车用Halbach圆筒型直线电机设计与分析-彭冲

1、静思笃行 持中秉正 秋记与你分享彭 冲 重庆大学车用车用HalbachHalbach圆筒型直线电机设计与分析圆筒型直线电机设计与分析The Analysis and Design of Tubular Linear Actuator motor with Halbach Permanent Magnet Array for Vehicle 二0一五年静思笃行 持中秉正 秋记与你分享主要内容主要内容1研究背景与现状121直线作动器结构设计与磁场分析2直线作动器结构参数分析3结论4静思笃行 持中秉正 秋记与你分享1.1.研究背景与现状研究背景与现状目前，大部分汽车的悬架都为被动悬架或是半主动悬架1

2、.11.1研究背景研究背景 为使悬架系统适应路面的状况及驾驶环境的变化，保证悬架系统总是处于最佳减振状态，由此提出主动悬架。随着新能源的提出及发展，电磁主动悬架成为了国内外研究热点磁悬浮式直线电机式滚珠丝杆式电磁主动悬架类型电磁主动悬架类型电磁主动悬架静思笃行 持中秉正 秋记与你分享1.1.研究背景与现状研究背景与现状目前，大部分汽车的悬架都为被动悬架或是半主动悬架1.21.2研究现状研究现状 磁悬浮式电磁主动悬架是基于磁悬浮技术提出，目前国内学者仅对其进行了理论研究； 滚珠丝杆式电磁主动悬架是由旋转式电机与旋转直线转换机构组成装置结合，东京大学、上海交通大学对此类悬架进行了研究；1.1.研究

3、背景与现状研究背景与现状静思笃行 持中秉正 秋记与你分享1.1.研究背景与现状研究背景与现状目前，大部分汽车的悬架都为被动悬架或是半主动悬架1.21.2研究现状研究现状直线电机式电磁主动悬架 感应直线电机式电磁主动悬架由感应电机演变而来，其磁场激励源为感应线圈，国内重庆大学基于悬架系统设计一款感应直线电机； 永磁直线电机式电磁主动悬架采用永磁体提供气隙磁场产生作动力，国外英国谢菲尔德大学王家斌、荷兰埃因霍芬理工大学Bart L.J.Gysen、葡萄牙阿尔加维大学、 国内重庆大学阮德玉等人对此类悬架进行分析；1.1.研究背景与现状研究背景与现状静思笃行 持中秉正 秋记与你分享2.2.直线作动器结

4、构设计与磁场分析直线作动器结构设计与磁场分析目前，大部分汽车的悬架都为被动悬架或是半主动悬架2.12.1直线作动器结构设计直线作动器结构设计直线作动器的演变永磁直线作动器结构2.2.直线作动器结构设计与磁场分析直线作动器结构设计与磁场分析静思笃行 持中秉正 秋记与你分享2.2.直线作动器结构设计与磁场分析直线作动器结构设计与磁场分析目前，大部分汽车的悬架都为被动悬架或是半主动悬架2.12.1直线作动器结构设计直线作动器结构设计永磁体排列类型轴向排列径向排列Halbach排列 Halbach特点：一侧磁场增加，另一侧磁场削弱，用于直线作动器，消除内部结构对磁场影响同时增加气隙磁场强度。 永磁体排

5、列类型2.2.直线作动器结构设计与磁场分析直线作动器结构设计与磁场分析静思笃行 持中秉正 秋记与你分享2.2.直线作动器结构设计与磁场分析直线作动器结构设计与磁场分析目前，大部分汽车的悬架都为被动悬架或是半主动悬架2.12.1直线作动器结构设计直线作动器结构设计 基于高度集成主动轮的直线作动器尺寸要求：参数数值行程（m）0.15定子安装长度（m）0.3作动器直径（m）0.07 直线作动器设计要点：次级外径与初级外径比次级外径与初级外径比值值 、极槽数、槽型、永磁体排列尺寸、极槽数、槽型、永磁体排列尺寸2.2.直线作动器结构设计与磁场分析直线作动器结构设计与磁场分析静思笃行 持中秉正 秋记与你分

6、享目前，大部分汽车的悬架都为被动悬架或是半主动悬架2.12.1直线作动器结构设计直线作动器结构设计作动器初步结构尺寸参数12/10参数12/10槽高hs/m0.009每槽匝数50槽距t/m0.012初级外径Ds/m0.07槽肩a/m0.002次级外径Dm/m0.038槽口宽b0/m0.004铁芯长度/m0.144槽宽b/m0.006气隙长度g/m0.001永磁体厚度h/m0.004极距/m0.0144Rsthsbb0hRmg2.2.直线作动器结构设计与磁场分析直线作动器结构设计与磁场分析静思笃行 持中秉正 秋记与你分享2.2.直线作动器结构设计与磁场分析直线作动器结构设计与磁场分析目前，大部分

