Halbach型磁体阵列永磁平面电机的基础研究

发布时间：2017-08-10 19:47

  本文关键词：Halbach型磁体阵列永磁平面电机的基础研究

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【摘要】：随着精密加工行业的发展,对精密定位平台提出了更高的要求。平面电机是一种新型的二维平面运动装置,与传统的二维平面运动装置相比,它定位精度高,反应速度快,由于减少了传动装置,还具备了能量损耗小的优点,十分适合需要高精密定位平台的领域。本文面向真空环境下工作的精密定位平台对永磁悬浮型平面电机的需求,提出了一种永磁悬浮平面电机,能够为在真空环境下工作的精密定位平台提供稳定的悬浮力。首先,综合国内外已经研发的平面电机提出了Y型的平面电机,该平面电机由三组直线驱动单元构成,其中动子为Halbach磁体阵列,定子为集中型两相绕组。其次,建立平面电机的数学模型,选择矢量磁位和边界条件,利用等效磁化强度法对永磁体阵列产生的磁场进行解析,利用Maxwell方程组计算出气隙的磁感应强度表达式,进一步推导出反电动势和电机推力的解析表达式,为电流的分配与解耦打下基础。第三,对平面电机进行有限元仿真,建立Halbach磁体阵列的二维仿真模型,通过有限元分析研究永磁阵列的气隙磁场强度。确定平面电机各部分的尺寸,主要包括磁钢的充磁厚度与宽度、轭板的厚度、线圈的宽度与高度、线圈线径的大小等。建立平面电机的仿真模型,研究空载气隙磁场的均匀性,负载气隙磁场的变化,以及空载反电动势的波形,动子的静态推力特性,运用dq0解耦法求出推动电机平稳运动的交变电流。最后,制作平面电机样机,制作Halbach磁体阵列,对线圈的电阻与电感进行检测,得到线圈的电阻值平均为11.36Ω,电感平均值为12.27mh,验证了线圈的对称性。利用平面电机做电流与负载的对应实验,得到的实验结果显示电机的推力线性度良好。利用实验室现有的大行程导轨进行磁场分布实验,得到的结果显示磁场的波峰值为450m T,周期为40mm;进行空载反电动势波形实验,得到的波形周期为200ms,波峰值为1.4V,曲线接近正弦。
【关键词】：Halbach磁体阵列 平面电机 数学模型 有限元分析
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM351
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第1章 绪论9-21
• 1.1 课题背景和研究意义9-10
• 1.2 平面电机国内外研究现状10-18
• 1.2.1 磁悬浮平面电机研究现状10-15
• 1.2.2 变磁阻型平面电机15-17
• 1.2.3 平面感应电机17-18
• 1.3 永磁平面电机性能研究方法现状18-19
• 1.4 本文主要研究内容19-21
• 第2章 磁悬浮平面电机的本体结构设计21-29
• 2.1 引言21
• 2.2 磁悬浮平面电机的基本结构21-23
• 2.2.1 磁悬浮平面电机的分类介绍21
• 2.2.2 磁悬浮平面电机的结构设计21-22
• 2.2.3 磁悬浮平面电机的工作原理22-23
• 2.3 磁钢结构设计23-25
• 2.3.1 Halbach阵列简介23-25
• 2.3.2 永磁材料的选取25
• 2.4 绕组线圈结构设计25-28
• 2.5 平面电机的设计原则28
• 2.6 本章小结28-29
• 第3章 平面电机的数学模型分析29-38
• 3.1 引言29
• 3.2 平面电机的电磁场理论基础29-30
• 3.3 建立磁体阵列的物理模型30
• 3.4 空载气隙磁场的解析分析30-32
• 3.5 空载反电动势与电磁推力的解析表达式32-35
• 3.5.1 空载反电动势的解析表达式32-34
• 3.5.2 电磁推力的解析表达式34-35
• 3.6 线圈的解析计算35-37
• 3.7 本章小结37-38
• 第4章 平面电机的有限元分析38-53
• 4.1 引言38
• 4.2 二维有限元仿真模型的建立38-45
• 4.2.1 静态特性的仿真39-40
• 4.2.2 Halbach磁体阵列磁钢尺寸的选择40-42
• 4.2.3 轭板的选择42-45
• 4.3 三维有限元仿真模型的建立45-48
• 4.3.1 建立仿真模型45-46
• 4.3.2 选取模型材料46
• 4.3.3 剖分求解区域46-47
• 4.3.4 边界条件设置47-48
• 4.4 静态模型仿真结果及分析48-51
• 4.4.1 空载气隙磁场48
• 4.4.2 负载气隙磁场48-49
• 4.4.3 静态-推力特性49-50
• 4.4.4 绕组电流对电机推力的影响50-51
• 4.5 动态模型仿真结果及分析51-52
• 4.5.1 空载反电动势曲线51-52
• 4.5.2 交变电流推力曲线52
• 4.6 本章小结52-53
• 第5章 实验与分析53-61
• 5.1 引言53
• 5.2 平面电机样机的制作53-54
• 5.3 电阻和电感测量54-55
• 5.4 磁感应强度分布测试及数学模型确定55-56
• 5.5 空载反电动势测试56-58
• 5.6 静态推力测试58-60
• 5.7 本章小结60-61
• 结论61-62
• 参考文献62-66
• 致谢66

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 李振波,张琛;遗传算法在超微电动机参数优化设计中的应用[J];上海交通大学学报;1999年10期

2 寇宝泉;张赫;潘东华;张鲁;李立毅;;平面电动机的发展现状(Ⅱ)[J];微特电机;2011年02期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 王秀莲;无铁心永磁电机三维开域磁场计算与分析[D];沈阳工业大学;2006年

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本文编号：652369