halbach阵列永磁球形电动机转矩的三维有限元分析

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1、第42卷第11期天津大学学报Vol.42No.112009年11月JournalofTianjinUniversityNov.2009▋Halbach阵列永磁球形电动机转矩的三维有限元分析李洪凤，夏长亮，宋鹏(天津大学电气与自动化工程学院，天津300072)摘要：为分析Halbach阵列永磁球形电动机复杂边界条件对电机性能的影响，采用有限元法对电机转矩特性进行了研究．建立了Halbach阵列永磁球形电动机三维有限元模型，得到了电机转矩的空间分布，并与解析法得到的结果进行了对比分析．在保证Halbach阵列永磁球形电机体积不变的情况下，分析了电机结构参数对电机性能的影响．对不同磁体

2、结构球形电动机产生的自转转矩和倾斜转矩进行了比较．漏磁、磁场谐波及各自由度之间的电磁耦合对转矩特性的影响可以在有限元法中得到体现，使其与解析法得到的结果有所差别．永磁球形电动机采用Halbach阵列磁体结构后，转矩的输出能力得到了提高．在电机结构参数中，转子磁体厚度、定子线圈高度、内径及外径对电机的输出转矩能力具有较大的影响．结果表明在提高电机转矩输出能力上，电机结构参数存在最优值．关键词：Halbach阵列；球形电动机；转矩计算；有限元法中图分类号：TM351文献标志码：A文章编号：0493-2137(2009)11-0952-073-DFiniteElementTorqueA

3、nalysisofaHalbachArrayPMSphericalMotorLIHong-feng，XIAChang-liang，SONGPeng(SchoolofElectricalEngineeringandAutomation，TianjinUniversity，Tianjin300072，China)Abstract：ThetorquecharacteristicoftheHalbacharrayPMsphericalmotorwithcomplicatedboundaryconditionsisana-lyzedusingfiniteelementmethod(FEM)

4、.Athree-dimensional(3-D)finiteelementmodeloftheHalbacharrayPMsphericalmotorisbuilt.ThespacedistributionsofthetorqueareobtainedbyFEM，whicharecomparedwiththoseobtainedbyana-lyticalmethod.Theeffectsofthestructureparametersofthemotorontheperformanceofthemotorarediscussed.Theroll-ingtorqueandtilti

5、ngtorqueobtainedbydifferentmagnetarraysarecompared.Theinfluencesoffluxleakage，magnetichar-monicandelectromagneticcouplingamongalldegreesoffreedomonthetorquecharacteristiccanbeconsideredinFEM,whichmakesresultsofFEMandanalyticalmethoddifferent.ThetorqueoutputcapacityoftheHalbacharrayPMspherical

6、motorisimproved.Themagnetthickness,theheightofcoils，theinnerandouterdiametersofcoilsplayanimportantroleintheoutputtorquecapacity.TheresultsindicatethestructureparametersoftheHalbacharrayPMsphericalmotorhaveopti-mumvaluesinimprovingthetorqueoutputcapacity.Keywords：Halbacharray；sphericalmotor；t

7、orquecomputation；finiteelementmethod永磁球形电动机特殊的球形结构使得设计者无构的磁体沿对称于转子球体赤道线的两条纬度线分法直接使用传统电机的设计经验．各国学者纷纷对布，各条纬度线呈N、S极交替分布．文献[4-5]采用积永磁球形电动机的电磁特性展开了研究．文献[1-3]分法与有限元法对永磁球形步进电动机的电磁特性基于解析法推导了永磁球形电动机的转矩模型，该电进行了研究，该电机的转子磁极结构为圆柱体．文献机的磁体结构包括单层磁体结构和双层磁体结构．