7、汽车的悬架都为被动悬架或是半主动悬架2.2Halbach2.2Halbach磁场分析磁场分析 作动器分为三个区域进行解析分析，作动器的径向磁通密度及波形直接影响其馈能特性和电磁力，其解析式为 ：3r3131n=1(r,z)=a(m r)+b(m r)sin(m z)nnnnnBBIBK 作动器分为三个区域进行解析分析，作动器的径向磁通密度及波形直接影响其馈能特性和电磁力，其解析式为 ：3r3131n=1(r,z)=a(m r)+b(m r)sin(m z)nnnnnBBIBK 作动器分为三个区域进行解析分析，作动器的径向磁通密度及波形直接影响其馈能特性和电磁力，其解析式为 ：3r3131n=1

8、(r,z)=a(m r)+b(m r)sin(m z)nnnnnBBIBK 作动器分为三个区域进行解析分析，作动器的径向磁通密度及波形直接影响其馈能特性和电磁力，其解析式为 ：3r3131n=1(r,z)=a(m r)+b(m r)sin(m z)nnnnnBBIBK 作动器分为三个区域进行解析分析，作动器的径向磁通密度及波形直接影响其馈能特性和电磁力，其解析式为 ：3r3131n=1(r,z)=a(m r)+b(m r)sin(m z)nnnnnBBIBK 作动器分为三个区域进行解析分析，作动器的径向磁通密度及波形直接影响其馈能特性和电磁力，其解析式为 ：3r3131n=1(r,z)=a(m

9、 r)+b(m r)sin(m z)nnnnnBBIBK 采用Ansoft软件建立对应有限元模型，选取牌好为DW360硅钢片叠制成初级磁钢以降低涡流损耗 ，永磁体选用NdFe35 以保证气隙磁场强度。00.0050.010.0150.020.0250.03-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.8轴向距离（单位：m）径向磁通密度（单位：T） 理论值FEA值2.2.直线作动器结构设计与磁场分析直线作动器结构设计与磁场分析静思笃行 持中秉正 秋记与你分享3 3直线作动器结构参数分析直线作动器结构参数分析目前，大部分汽车的悬架都为被动悬架或是半主动悬架3.13.1永磁体结构参数分析永

10、磁体结构参数分析 永磁体是作动器励磁源，其对气隙磁场的影响是分析主要内容，由径向磁通密度解析过程知其影响因素有：极距、径向极距、径向磁体轴向长度、轴向磁体轴向长度、永磁体厚度磁体轴向长度、轴向磁体轴向长度、永磁体厚度、永磁体剩磁和相对磁导率 。磁场大小评价指标：磁场谐波大小评价指标：1rnnaveBBn221HnnGTHDG平均径向磁通密度： 谐波总分量THD值： 3 3直线作动器结构参数分析直线作动器结构参数分析静思笃行 持中秉正 秋记与你分享3 3直线作动器结构参数分析直线作动器结构参数分析目前，大部分汽车的悬架都为被动悬架或是半主动悬架3.13.1永磁体结构参数分析永磁体结构参数分析 永

11、磁体厚度只对径向磁场大小有影响， 随永磁体厚度变化曲线为：aveB0.0040.0060.0080.010.0120.0140.0160.30.320.340.360.380.40.420.440.46永磁体厚度（单位：m）极距平均径向磁通密度（单位：T） 理论值FEA值径向充磁永磁体长度：0.0072m轴向充磁永磁体长度：0.0072m径向充磁轴向长度对磁场的影响00.0050.010.0150.220.240.260.280.30.32极距平均径向磁通密度（单位：T）径向充磁轴向长度（单位：m） 理论值FEA值永磁体厚度：0.004m00.0050.010.0151015202530354

12、04550谐波分量THD值（单位：%）径向充磁轴向长度（单位：m） 理论值FEA值永磁体厚度：0.004maveB随径向充磁轴向长度变化曲线 THD随径向充磁轴向长度变化曲线 3 3直线作动器结构参数分析直线作动器结构参数分析静思笃行 持中秉正 秋记与你分享3 3直线作动器结构参数分析直线作动器结构参数分析目前，大部分汽车的悬架都为被动悬架或是半主动悬架3.13.1永磁体结构参数分析永磁体结构参数分析分析结果： THDBave和极值表0.0072/0.0072mrmzmm0.0096/0.0048mrmzmm0.003/0.0114mrmzmmTHDBave指标名称14.6%26.8%37.3

