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双Halbach阵列线性系统的设计方法
带有热 - 电磁耦合的执行器
Paulo Roberto Eckert, Aly Ferreira Flores Filho 1, Eduardo Perondi,Jeferson Ferri and Evandro Goltz
摘要：本文提出了一种考虑热和温度的线性执行器的设计方法具有几何和温度约束的电磁耦合，使力密度最大化并最小化力波动。该方法允许为a中的给定规格定义执行器一步一步地满足要求，并保持设备内的温度低于或等于连续操作允许的最大值。 根据所提出的方法，电磁和热模型是用准静态参数有限元模型建立的。该方法已成功应用于设计一个具有双重性能的线性圆柱致动器准Halbach阵列的永磁体和动圈。 执行器可以产生轴向120 N的力和80 mm的行程。 本文还介绍了结果之间的比较分析仅考虑电磁模型和热 - 电磁耦合模型而获得。这一比较表明，这两种情况的最终设计差异很大，特别是关于其有效体积以及电和磁负载。 虽然在本文中的方法论被雇用来设计特定的执行器，其结构可用于设计各种线性设备如果参数模型针对每个特定的执行器进行调整。
关键词：设计方法论; 双准Halbach致动器; 线性致动器设计;动圈执行器; 参数分析; 热电磁耦合; 管状致动器
- 介绍
线性致动器的过旋转到翻译转换系统时的线性的优点运动在文献中有详细的记载[[1]]。线性执行器的应用是主要集中在工业和交通方面，由于其力密度，效率，加速度水平，和精确度。 对线性执行器也特别感兴趣的应用是机械式的振动控制。[[2]][[3]]对于这样的应用，具有有趣特性的线性致动器是配备有准Halbach永磁体阵列（PM）的圆柱形致动器。[[4]][[5]]准Halbach阵列的优点是众所周知的，并且包括广泛的适用范围机电设备。[[6]]即便如此，仍然有最新的发展和具体的设计正在研究的应用，例如有限角度扭矩致动器[[7]]和其中通量密度可以通过机械操作而改变的组件。
[[8]]在这方面，本文提出了一种应用于设计特殊圆柱形致动器的方法具有双重准Halbach阵列和Yan等人首次提出的动圈式无芯电枢。[[9]]图1a显示了执行器组成元素的3D视图。它包含具有由安装在内表面上的两层PM形成的定子的装置为了产生两个同心的准Halbach阵列，按照图1b中PM内部箭头所示的磁化模式。因此，多极分布在动圈所占的空隙体积中的轴向磁场的大小产生的。三相ABC绕组由线圈机械支撑，形成线圈相对于准Halbach阵列同心安装并具有自由的相对运动在轴向上。绕组中的三相电流产生多极磁场轴向分布，类似于由PM产生的分布。当有磁场时由PM产生并且三相绕组中的电流正交，即电磁轴向产生的力最大化。
图1.具有四极双准Halbach阵列的线性管状动圈式致动器：（a）指示结构元件的3D等轴截面视图; 和（b）2D半剖面图设计变量。
关于准Halbach阵列的PM，具有轴向磁化的PM可以易于制造; 然而，在使用钕铁硼烧结时，具有径向磁化的那些材料，即具有高B-H产品，应该被分段并沿平行方向磁化避免更复杂和昂贵的磁化夹具。[[10]]显示了这样一种方法如果使用适当数量的元素分割环，则会略微降低性能。
图1所示执行器的一些特征很有吸引力与其他永磁体管状致动器相比，例如：动圈减少了运动质量的执行器，增加加速度和速度; 考虑到有没有齿轮的力量，没有插槽，这大大有助于减少力波动; 核心损失为零，因为它是一个无芯器件，导致更高的效率; 绕组两侧的准Halbach阵列增加磁通密度并允许在其中具有低.。谐波失真的分布磁隙，分别增加力密度和减少力的波纹。高水平的磁通密度可以用准Halbach阵列降低局部漏磁通的事实来解释，即从PM到背铁，而双阵列有助于减小极间漏磁通量。在文献中[[11]]作者表明，如果这种拓扑采用相同体积的PM，则与a相比只有外部或内部PM的拓扑，双PM阵列提供了更好的力密度。
讨论了图1中所示拓扑的设计参数[[12]]。在这里面作者在分析模型的基础上得出结论：拓扑结构具有更好的力量能力，三相绕组的较低的力纹波比一相绕组或两相绕组的力纹波低。一些几何分析是基于分析电磁模型进行的。
针对a项目提出了热电磁耦合设计方法带有轴向磁化PM线性致动器的短型开槽非Halbach阵列有人做了详细研究[[13]]。表明工作周期的执行器需要瞬态热分析，因为高水平的瞬态电流密度被雇用。
有许多人讨论了考虑热影响的特定致动器的设计。比如有人研究了无槽管的耦合热电磁分析展示了永磁电机。[[14]]另一方面，有人提出了一个直线执行器的整体比较，例如内部和表面安装的PM，以及开槽和切割无槽电机。[[15]] 这两个参考文献将热限制应用为最大温度执行器; 将热影响作为恒定的总传热系数插入。
多物理学方法模型管状永磁开槽执行机构基于有限元模型的径向磁化的非Halbach和内部表面安装的PM已解决。[[16]]Encica描述了一种用于设计一种优化方法执行器采用类似于前面文献中的拓扑结构，使用热集成电路模型和电磁集总电路模型。[[17]]
