海爾貝克永磁陣列磁場(chǎng)的仿真和實(shí)現(xiàn)

杜世勤

海爾貝克永磁陣列磁場(chǎng)的仿真和實(shí)現(xiàn)

杜世勤

（上海電機(jī)學(xué)院，上海 201306）

隨著工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的快速發(fā)展，人們對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)性能的要求提高了，拖動(dòng)電機(jī)、信號(hào)電機(jī)和伺服電機(jī)被廣泛使用。電機(jī)設(shè)計(jì)的性能參數(shù)要求越來(lái)越精細(xì)，電機(jī)伺服服務(wù)的范圍也越來(lái)越大，甚至已經(jīng)用到了醫(yī)用機(jī)器人上，效果較好。對(duì)于永磁勵(lì)磁的擬合正弦波磁場(chǎng)電機(jī)，仿真方面的論文較多，但實(shí)體實(shí)踐并不多。對(duì)海爾貝克永磁陣列磁場(chǎng)擬合永磁勵(lì)磁的正弦波磁場(chǎng)使用Ansoft Maxwell軟件仿真，并進(jìn)行設(shè)計(jì)和加工制作，完成了理論仿真與實(shí)際產(chǎn)品的比對(duì)。

永磁勵(lì)磁；正弦波磁場(chǎng)；Ansoft仿真；設(shè)計(jì)加工

1 引言

小時(shí)候看見年底池塘清淤時(shí)，在沒(méi)有水泵的情況下，幾十個(gè)人用肩膀擔(dān)水桶，要花幾天的時(shí)間，后來(lái)用上電動(dòng)水泵抽水，可連續(xù)不斷地抽水，把人從繁重的體力勞動(dòng)中解放出來(lái)。碾米廠使用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)皮帶輪生產(chǎn)大米，生產(chǎn)能力強(qiáng)。筆者在大學(xué)學(xué)了電機(jī)電器專業(yè)，再到工廠上班，很多設(shè)備是電機(jī)驅(qū)動(dòng)。城市里高樓大廈林立，電梯不停運(yùn)作，鐵軌上動(dòng)車飛馳，核心部件也是拖動(dòng)電機(jī)。

電機(jī)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中還起著發(fā)送信號(hào)的作用。旋轉(zhuǎn)變壓器可以提供導(dǎo)彈發(fā)射裝置的位置信號(hào)，測(cè)速發(fā)電機(jī)用來(lái)取得物體的即時(shí)速度，在一些較為惡劣的使用環(huán)境中，信號(hào)電機(jī)的使用具有穩(wěn)定性、可靠性。

電機(jī)伺服服務(wù)的范圍也越來(lái)越大，甚至已經(jīng)用到醫(yī)用機(jī)器人上，效果較好。達(dá)芬奇醫(yī)療機(jī)器人集成了高端運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，采用了馬克森電機(jī)，采用稀土磁鐵，在低速運(yùn)行的情況下也不會(huì)有齒槽轉(zhuǎn)矩存在。無(wú)鐵芯永磁伺服電機(jī)系統(tǒng)既要有良好的控制器，也要有性能良好的伺服電機(jī)。

具有永磁勵(lì)磁的正弦波磁場(chǎng)伺服電機(jī)是自動(dòng)化系統(tǒng)良好的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行元件，設(shè)計(jì)和制造出這樣的電機(jī)是高新電機(jī)產(chǎn)業(yè)追求的目標(biāo)。完成這個(gè)工作比較難，中國(guó)大多數(shù)文獻(xiàn)中還沒(méi)有出現(xiàn)這方面的內(nèi)容。一般情況下，采用海爾貝克永磁陣列磁場(chǎng)擬合永磁勵(lì)磁的正弦波磁場(chǎng)。

在計(jì)算機(jī)和數(shù)值計(jì)算技術(shù)不發(fā)達(dá)的年代，電機(jī)設(shè)計(jì)開始是使用磁路法，把電機(jī)磁路分成齒部、軛部和氣隙幾部分，每部分進(jìn)行磁路計(jì)算，需要經(jīng)驗(yàn)系數(shù)予以校正。為了得到經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，整個(gè)過(guò)程比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

隨著計(jì)算機(jī)的普及和有限元技術(shù)的發(fā)展，電機(jī)設(shè)計(jì)進(jìn)入了有限元時(shí)代。有限元電機(jī)磁場(chǎng)計(jì)算可直接得到比磁路法精確的磁路分布，可以多快好省地設(shè)計(jì)電機(jī)。

2 海爾貝克永磁陣列磁場(chǎng)的Ansoft仿真

使用有限元方法計(jì)算永磁磁場(chǎng)分布時(shí)，無(wú)論采用程序還是商用軟件，一般分為3步：①前處理工作，完成基本子域組成的幾何建模，并給各個(gè)子域賦予材料屬性，完成邊界和交界條件的確定。為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，還要給出計(jì)算場(chǎng)域的周期性條件。②場(chǎng)計(jì)算，由于場(chǎng)域剖分節(jié)點(diǎn)數(shù)往往較多，采用迭代計(jì)算的數(shù)學(xué)方程數(shù)也較多，計(jì)算出場(chǎng)上各點(diǎn)的磁位，即使使用計(jì)算機(jī)計(jì)算也要花上一定的時(shí)間。③后處理工作，無(wú)論是標(biāo)量場(chǎng)還是矢量場(chǎng)，要用計(jì)算出來(lái)各個(gè)節(jié)點(diǎn)上的磁位得出磁力線、磁通密度、磁通量等有用的磁場(chǎng)物理量。