13、%（单位：T）0.30930.31950.266考虑THDmmr0072. 0mmz0072. 0值，选取，为作动器永磁体轴向尺寸 ；0123456789101100.10.20.30.40.50.60.70.80.91THD=14.6%0.517%14.1%谐波次数占基波百分比00.0050.010.0150.020.0250.03-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.6轴向距离（单位：m）径向磁通密度（单位：T） 理论值FEA值0.0072mrm0.0072mzm磁通密度波形 0.0072mrm0.0072mzm各阶谐波分量3 3直线作动器结构参数分析直线作动器结构参数分析静思

14、笃行 持中秉正 秋记与你分享3 3直线作动器结构参数分析直线作动器结构参数分析目前，大部分汽车的悬架都为被动悬架或是半主动悬架3.23.2基于空载感应电动势槽形结构分析基于空载感应电动势槽形结构分析 基于空载感应电动势，对槽形尺寸进行优化，以提高空载感应电动势，降低谐波分量为目标，以增强直线作动器的能量回收能力，减小电磁推力的波动。槽型结构： 由槽型结构图，铁芯厚度，槽口宽和铁芯后部厚度为槽型结构分析主要内容。3 3直线作动器结构参数分析直线作动器结构参数分析静思笃行 持中秉正 秋记与你分享3 3直线作动器结构参数分析直线作动器结构参数分析目前，大部分汽车的悬架都为被动悬架或是半主动悬架3.2

15、3.2基于空载感应电动势槽形结构分析基于空载感应电动势槽形结构分析分析结果：各槽口宽对应空载感应电动势曲线 各铁芯后部厚度对应空载感应电动势曲线 各铁芯中部厚度对应空载感应电动势曲线 由分析结果知:改变槽口宽和铁芯后部厚度，对空载感应电动势影响不大 ,但铁芯厚度变对空载感应电动势具有较大影响。3 3直线作动器结构参数分析直线作动器结构参数分析静思笃行 持中秉正 秋记与你分享3 3直线作动器结构参数分析直线作动器结构参数分析目前，大部分汽车的悬架都为被动悬架或是半主动悬架3.23.2基于空载感应电动势槽形结构分析基于空载感应电动势槽形结构分析 由上图可知:改变铁芯厚度，可显著增加空载感应电动势，

16、但当铁芯厚度达到一定值以后，空载感应电动势达到一个稳定值，THD 值随铁芯厚度增加降低，当达到一定值后趋于平稳。其原因在于，随厚度增加，铁芯由饱和到未饱和状态，未饱和之前，多余磁力线未能通过铁芯导致低感应电动势和高THD值。0123456x 10-31015202530354045铁芯中部厚度（单位：m）THD值槽口宽：0.0024m铁芯后部厚度：0.003m各铁芯中部厚度对应空载感应电动势RMS值 各铁芯中部厚度对应空载感应电动势THD值3 3直线作动器结构参数分析直线作动器结构参数分析静思笃行 持中秉正 秋记与你分享3 3直线作动器结构参数分析直线作动器结构参数分析目前，大部分汽车的悬架都

17、为被动悬架或是半主动悬架3.23.2基于空载感应电动势槽形结构分析基于空载感应电动势槽形结构分析 充分利用作动器空间，综合考虑，取铁芯厚度为0.003m，槽口宽为0.0024m和铁芯后部厚度为0.003m。参数修改前后感应电动势变化：00.0050.010.0150.020.0250.03-20-15-10-505101520轴向位移（单位：m）空载感应电动势(单位：V) 分析修改前分析修改后分析发现，优化后空载感应电动势提高22.7%，但谐波分量增加8.3%，说明馈能特性的增加会对电磁力波动有一定影响。3 3直线作动器结构参数分析直线作动器结构参数分析静思笃行 持中秉正 秋记与你分享3 3直

18、线作动器结构参数分析直线作动器结构参数分析目前，大部分汽车的悬架都为被动悬架或是半主动悬架3.33.3直线作动器电磁力直线作动器电磁力特性特性 对已确定电磁作动器结构通入电流进行瞬态分析，取定子动子相对速度0.6m/s，保证气隙磁场和线圈磁场同步变化取电流频率20.833Hz，分析结果：00.010.020.030.040.050.060.070.080.090.1050100150200250300350400时间（单位：s）作动器电磁力（单位：N） 初始结构尺寸分析后结构尺寸 由图可知：在初始结构尺寸下，电磁力在217.92N附近波动，波动比为40.23%，参数优化后，平均值提高了107.58N，推力平均值达到323.5N，其波动比为18.8%。 3 3直线作动器结构参数分析直线作动器结构参数分析静思笃行 持中秉正 秋记与你分享4 4结论结论目前，大部分汽车的悬架都为被动悬架或是半主动悬架（1） 基于Halbach阵列设计了