車用Halbach圓筒型直線電機(jī)設(shè)計(jì)與分析-彭沖

1、靜思篤行 持中秉正 秋記與你分享彭 沖 重慶大學(xué)車用車用HalbachHalbach圓筒型直線電機(jī)設(shè)計(jì)與分析圓筒型直線電機(jī)設(shè)計(jì)與分析The Analysis and Design of Tubular Linear Actuator motor with Halbach Permanent Magnet Array for Vehicle 二0一五年靜思篤行 持中秉正 秋記與你分享主要內(nèi)容主要內(nèi)容1研究背景與現(xiàn)狀121直線作動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與磁場(chǎng)分析2直線作動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)分析3結(jié)論4靜思篤行 持中秉正 秋記與你分享1.1.研究背景與現(xiàn)狀研究背景與現(xiàn)狀目前，大部分汽車的懸架都為被動(dòng)懸架或是半主動(dòng)懸架1

2、.11.1研究背景研究背景 為使懸架系統(tǒng)適應(yīng)路面的狀況及駕駛環(huán)境的變化，保證懸架系統(tǒng)總是處于最佳減振狀態(tài)，由此提出主動(dòng)懸架。隨著新能源的提出及發(fā)展，電磁主動(dòng)懸架成為了國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)磁懸浮式直線電機(jī)式滾珠絲桿式電磁主動(dòng)懸架類型電磁主動(dòng)懸架類型電磁主動(dòng)懸架靜思篤行 持中秉正 秋記與你分享1.1.研究背景與現(xiàn)狀研究背景與現(xiàn)狀目前，大部分汽車的懸架都為被動(dòng)懸架或是半主動(dòng)懸架1.21.2研究現(xiàn)狀研究現(xiàn)狀 磁懸浮式電磁主動(dòng)懸架是基于磁懸浮技術(shù)提出，目前國(guó)內(nèi)學(xué)者僅對(duì)其進(jìn)行了理論研究； 滾珠絲桿式電磁主動(dòng)懸架是由旋轉(zhuǎn)式電機(jī)與旋轉(zhuǎn)直線轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)組成裝置結(jié)合，東京大學(xué)、上海交通大學(xué)對(duì)此類懸架進(jìn)行了研究；1.1.研究

3、背景與現(xiàn)狀研究背景與現(xiàn)狀靜思篤行 持中秉正 秋記與你分享1.1.研究背景與現(xiàn)狀研究背景與現(xiàn)狀目前，大部分汽車的懸架都為被動(dòng)懸架或是半主動(dòng)懸架1.21.2研究現(xiàn)狀研究現(xiàn)狀直線電機(jī)式電磁主動(dòng)懸架 感應(yīng)直線電機(jī)式電磁主動(dòng)懸架由感應(yīng)電機(jī)演變而來(lái)，其磁場(chǎng)激勵(lì)源為感應(yīng)線圈，國(guó)內(nèi)重慶大學(xué)基于懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)一款感應(yīng)直線電機(jī)； 永磁直線電機(jī)式電磁主動(dòng)懸架采用永磁體提供氣隙磁場(chǎng)產(chǎn)生作動(dòng)力，國(guó)外英國(guó)謝菲爾德大學(xué)王家斌、荷蘭埃因霍芬理工大學(xué)Bart L.J.Gysen、葡萄牙阿爾加維大學(xué)、 國(guó)內(nèi)重慶大學(xué)阮德玉等人對(duì)此類懸架進(jìn)行分析；1.1.研究背景與現(xiàn)狀研究背景與現(xiàn)狀靜思篤行 持中秉正 秋記與你分享2.2.直線作動(dòng)器結(jié)

4、構(gòu)設(shè)計(jì)與磁場(chǎng)分析直線作動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與磁場(chǎng)分析目前，大部分汽車的懸架都為被動(dòng)懸架或是半主動(dòng)懸架2.12.1直線作動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直線作動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直線作動(dòng)器的演變永磁直線作動(dòng)器結(jié)構(gòu)2.2.直線作動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與磁場(chǎng)分析直線作動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與磁場(chǎng)分析靜思篤行 持中秉正 秋記與你分享2.2.直線作動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與磁場(chǎng)分析直線作動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與磁場(chǎng)分析目前，大部分汽車的懸架都為被動(dòng)懸架或是半主動(dòng)懸架2.12.1直線作動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直線作動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)永磁體排列類型軸向排列徑向排列Halbach排列 Halbach特點(diǎn)：一側(cè)磁場(chǎng)增加，另一側(cè)磁場(chǎng)削弱，用于直線作動(dòng)器，消除內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)磁場(chǎng)影響同時(shí)增加氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)度。 永磁體排

