Halbach陣列永磁球形電動機三維磁場分析.pdf

1、隨著機器人等高新技術(shù)的發(fā)展，能夠?qū)崿F(xiàn)三自由度運動的永磁球形電動機成為了研究熱點。但是，該類電機特有的球形結(jié)構(gòu)，無法照搬傳統(tǒng)電機的研究方法與經(jīng)驗，其研究具有開拓性和前沿性。目前，永磁球形電動機還處于理論探索階段，主要研究內(nèi)容局限為電磁模型、運動學模型及動力學模型的理論推導與計算。從當前的研究結(jié)果來看，電機的力能指標不高，矩角特性需要改進。 本論文提出了一種Halbach陣列永磁球形電動機，給出了其基本結(jié)構(gòu)和工作原理。應(yīng)用球諧函數(shù)理

2、論，對Halbach陣列永磁球形電動機磁場的基波和諧波分量進行了分析，得到了磁場解析模型。研究了Halbach陣列永磁球形電動機轉(zhuǎn)子磁體厚度、磁體緯度角及磁化方式對氣隙磁場的影響。并與平行充磁磁體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的磁場進行了比較分析，研究結(jié)果表明Halbach陣列永磁球形電動機可以明顯改善球形電動機的性能。 作為對解析法的一個驗證及補充，本論文基于有限元法對永磁球形電動機不同轉(zhuǎn)子磁體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的磁場進行了分析，有限元法得到的結(jié)果與解析法得

3、到的結(jié)果是一致的。分析了不同磁體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子磁體厚度、轉(zhuǎn)子芯磁導率及定子芯磁導率對氣隙磁場的影響，并對不同轉(zhuǎn)子磁體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的磁場諧波含量進行了比較。 采用解析法得到了Halbach陣列永磁球形電動機的反電動勢模型和轉(zhuǎn)矩模型。對不同轉(zhuǎn)子磁體結(jié)構(gòu)永磁球形電動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩進行了比較分析，并將有限元法與解析法得到的轉(zhuǎn)矩結(jié)果進行了對比。最后就球面Halbach陣列磁極的實現(xiàn)方法進行了討論。 根據(jù)球面轉(zhuǎn)子磁極的空間分布特點，提出了幾種球

4、面多層Halbach陣列轉(zhuǎn)子磁體結(jié)構(gòu)。對球面多層Halbach陣列轉(zhuǎn)子磁體結(jié)構(gòu)的充磁方案及其磁化規(guī)律進行了詳細的討論。采用有限元法對各種球面多層Halbach陣列轉(zhuǎn)子磁體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的磁場分布進行了比較，并討論了磁體結(jié)構(gòu)參數(shù)對磁場分布的影響。 基于磁場解析模型，研究了Halbach陣列永磁球形電動機轉(zhuǎn)子的位置檢測問題。采用三維磁感應(yīng)強度傳感器測量氣隙磁場的三個分量，根據(jù)電機的磁場模型和旋轉(zhuǎn)變換關(guān)系，建立了磁場三維測量值與電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)