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1 2 1 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

2、的悬架都为被动悬架或是半主动悬架 1.11.1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

3、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

4、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 Hal

5、bach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

6、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/m0.0144 Rs

7、 t hs b b0 h Rm g 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 2.2Halbach2.2Halbach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 ： 3r3131 n=1 (r,z)=a(m r)+b(m r)sin(m z) nnnnn BBIBK 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

8、和电磁力， 其解析式为 ： 3r3131 n=1 (r,z)=a(m r)+b(m r)sin(m z) nnnnn BBIBK 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 ： 3r3131 n=1 (r,z)=a(m r)+b(m r)sin(m z) nnnnn BBIBK 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 ： 3r3131 n=1 (r,z)=a(m r)+b(m r)sin(m z) nnnnn BBIBK 作动器分为三个区域进行解析 分析，作动器的径向磁通

9、密度及波 形直接影响其馈能特性和电磁力， 其解析式为 ： 3r3131 n=1 (r,z)=a(m r)+b(m r)sin(m z) nnnnn BBIBK 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 ： 3r3131 n=1 (r,z)=a(m r)+b(m r)sin(m z) nnnnn BBIBK 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

10、-0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 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

11、率 。 磁场大小评价指标：磁场谐波大小评价指标： 1 rn n ave B B n 2 2 1 H n n G THD G 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： ave B 0.0040.0060.0080.010.0120.0140.016 0.3 0.32 0.34 0.36 0.38 0

12、.4 0.42 0.44 0.46 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 00.0050.010.015 0.22 0.24 0.26 0.28 0.3 0.32 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：0.004m 00.0050.010.015 10 15 20 25 30 35 40 45 50 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：0.004m

13、 ave B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 0.0072/0.0072 mrmz mm0.0096/0.0048 mrmz mm0.003/0.0114 mrmz mm THD Bave 指标名称 14.6%26.8%37.3% （单位：T）0.30930.31950.266 考虑THD m

14、mr 0072. 0m mz 0072. 0 值，选取 ， 为作动器永磁体轴向尺寸 ； 01234567891011 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 THD=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 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 轴向距离（单位：m） 径向磁通密度（单位：T） 理论值 FEA值 0.0072 mr m0.0072 mz m磁通密度波形 0.0072 mr m0.0072 mz m各阶谐波分量 3 3直线作动器结构参数

15、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 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

16、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 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

17、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，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。 0123456 x 10 -3 10 15 20 25 30 35 40 45 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

18、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 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 -5 0 5 10 15 20 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