5、列類型2.2.直線作動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與磁場(chǎng)分析直線作動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與磁場(chǎng)分析靜思篤行 持中秉正 秋記與你分享2.2.直線作動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與磁場(chǎng)分析直線作動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與磁場(chǎng)分析目前，大部分汽車的懸架都為被動(dòng)懸架或是半主動(dòng)懸架2.12.1直線作動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直線作動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 基于高度集成主動(dòng)輪的直線作動(dòng)器尺寸要求：參數(shù)數(shù)值行程（m）0.15定子安裝長(zhǎng)度（m）0.3作動(dòng)器直徑（m）0.07 直線作動(dòng)器設(shè)計(jì)要點(diǎn)：次級(jí)外徑與初級(jí)外徑比次級(jí)外徑與初級(jí)外徑比值值 、極槽數(shù)、槽型、永磁體排列尺寸、極槽數(shù)、槽型、永磁體排列尺寸2.2.直線作動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與磁場(chǎng)分析直線作動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與磁場(chǎng)分析靜思篤行 持中秉正 秋記與你分

6、享目前，大部分汽車的懸架都為被動(dòng)懸架或是半主動(dòng)懸架2.12.1直線作動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直線作動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作動(dòng)器初步結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)12/10參數(shù)12/10槽高h(yuǎn)s/m0.009每槽匝數(shù)50槽距t/m0.012初級(jí)外徑Ds/m0.07槽肩a/m0.002次級(jí)外徑Dm/m0.038槽口寬b0/m0.004鐵芯長(zhǎng)度/m0.144槽寬b/m0.006氣隙長(zhǎng)度g/m0.001永磁體厚度h/m0.004極距/m0.0144Rsthsbb0hRmg2.2.直線作動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與磁場(chǎng)分析直線作動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與磁場(chǎng)分析靜思篤行 持中秉正 秋記與你分享2.2.直線作動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與磁場(chǎng)分析直線作動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與磁場(chǎng)分析目前，大部分

7、汽車的懸架都為被動(dòng)懸架或是半主動(dòng)懸架2.2Halbach2.2Halbach磁場(chǎng)分析磁場(chǎng)分析 作動(dòng)器分為三個(gè)區(qū)域進(jìn)行解析分析，作動(dòng)器的徑向磁通密度及波形直接影響其饋能特性和電磁力，其解析式為 ：3r3131n=1(r,z)=a(m r)+b(m r)sin(m z)nnnnnBBIBK 作動(dòng)器分為三個(gè)區(qū)域進(jìn)行解析分析，作動(dòng)器的徑向磁通密度及波形直接影響其饋能特性和電磁力，其解析式為 ：3r3131n=1(r,z)=a(m r)+b(m r)sin(m z)nnnnnBBIBK 作動(dòng)器分為三個(gè)區(qū)域進(jìn)行解析分析，作動(dòng)器的徑向磁通密度及波形直接影響其饋能特性和電磁力，其解析式為 ：3r3131n=1

8、(r,z)=a(m r)+b(m r)sin(m z)nnnnnBBIBK 作動(dòng)器分為三個(gè)區(qū)域進(jìn)行解析分析，作動(dòng)器的徑向磁通密度及波形直接影響其饋能特性和電磁力，其解析式為 ：3r3131n=1(r,z)=a(m r)+b(m r)sin(m z)nnnnnBBIBK 作動(dòng)器分為三個(gè)區(qū)域進(jìn)行解析分析，作動(dòng)器的徑向磁通密度及波形直接影響其饋能特性和電磁力，其解析式為 ：3r3131n=1(r,z)=a(m r)+b(m r)sin(m z)nnnnnBBIBK 作動(dòng)器分為三個(gè)區(qū)域進(jìn)行解析分析，作動(dòng)器的徑向磁通密度及波形直接影響其饋能特性和電磁力，其解析式為 ：3r3131n=1(r,z)=a(m

