Halbach阵列永磁球形电动机三维磁场分析

论文摘要

随着机器人等高新技术的发展,能够实现三自由度运动的永磁球形电动机成为了研究热点。但是,该类电机特有的球形结构,无法照搬传统电机的研究方法与经验,其研究具有开拓性和前沿性。目前,永磁球形电动机还处于理论探索阶段,主要研究内容局限为电磁模型、运动学模型及动力学模型的理论推导与计算。从当前的研究结果来看,电机的力能指标不高,矩角特性需要改进。本论文提出了一种Halbach阵列永磁球形电动机,给出了其基本结构和工作原理。应用球谐函数理论,对Halbach阵列永磁球形电动机磁场的基波和谐波分量进行了分析,得到了磁场解析模型。研究了Halbach阵列永磁球形电动机转子磁体厚度、磁体纬度角及磁化方式对气隙磁场的影响。并与平行充磁磁体结构产生的磁场进行了比较分析,研究结果表明Halbach阵列永磁球形电动机可以明显改善球形电动机的性能。作为对解析法的一个验证及补充,本论文基于有限元法对永磁球形电动机不同转子磁体结构产生的磁场进行了分析,有限元法得到的结果与解析法得到的结果是一致的。分析了不同磁体结构转子磁体厚度、转子芯磁导率及定子芯磁导率对气隙磁场的影响,并对不同转子磁体结构产生的磁场谐波含量进行了比较。采用解析法得到了Halbach阵列永磁球形电动机的反电动势模型和转矩模型。对不同转子磁体结构永磁球形电动机产生的转矩进行了比较分析,并将有限元法与解析法得到的转矩结果进行了对比。最后就球面Halbach阵列磁极的实现方法进行了讨论。根据球面转子磁极的空间分布特点,提出了几种球面多层Halbach阵列转子磁体结构。对球面多层Halbach阵列转子磁体结构的充磁方案及其磁化规律进行了详细的讨论。采用有限元法对各种球面多层Halbach阵列转子磁体结构产生的磁场分布进行了比较,并讨论了磁体结构参数对磁场分布的影响。基于磁场解析模型,研究了Halbach阵列永磁球形电动机转子的位置检测问题。采用三维磁感应强度传感器测量气隙磁场的三个分量,根据电机的磁场模型和旋转变换关系,建立了磁场三维测量值与电机转子旋转角度的关系,进而辨识出电机转子的位置信息。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 球形电动机的研究进展及存在的问题
• 1.2.1 国外球形电动机的发展状况
• 1.2.2 我国球形电动机的研究进展
• 1.3 Halbach 阵列电机的特点及研究现状
• 1.3.1 Halbach 阵列直线磁体
• 1.3.2 Halbach 阵列平面磁体
• 1.3.3 Halbach 阵列环面磁体
• 1.4 论文主要研究内容
• 第二章 基于解析法的Halbach 阵列永磁球形电动机磁场分析
• 2.1 Halbach 阵列永磁球形电动机的基本结构及工作原理
• 2.2 基于球谐函数理论的Halbach 阵列永磁球形电动机磁场分析
• 2.2.1 球谐函数的基本理论
• 2.2.2 Halbach 阵列永磁球形电动机的磁场计算
• 2.3 平行充磁磁体结构球形电动机磁场分析
• 2.4 电机参数对磁场分布的影响
• 2.4.1 单块磁体径向充磁位置对永磁球形电动机磁场的影响
• 2.4.2 Halbach 阵列磁化方式对永磁球形电动机磁场的影响
• 2.4.3 Halbach 阵列永磁球形电动机结构参数对磁场分布的影响
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于有限元法的Halbach 阵列永磁球形电动机磁场分析
• 3.1 永磁球形电动机磁场分析的理论基础
• 3.1.1 有限元法基本原理
• 3.1.2 永磁球形电动机的有限元模型
• 3.2 转子采用径向充磁的球形电动机磁场分析
• 3.2.1 结果分析
• 3.2.2 电机参数对气隙磁通密度的影响
• 3.3 转子采用平行充磁的球形电动机磁场分析
• 3.3.1 结果分析
• 3.3.2 电机参数对气隙磁通密度的影响
• 3.4 转子采用Halbach 阵列充磁的球形电动机磁场分析
• 3.4.1 结果分析
• 3.4.2 电机结构参数对气隙磁通密度的影响
• 3.5 几种磁体结构比较
• 3.6 本章小结
• 第四章 Halbach 阵列永磁球形电动机反电动势及转矩模型计算
• 4.1 Halbach 阵列永磁球形电动机反电动势计算
• 4.1.1 Halbach 阵列永磁球形电动机中的坐标变换
• 4.1.2 Halbach 阵列永磁球形电动机反电动势模型
• 4.2 基于洛仑兹力法的Halbach 阵列永磁球形电动机转矩模型
• 4.2.1 Halbach 阵列永磁球形电动机转矩产生原理
• 4.2.2 电机转矩的几种计算方法
• 4.3 Halbach 阵列永磁球形电动机转矩的解析法分析
• 4.3.1 Halbach 阵列永磁球形电动机转矩的解析模型
• 4.3.2 不同磁体结构永磁球形电动机产生的转矩比较分析
• 4.4 Halbach 阵列永磁球形电动机转矩的有限元法分析
• 4.4.1 不同磁体结构永磁球形电动机产生的转矩比较分析
• 4.4.2 电机参数对转矩的影响
• 4.5 Halbach 阵列磁体的实现方法
• 4.6 本章小结
• 第五章 球面多层Halbach 阵列永磁球形电动机的磁场研究
• 5.1 球面多层Halbach 阵列磁体结构a
• 5.1.1 磁体结构及磁化方向
• 5.1.2 磁化原理
• 5.1.3 磁场分析
• 5.2 球面多层Halbach 阵列磁体结构b
• 5.2.1 磁体结构及磁化方向
• 5.2.2 磁场分析
• 5.3 球面多层Halbach 阵列磁体结构c
• 5.4 本章小结
• 第六章 Halbach 阵列永磁球形电动机转子位置检测
• 6.1 球形电动机转子位置检测方法
• 6.2 基于三维磁场解析解的转子位置检测方法
• 6.2.1 位置辨识策略
• 6.2.2 仿真研究
• 6.3 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