Ansoft Maxwell是常用的低頻電磁場(chǎng)有限元商用仿真軟件，被中國(guó)許多高校、單位引用，使用其RMxprt模塊設(shè)計(jì)常規(guī)電機(jī)，其參數(shù)可以生成該電機(jī)的有限元計(jì)算模型，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫對(duì)接，是目前最好的電機(jī)設(shè)計(jì)手段之一[1]。

正弦波磁場(chǎng)的永磁勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)采用海爾貝克永磁陣列結(jié)構(gòu)，論文里常見的是永磁電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，每個(gè)磁極采用多塊外向磁場(chǎng)的磁體陣列。作為網(wǎng)絡(luò)期刊論文在永磁勵(lì)磁正弦波磁場(chǎng)的有益補(bǔ)充，本文以內(nèi)向磁場(chǎng)，即永磁磁場(chǎng)是朝內(nèi)方向聚合、朝外方向發(fā)散的磁場(chǎng)為例計(jì)算和設(shè)計(jì)加工。

海爾貝克永磁陣列的每個(gè)永磁磁極使用塊磁體，每塊磁體的磁化強(qiáng)度均為，極對(duì)數(shù)為，且第一塊（=1時(shí)）磁體的充磁方向沿軸正方向，則海爾貝克永磁陣列的第塊磁體的磁化強(qiáng)度，分量[2]為：

就海爾貝克永磁陣列磁場(chǎng)進(jìn)行Ansoft Maxwell仿真。本文以=6，=7計(jì)算，由于不能從RMxprt模塊得到有限元計(jì)算模型，要從幾何建模、材料分配、設(shè)置邊界條件、永磁激勵(lì)設(shè)置、剖分設(shè)置、求解器設(shè)置一步一步完成有限元磁場(chǎng)計(jì)算步驟。完成上述步驟后，從后處理部分得到一個(gè)極磁通密度矢量矢量分布圖，如圖1所示。

圖1 極磁通密度矢量B矢量分布圖

3 設(shè)計(jì)和加工

從事過(guò)有限元磁場(chǎng)計(jì)算的工程人員對(duì)場(chǎng)計(jì)算的復(fù)雜與艱難都深有體會(huì)，即使采用Ansoft Maxwell商用軟件仿真，也往往在開始時(shí)不能完成幾何剖分，在完成幾何剖分后，計(jì)算求解過(guò)程也可能不會(huì)收斂。辛苦的仿真工作完成后進(jìn)入設(shè)計(jì)和加工階段，得到的磁化矢量方向如下，單位為°：0.000 0，25.714 3，51.428 6，77.142 9，102.857 2，128.571 4，154.285 7，180.000 0，205.714 3，231.428 6，257.142 9，282.857 2，308.571 4和334.285 7。設(shè)計(jì)圖紙如圖2所示。

圖2 一對(duì)磁極磁化方向圖

藍(lán)圖要變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)還要找加工企業(yè)，上海本地找了幾家，杭州也找了，但沒(méi)有企業(yè)愿意做，主要因?yàn)檫@是實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品，沒(méi)有產(chǎn)量，卻要設(shè)計(jì)充磁夾具，最后在寧波找到一家企業(yè)生產(chǎn)出了產(chǎn)品，如圖3所示。通過(guò)顯磁片顯示，磁場(chǎng)分布呈現(xiàn)正弦波形，與圖1的仿真計(jì)算結(jié)果一致。

圖3 實(shí)物產(chǎn)品

4 結(jié)論

海爾貝克永磁陣列磁場(chǎng)在中國(guó)現(xiàn)有充磁生產(chǎn)條件下，是能實(shí)現(xiàn)的最好的正弦波磁場(chǎng)，永磁伺服電機(jī)可在高端機(jī)器人中使用，人們可從這個(gè)方向努力開發(fā)新產(chǎn)品。本文使用Ansoft Maxwell仿真了海爾貝克永磁陣列磁場(chǎng)，設(shè)計(jì)和加工了一個(gè)海爾貝克永磁陣列，理論與實(shí)際取得了一致，驗(yàn)證了其基礎(chǔ)性能，為下一步配合高端電機(jī)控制器，進(jìn)而做出性能良好的永磁伺服電機(jī)奠定了基礎(chǔ)。

［1］趙博，張紅亮.Ansoft 12在工程電磁場(chǎng)中的應(yīng)用［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2010.

［2］Z Q Zhu，D Howe.Halbach permanent magnet machines and applications：a review［J］.IEE Proc.-Electr.Power Appl.，2001，148（4）：299-308.

TM359

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.17.019

2095－6835（2019）17－0046－02

杜世勤（1967—），男，研究方向?yàn)殡姍C(jī)及其自動(dòng)化系統(tǒng)、電機(jī)設(shè)計(jì)。

〔編輯：張思楠〕