基于球谐波函数的永磁球形电机分析

摘要

多自由度球形电机可以围绕空间任意轴旋转,能代替传统多个单自由度电机组成的多自由度结构,在现代工业、医疗、航空等领域具有广泛的应用前景。随着永磁材料技术的发展,三自由度永磁球形电机表现出体积小、价格低、能量密度较高等特点,逐渐成为多自由度电机的研究热点,其研究成果可为同类型电机的深入研究提供理论依据和实验参考。
　　本文在利用等效磁网络法分析定子线圈磁场的基础上,以转子球面为分析面,以球谐波级数为基函数,利用最小二乘法进行展开,得到了球面上定子线圈磁场各阶次谐波的系数,通过比较不同展开阶次下磁场拟合的精度,确定出定子线圈磁场的近似解析式。
　　本文利用麦克斯韦定律建立标量磁位的拉普拉斯方程,对球形电机转子进行了磁场分析。通过求解拉普拉斯方程,并结合磁场的边界条件求得气隙磁场分布的封闭解析表达式,并对永磁体的设计宽度进行了仿真验证。利用有限元仿真验证了结果的有效性。
　　永磁球形电机的转矩分析方法包括张量法、有限元法以及洛伦兹力法,但传统的数值解法不能得到转矩的封闭形式。文章首先通过坐标变换将定子磁场解析式变形,将定、转子坐标系进行了统一,然后对定、转子磁场进行叠加。利用能量守恒原理,结合虚功法,通过磁共能对气隙合成磁场的积分表达式进行了研究。球形电机的静转矩与电机定子线圈和相邻转子永磁体的相对位置有关,本文利用有限元软件建立了定、转子气隙磁场的三维模型,对仿真结果进行了数据分析,有利于永磁球形电机的优化设计。

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第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 永磁球形电机的研究概况与热点

1.3 球形电动机的应用前景和研究方向

1.4 本论文主要研究内容

第二章 永磁球形电机定子磁场的球谐波分析

2.1 永磁球形电机的结构和工作原理

2.2 定子磁场等效磁网络法分析

2.3 定子磁场球谐函数分解

2.4 误差结果比较

2.5 本章小结

第三章 永磁球形电机转子磁场分析

3.1 基于标量磁位法的转子磁场分析

3.2 转子磁场的谐波分析

3.3 有限元法仿真验证

3.4 本章小结

第四章 永磁球形电机转矩分析

4.1 合成磁场的计算

4.2 永磁球形电机的机电能量分析

4.3 基于有限元的静转矩仿真分析

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