9、 r)+b(m r)sin(m z)nnnnnBBIBK 采用Ansoft軟件建立對(duì)應(yīng)有限元模型，選取牌好為DW360硅鋼片疊制成初級(jí)磁鋼以降低渦流損耗 ，永磁體選用NdFe35 以保證氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)度。00.0050.010.0150.020.0250.03-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.8軸向距離（單位：m）徑向磁通密度（單位：T） 理論值FEA值2.2.直線作動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與磁場(chǎng)分析直線作動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與磁場(chǎng)分析靜思篤行 持中秉正 秋記與你分享3 3直線作動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)分析直線作動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)分析目前，大部分汽車的懸架都為被動(dòng)懸架或是半主動(dòng)懸架3.13.1永磁體結(jié)構(gòu)參數(shù)分析永

10、磁體結(jié)構(gòu)參數(shù)分析 永磁體是作動(dòng)器勵(lì)磁源，其對(duì)氣隙磁場(chǎng)的影響是分析主要內(nèi)容，由徑向磁通密度解析過(guò)程知其影響因素有：極距、徑向極距、徑向磁體軸向長(zhǎng)度、軸向磁體軸向長(zhǎng)度、永磁體厚度磁體軸向長(zhǎng)度、軸向磁體軸向長(zhǎng)度、永磁體厚度、永磁體剩磁和相對(duì)磁導(dǎo)率 。磁場(chǎng)大小評(píng)價(jià)指標(biāo)：磁場(chǎng)諧波大小評(píng)價(jià)指標(biāo)：1rnnaveBBn221HnnGTHDG平均徑向磁通密度： 諧波總分量THD值： 3 3直線作動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)分析直線作動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)分析靜思篤行 持中秉正 秋記與你分享3 3直線作動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)分析直線作動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)分析目前，大部分汽車的懸架都為被動(dòng)懸架或是半主動(dòng)懸架3.13.1永磁體結(jié)構(gòu)參數(shù)分析永磁體結(jié)構(gòu)參數(shù)分析 永

11、磁體厚度只對(duì)徑向磁場(chǎng)大小有影響， 隨永磁體厚度變化曲線為：aveB0.0040.0060.0080.010.0120.0140.0160.30.320.340.360.380.40.420.440.46永磁體厚度（單位：m）極距平均徑向磁通密度（單位：T） 理論值FEA值徑向充磁永磁體長(zhǎng)度：0.0072m軸向充磁永磁體長(zhǎng)度：0.0072m徑向充磁軸向長(zhǎng)度對(duì)磁場(chǎng)的影響00.0050.010.0150.220.240.260.280.30.32極距平均徑向磁通密度（單位：T）徑向充磁軸向長(zhǎng)度（單位：m） 理論值FEA值永磁體厚度：0.004m00.0050.010.0151015202530354

12、04550諧波分量THD值（單位：%）徑向充磁軸向長(zhǎng)度（單位：m） 理論值FEA值永磁體厚度：0.004maveB隨徑向充磁軸向長(zhǎng)度變化曲線 THD隨徑向充磁軸向長(zhǎng)度變化曲線 3 3直線作動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)分析直線作動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)分析靜思篤行 持中秉正 秋記與你分享3 3直線作動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)分析直線作動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)分析目前，大部分汽車的懸架都為被動(dòng)懸架或是半主動(dòng)懸架3.13.1永磁體結(jié)構(gòu)參數(shù)分析永磁體結(jié)構(gòu)參數(shù)分析分析結(jié)果： THDBave和極值表0.0072/0.0072mrmzmm0.0096/0.0048mrmzmm0.003/0.0114mrmzmmTHDBave指標(biāo)名稱14.6%26.8%37.3

13、%（單位：T）0.30930.31950.266考慮THDmmr0072. 0mmz0072. 0值，選取，為作動(dòng)器永磁體軸向尺寸 ；0123456789101100.10.20.30.40.50.60.70.80.91THD=14.6%0.517%14.1%諧波次數(shù)占基波百分比00.0050.010.0150.020.0250.03-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.6軸向距離（單位：m）徑向磁通密度（單位：T） 理論值FEA值0.0072mrm0.0072mzm磁通密度波形 0.0072mrm0.0072mzm各階諧波分量3 3直線作動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)分析直線作動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)分析靜思

14、篤行 持中秉正 秋記與你分享3 3直線作動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)分析直線作動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)分析目前，大部分汽車的懸架都為被動(dòng)懸架或是半主動(dòng)懸架3.23.2基于空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)槽形結(jié)構(gòu)分析基于空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)槽形結(jié)構(gòu)分析 基于空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，對(duì)槽形尺寸進(jìn)行優(yōu)化，以提高空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，降低諧波分量為目標(biāo)，以增強(qiáng)直線作動(dòng)器的能量回收能力，減小電磁推力的波動(dòng)。槽型結(jié)構(gòu)： 由槽型結(jié)構(gòu)圖，鐵芯厚度，槽口寬和鐵芯后部厚度為槽型結(jié)構(gòu)分析主要內(nèi)容。3 3直線作動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)分析直線作動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)分析靜思篤行 持中秉正 秋記與你分享3 3直線作動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)分析直線作動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)分析目前，大部分汽車的懸架都為被動(dòng)懸架或是半主動(dòng)懸架3.2

