规永磁直线电机的优点外,还具有显著的成本优势,因此具有很好的应用前景。本文在简要说明该类电机的基本结构与原理之后,指出通过合理调整初级与次级铁心的外形尺寸来减小反电动势谐波含量与电机推力波动,采用磁桥结构提高弱磁控制能力和初级铁心机械强度,借鉴旋转电机齿槽力矩的抑制方法来削弱推力波动的齿槽效应成分,并提出辅助齿结构来有效削弱推力波动的端部效应成分,最后还给出了一种模块化结构形式来提高电机的容错性以及边端线圈与内部线圈的对称性。     

E型铁心开关磁通电机的电磁性能解析计算

由于复杂磁路的影响,开关磁通电机电磁性能的解析计算是个难点。采用子域法,通过子域划分、建立偏微分方程与通解、确立边界条件和积分常数求解等步骤建立E型铁心结构开关磁通电机的解析模型,计算得到了各子域矢量磁位、磁通密度、绕组磁链、电动势和电磁转矩,分析了不同定转子极数组合对绕组电动势和齿槽转矩的影响,得到了合适的极数组合。与有限元法计算结果的对比表明,空载时两者计算结果非常接近,负载时由于电枢反应磁场的影响,与非线性有限元相比,解析法会带来一定误差。虽然该解析模型不能考虑饱和的影响,由于解析法计算速度快,能得到规律性的结论,非常适合电机的初始设计和优化计算。     

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.     

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。     

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。     

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。     

长定子直线同步电机齿槽效应的计算与影响

采用解析算法计算常导高速磁悬浮列车长定子直线同步电机(LSM)的电磁性能,计算模型考虑了长定子的齿槽结构,在LSM的一对极下,沿运动方向建立磁导率方程和励磁磁动势方程,然后根据傅里叶级数展开法求解方程,得到气隙磁通密度沿运动方向的分布,显示了齿槽效应的影响.之后,基于有限元模型计算不同运行速度下齿槽效应对力特性、励磁绕组感应电动势与铁心损耗的影响.结果发现,齿槽效应会导致推力波动增大,励磁绕组中产生感应电压,励磁铁心损耗增大,且随着速度的增加这些影响越明显.     

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。     

一种新型双层绕组无铁心永磁直线电机的优化设计

为了提高推力密度,提出一种新型双层绕组无铁心永磁直线电机(DW-IPMLM),其磁极采用Halbach结构,电枢双层绕组的每层为端部非重叠集中绕组,双层叠置后的绕组系数能与端部重叠的分布绕组相接近。首先,介绍了一种9线圈6磁极新型DW-IPMLM的拓扑模型,随后采用遗传算法优化设计了其结构参数。通过对比不同槽极配合结构的绕组系数,表明提出的9线圈无铁心DW-IPMLM采用6个磁极具有最好的电磁性能。最后,制造了样机来验证分析结果。结果表明,提出的DW-IPMLM避免了端部重叠分布绕组复杂的端部结构,不仅缩小了电机体积,而且有效提升了推力密度。     

基于精确子域模型的永磁直线同步电机空载磁场解析计算

准确计算永磁直线同步电机(PMLSM)磁场分布是得到电机参数及性能的前提,而建立精确的数学模型则是求解电机磁场问题的关键。鉴于PMLSM传统解析理论在齿槽效应对气隙磁场影响的求解上存在局限性,提出PMLSM精确子域模型以得到精确磁场分布。计及永磁体相对磁导率、电机槽深、所有槽与槽之间对磁场分布的相互影响,采用标量磁位分别建立PMLSM永磁体、气隙、槽子域拉普拉斯方程。根据各子域交界面边界条件,基于傅里叶级数法,列出所有边界条件方程组,并建立端部等效模型,求解得到各子域标量磁位和空载磁通密度分布,进而探讨各个齿槽、端部区域对气隙磁场空间分布的影响。有限元结果证明了所用解析方法的准确性。     

基于非线性电感分析的永磁直线同步电机电磁推力特性研究

传统的永磁直线同步电机的电磁推力特性分析,一般采用恒定电感的分析模型,忽略了饱和效应和纵向端部效应。为了分析带负载情况下永磁直线同步电机的电磁推力特点,首先提出了一种考虑端部效应和饱和效应的非线性磁路模型。此模型不仅能计算稳态电感,还能计算电感的瞬态值。通过分析电感随电流、位置的变化规律以及三相电感不相等的现象,获得了基本的电感矩阵。经过dq变换和推力计算,得到了考虑饱和效应、位置变化和纵向端部效应的电磁推力公式。进一步发现直线电机的推力波动主要来自于饱和效应,并且波动的幅值与电流的2次方成正比。这意味着直线电机的推力特性随着负载的增加而恶化。最后采用齿形设计的方法,有效减小推力波动;采用电流环补偿的方法,使速度波动减小了70%。     

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。     

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。     

凹型端齿削弱永磁直线电机端部力波动方法

结合端面磁通函数和虚位移法推导PMLM端部效应产生的单端推力波动和法向力波动的解析表达式,揭示端部效应引起的推力波动和法向力波动的规律。通过对傅里叶级数的分析,提出反相位补偿原理的凹型端齿结构,该结构能消除推力波动和法向力波动的奇次谐波,解决传统的优化动子长度削弱推力波动但带来电机纵向"俯仰运动趋势"的缺点,同时还能消除动子横向"俯仰运动趋势"。最后以齿槽效应较弱的12槽11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削弱端部效应产生的法向力波动和推力波动。     

用ANSYS耦合法对带整流负载的发电机进行电磁分析

在用ANSYS软件对带整流负载的三相同步发电机系统进行电磁分析时,涉及到非线性求解、端部效应和齿槽效应等多方面的问题。先以直接耦合建模的方式作一次计算,获得电机电路数据及电机磁场分布;后以顺序耦合的方式计算电机转子铁心损耗,期间充分考虑了齿槽效应。