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| Halbach阵列永磁直线同步电机推力优化设计(zxj) |
| 2012年5月11日 |
摘要：永磁直线同步电机(PMLsM)的结构参数对电机的力能指标影响很大，为提高PMLsM单位体积推力，需要对PMLsM的参数进行优化。利用An软件下的参数化功能，在保持极距不变的条件下，对Halbach阵列中切向充磁永磁体宽度进行优化，并且进行优化前后的PMLsM磁场和推力比较。结果表明：通过优化，PMLsM单位体积推力有了较大提高，并且优化时间短，优化方法简单，具有实用性。，关键词：Halbach阵列；Ansoft有限元分析；参数化优化0 引 言直线电机因能直接将电能转换为直线运动的机械能并不需要中间转换机构而越来越广泛应用于各种机床和加工中心之中。而PMLsM由于具有推力大、结构简单等优点，主要应用于机床的进给系统。
其中平板式PMLsM最为常用。
直线电机需要有正弦分布的气隙磁密，并月．气隙磁密的基波幅值应足够大以获得更高的功率密度，所以设计电机时须综合考虑气隙磁密基波幅值及其波形的正弦性。影响PIJMsM气隙磁密的主要因素有永磁体结构和形状、定子齿槽、气隙长度、铁心材料等，其中永磁体结构和形状的影响最为主要。Halbach阵列永磁体经合理设计，可获得比常规永磁体更高的气隙磁密基波幅值，并可获得正弦分布的气隙磁密波形。为了使其性能得到进一步提高，对Hahac，h阵列PMLsM进行有限元磁场分析，利用Ansoft软件下的参数化功能，对Hal—bach阵列巾切向充磁永磁体宽度进行优化，以达到提高PMLsM单位体积推力的目的。
1 Halbach阵列分析1979年，美国劳伦斯伯克利国家实验室的物理学家K Halhach博士提出了一种新颖的永磁结构。其原理是将切向和法向充磁的永磁体结合起来，使得磁力线一侧得以汇聚，另一侧得以削弱，从而获得比较理想的单边磁场，将此结构应用于电机中，不仅可以增加气隙磁场强度，而且可以降低铁心损耗，减小轭部厚度，提高电机的动态响应性能。其结构如图l所示。 而理想的直线型Halbach阵列一侧磁密分布是按正弦曲线连续变化，在实际应用中，由于无法实现永磁体的充磁方向的连续变化，常常采用将不同充磁方向的离散磁块拼接在一起近似形成正弦充磁的情况”0。但在实际应用中，这种充磁方向不同的离散磁块的制备工艺存在困难，所以Halbach离散磁快拼接结构的应用受到限制。基于以上原冈，对采用切向充磁永磁体与法向充磁永磁体结合的HaIbach阵列PMLsM进行研究。
国外大多是对采用Halbach阵列的旋转电机进行研究，如文献[5]对比分析了分块式Halbach与理想Hdbach阵列永磁电机(PMsM)各区域的磁场性能；文献[6]在研究每极2块HaIbach型永磁体的PMsM气隙磁密解析模型并且按照传统Halbach充磁夹角充磁的基础l，分析这2片永磁体充磁夹角不同时对电机性能影响，结果表明灾角小时电机力能指标较好，但却以提高永磁体加工复杂性为代价；文献[7]对Halbach阵列PMLsM进行了磁场分析；文献[8]对离散永磁体的充磁角度进行J，研究，而这些论文巾Halbach阵列的永磁体宽度都是相等的，并没有分析切向充磁永磁体宽度改变对PMLsM推力的影响，基于此点，在不改变极距的条件下，利用Anson软件下的参数化功能对切向充磁永磁体宽度进行优化，通过改变永磁体功向宽度达到PMI．sM单位体积推力提高的目的。
2 Halbach阵列PMLsM优化设计利用Anson环境下的参数化功能对PMLsM进行优化。参数化优化方法是指在Anson环境下对已建好模型的某一个或者多个参数进行变量设置，在特定的几何约束条件下，系统自动对每一个变量或者变量组合所对应的电机模型进行有限元分析计算，参数化定义的图形是完全受约束的。采用参数化方法无需多次建模，系统根据变量值和约束条件自动建模，自动进行有限元分析，这样大量节省了人力和时问。
本文对扁平型短初级单边动圈式PMI．sM进行研究，电机采用集ch绕组，电机的结构参数如表1所示。在保证PMLsM极距不变条件下，在0～11．5mm范围内优化Halbach阵列PMLsM中切向充磁永磁体宽度，获得PMLsM单位体积推力****。
2．1基于Anson环境下的有限元参数化电机模型在Anson软件下建立有限元参数化电机模型，与常规有限元建模不同，建立有限元参数化电机模型不仅需要定义变量，而且在施加变量的几何约束时，不能出现实体重叠的现象。结合本文具体研究对象，本文的变量为切向充磁永磁体宽度，对变量施加几何约束，约束条件为PMLSM极距不变。模型如图2所示。
2．2优化结果分析对已建立好的模型指定材料属性、边界条件和源，设定求解参数，对电机进行有限元分析，得出PMLsM推力。由于本文采用了参数化优化方法，系统将自动改变切向充磁永磁体宽度，并对PMLSM进行有限元分析，图3所示为PMLsM产生的推力随切向充磁永磁体宽度变化的关系曲线，其中横坐标x为切向充磁永磁体宽度，纵坐标为PMLsM产生的推力。
从图3中可以看出曲线有两个峰值，即当变量取值为O 69，7112q时，PMLsM产生的推力为675．．558N；当变量取值为7．254 mm时，PMLsM产生的推力为648．128N；采用传统Halbach阵列的PMLSM，其切向充磁和法向充磁的永磁体等宽，对应变量取值为5 75 mm，PMLSM产生的推力为568 023 N，从图中可以看出推力值处于曲线波谷位置，即采用传统Halbach阵列的PMLsM产生的推力小，此结构不是****的永磁体结构。
进一步对PMl5M推力曲线中处于波峰处的不同l刀向充磁永磁体宽度时的气隙磁密和气隙磁密谐波分析比较，如图4(a)、图4(b)和图5(a)、图5(b)所示。
图4(a)和图5(a)是电机工作气隙磁密，图4(a)的气隙磁密波形近似为梯形分布，但图5(a)的气隙磁密波形近似为三角波，波形发生畸变。图4(b)和图5(b)是电机丁作气隙磁密的谐波分量，图5(h)中二次谐波分量占的比例远大于图4(b)中的二次谐波分量比例。变量为0 69 mm时的PMLsM产生的推力大于变量为7 254 mm时的推力，基于以上综合分析，变量为O 69 mm时所对应的H albach阵列切向充磁永磁体结构合理。
3结语本文基于Halbach阵列应用于电机中具有一侧磁场增强另一侧磁场削弱的优点，对Halbach阵列永磁体进行合理设计，使PMLSM单位体积推力得到显著提高。优化前PMLSM的永磁体采用传统Hal—bach阵列排列方式，即切向充磁与法向充磁永磁体等宽，其产生的推力为568．023 N，经有限元参数化优化后，推力为675．558 N，PMLSM产生的推力提高了18．93％。采用参数化方法对永磁直线电机进行优化，优化方法简单，优化时间明显缩短。 |
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