15、3.2基于空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)槽形結(jié)構(gòu)分析基于空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)槽形結(jié)構(gòu)分析分析結(jié)果：各槽口寬對(duì)應(yīng)空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)曲線 各鐵芯后部厚度對(duì)應(yīng)空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)曲線 各鐵芯中部厚度對(duì)應(yīng)空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)曲線 由分析結(jié)果知:改變槽口寬和鐵芯后部厚度，對(duì)空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)影響不大 ,但鐵芯厚度變對(duì)空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)具有較大影響。3 3直線作動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)分析直線作動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)分析靜思篤行 持中秉正 秋記與你分享3 3直線作動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)分析直線作動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)分析目前，大部分汽車的懸架都為被動(dòng)懸架或是半主動(dòng)懸架3.23.2基于空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)槽形結(jié)構(gòu)分析基于空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)槽形結(jié)構(gòu)分析 由上圖可知:改變鐵芯厚度，可顯著增加空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，

16、但當(dāng)鐵芯厚度達(dá)到一定值以后，空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值，THD 值隨鐵芯厚度增加降低，當(dāng)達(dá)到一定值后趨于平穩(wěn)。其原因在于，隨厚度增加，鐵芯由飽和到未飽和狀態(tài)，未飽和之前，多余磁力線未能通過(guò)鐵芯導(dǎo)致低感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和高THD值。0123456x 10-31015202530354045鐵芯中部厚度（單位：m）THD值槽口寬：0.0024m鐵芯后部厚度：0.003m各鐵芯中部厚度對(duì)應(yīng)空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)RMS值 各鐵芯中部厚度對(duì)應(yīng)空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)THD值3 3直線作動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)分析直線作動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)分析靜思篤行 持中秉正 秋記與你分享3 3直線作動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)分析直線作動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)分析目前，大部分汽車的懸架都

17、為被動(dòng)懸架或是半主動(dòng)懸架3.23.2基于空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)槽形結(jié)構(gòu)分析基于空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)槽形結(jié)構(gòu)分析 充分利用作動(dòng)器空間，綜合考慮，取鐵芯厚度為0.003m，槽口寬為0.0024m和鐵芯后部厚度為0.003m。參數(shù)修改前后感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)變化：00.0050.010.0150.020.0250.03-20-15-10-505101520軸向位移（單位：m）空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)(單位：V) 分析修改前分析修改后分析發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)提高22.7%，但諧波分量增加8.3%，說(shuō)明饋能特性的增加會(huì)對(duì)電磁力波動(dòng)有一定影響。3 3直線作動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)分析直線作動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)分析靜思篤行 持中秉正 秋記與你分享3 3直

18、線作動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)分析直線作動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)分析目前，大部分汽車的懸架都為被動(dòng)懸架或是半主動(dòng)懸架3.33.3直線作動(dòng)器電磁力直線作動(dòng)器電磁力特性特性 對(duì)已確定電磁作動(dòng)器結(jié)構(gòu)通入電流進(jìn)行瞬態(tài)分析，取定子動(dòng)子相對(duì)速度0.6m/s，保證氣隙磁場(chǎng)和線圈磁場(chǎng)同步變化取電流頻率20.833Hz，分析結(jié)果：00.010.020.030.040.050.060.070.080.090.1050100150200250300350400時(shí)間（單位：s）作動(dòng)器電磁力（單位：N） 初始結(jié)構(gòu)尺寸分析后結(jié)構(gòu)尺寸 由圖可知：在初始結(jié)構(gòu)尺寸下，電磁力在217.92N附近波動(dòng)，波動(dòng)比為40.23%，參數(shù)優(yōu)化后，平均值提高了107.58N，推力平均值達(dá)到323.5N，其波動(dòng)比為18.8%。 3 3直線作動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)分析直線作動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)分析靜思篤行 持中秉正 秋記與你分享4 4結(jié)論結(jié)論目前，大部分汽車的懸架都為被動(dòng)懸架或是半主動(dòng)懸架（1） 基于Halbach陣列設(shè)計(jì)了