永磁球形电机转子磁场端部效应分析

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1、永磁球形电机转子磁场端部效应分析AnalysisofRotorMagneticFieldEndEffectofthePermanentMagnetSphericalMotor(国家自然科学基金资助项目51677130)学科专业：电气工程作者姓名：李天梦指导教师：李洪凤副教授天津大学电气与自动化工程学院二零一七年十二月摘要随着机器人、卫星位置检测等科学技术的不断发展，单轴实现多自由度运动的永磁球形电机成为国内外学者关注与研究的热点。永磁球形电机由球形转子和球壳型定子构成，其磁场分布与球形结构密切相关，电机的部分磁力线在端部位置无法穿过气隙与定子线圈交链，而是经空气或转子轭后闭合，

2、产生端部漏磁场，导致电机的端部磁场畸变。电机的端部漏磁场不仅会对主磁场造成干扰，而且会对电机的动静态特性造成不良影响，降低电机效率。端部磁场畸变造成的涡流会在电机的端部部件处产生温升，降低电机的可靠性，因此非常有必要对电机的端部效应进行分析。本文则主要围绕单层永磁球形电机和双层永磁球形电机端部效应相关问题展开研究。Halbach阵列永磁球形电机的磁极呈球面锥体结构，其转子磁极产生的气隙磁场在沿纬度方向的端部呈现畸变特性。为了研究Halbach阵列永磁球形电机沿球体纬度方向的端部漏磁，借助于标量磁位对Halbach阵列永磁球形电机转子磁极在气隙位置处产生的磁场进行计算，提出了沿球

3、体纬度方向的机械伪周期概念，对傅里叶级数周期进行了重新定义，采用空间积分技术对电机球形转子磁极全空间磁场分布进行了解析求解，得到了包含端部漏磁场在内的三维磁场数学解析表达式。通过与有限元分析结果进行比较，验证了本文解析法所得结果的正确性。仿真结果显示纬度方向磁场端部效应对电机涡流损耗的影响较大，考虑采用双层结构永磁球形电机以扩大纬度方向的磁体分布范围，尽量减弱端部效应对电机性能的影响。以Halbach阵列永磁球形电机磁场分析为基础，推导得到了该模型所对应的剩余磁化强度表达式，按照相同的求解思路对双层永磁球形电机的三维磁场分布进行分析计算。结果表明与双层永磁球形电机相比，Halb

4、ach阵列永磁球形电机涡流损耗较大，且端部效应引起的涡流损耗在总涡流损耗中所占比例也较大。最后将本文的磁场解析结果与实验结果进行了对比，解析法得到的漏磁结果与实验结果基本吻合，从而验证了本文解析方法计算漏磁的有效性。关键词:Halbach阵列永磁球形电机，双层永磁球形电机，端部效应，机械伪周期，傅里叶级数分解IABSTRACTWiththerapiddevelopmentoftheadvancedtechnology,suchasrobotsandsatellitepositiondetection,permanentmagnetsphericalmotor(PMSM)whic

5、hisabletorealizemulti-dimensionalmovementwithsingleshaftbecomesahottopicforresearchscholars.Themagneticfielddistributionsurroundingtherotorpermanentmagnets(PMs)iscloselyrelatedtothesphericalstructureofthePMSM.Somepartofmagneticfieldlinescouldnotcompletelycorssthroughthemainmagneticcircuitatt

6、heendofthemotor,butthroughtheairortherotoryokeforclosing,whichproducestheendleakagemagneticfieldandcausestheendmagneticfielddistortion.Endleakagemagneticfieldofthemotornotonlycauseinterferenceonthemainmagneticfield,butalsoaffectthestaticanddynamicperformanceofthemotor,andreducesthemotoreffic

7、iency.Eddycurrentcausedbyendleakagemagneticfielddistortionleadstotemperatureriseattheendofthemotorparts,andreducesthereliabilityoftheequipment.So,itisnecessarytoanalyzetheendeffectofthemotor.Inthispaper,theendeffectoftheHalbacharrayPMSMandrelatedis