用现代设计开发电磁设备的设计方法计算工具是一项涉及电磁与电磁耦合的广泛任务热域。 但是，人们可以期望模型和模型之间高度一致通过实验获得的结果。在本文中，一种设计方法论，其中包含建模和分析的地方的规格。例如力和行程必须考虑到考虑热 - 电磁耦合的连续性操作得到解决。 规格符合力密度最大化和最小化的力波动受到几何和热限制。 热和电磁二维建立轴对称模型并用有限元软件包进行模拟。 后期处理基于参数电磁仿真的结果进行分析。所提出的方法可用于设计各种各样的线性装置，例如步进电机，同步电机，直流电机和磁阻电机。 为了使用它不同的设备，电磁参数模型和热模型都必须是特定的案件。 应用这种方法的主要要求是线性执行器应该是一个多极杆装置具有长的电枢，但如果计算的步骤可以适应短的电枢调整杆的数量和轴向长度。 但是，所提出的方法不能直接用于设计线性单相振荡致动器，线性柱塞螺线管，和单相螺线管，例如，因为这些都是非多极器件的例子。
- 设计方法
开发拟议的设计方法的第一步是合理化一个考虑一个可以通过流程图获得的特定应用程序的工程问题，如图所示在图2中。确定轴向力的技术要求和相关执行机构的行程尺寸约束是设计的主要输入元素。 主要目标是获得设备的几何关系，以便使力密度最大化并使力波动最小化。确定轴向力的技术要求和相关执行机构的行程尺寸约束是设计的主要输入元素。 主要目标是获得设备的几何关系，以便使力密度最大化并使力波动最小化。
图2.提出的设计方法的流程图线性圆柱形执行机构电磁热耦合
提出了一种初步方法，其中从纯电磁模型获得设计，在本文中被称为“解耦模型”。 该模型提供了初始几何尺寸允许模拟热模型。 热限制，以最大允许的形式施加电枢处的温度，这是调整有效电流密度的基础相应地，以及所谓的“耦合模型”的PM的操作特性。
- 双Halbach阵列圆柱形线性执行器的设计
在本节中，将讨论图2的流程图中介绍的每个设计步骤详情。遵循这些步骤是为了设计一个特定的圆柱形线性致动器，它被用作案例研究。
3.1。 执行机构要求的确定
执行机构要求的确定这是设计过程的第一步，即识别哪些是输出参数
线性致动器必须满足。 在旋转电机的设计中，第一个规范通常是额定转矩，这使我们能够确定一旦电气和电力的有效体积磁载荷是指定的[18]。 对于传统的旋转机器，加载特性是基于可获得的广泛的经验数据或来自热转移分析的结果，可以在参考文献[[18]]中获得。 然而，在具有非常规拓扑和复杂热量的线性机器中传输系统，稀缺信息是可用的，特别是关于电气之间的妥协负载和热交换能力取决于材料的温度限制。在线性机器的情况下，类似于旋转机器，额定有效轴向力，必须指定执行器必须在连续运行时产生。 强调这一点很重要短行程线性致动器几乎不以恒速运行，与旋转机械不同;因此，它们产生的轴向力也可能变化。 从这个意义上说，重要的是要指出一旦有效电流与有效电流成正比，必须将其设定为额定值密度，其主要损失来源是二次比例的，即焦耳损失，强加一个性能受温度限制。必须指定的另一个重要输出参数是执行器的行程，即需要确定电枢L zW的轴向长度和致动器L zT的总长度。在本文中，将不讨论力和冲程的规范技术; 代替，执行器将设计用于需要额定有效轴向力Fr的通用应用120 N，行程S为80 mm。
3.2。 执行器电磁拓扑的定义
虽然所提出的方法的总体思路适用于广泛的设计线性致动器的范围，如参考文献中所述，具有应用于参数化的特殊性，以及一个极间距tau;p的热和电磁模型，这是排他性的到每个线性致动器拓扑。 出于这个原因，执行器拓扑的定义必须是a在设计过程中的一步。 拓扑的选择取决于执行器上的应用性能或成本等。在本文中，一个带有三相动圈和两个圆柱形执行器解决了具有一些有趣特征的准Halbach PM阵列。
- 结果和讨论
本节讨论研究中的每个参数变量对研究案例的影响;它还介绍了耦合和非耦合模型的最终设计并对结果进行了比较。对于研究中的拓扑，发现参数变量tau;r /tau;p呈现高与力量波动有关的敏感度。 设定tau;r /tau;p = 0.75足以消除波纹的力几乎为零，而不管其他参数变量的值如何。 它应该是观察到力的波纹接近于零的tau;r /tau;p的值可能会改变不同的几何约束。 发现了非耦合模型与耦合模型之间的差异对tau;r /tau;p如何影响力的波动无关紧要。参数变量N PMi稍微影响了设计目标，即高力密度和低波动的力量。 N PMi从0.5到0.7的结果几乎相同。 在这种情况下，一个N PMi值这导致可以应用相对较小的磁体体积，这总体上代表了为N PMi设置更高的值。 但是，N PMi受限于与最小值相关的约束PM的径向长度。 另外，正如第3.11节所述，N PMi可能会变得更加相关如果内部和外部PM温度之间的差异较大， 从而，温度较低的PM应该体现相对较大的体积，这可以通过调整N个PMi。
与力密度相关的最相关的参数变量是N个CPM，特别是当时耦合和非耦合模型相互比较。 对于非耦合模型，用a不管有源绕组的体积如何，恒定的电流密度，力密度最大化对于N个CPM等于0.4。 另一方面，用耦合模型，其中有效电流
密度被校正以便将致动器中的温度限制在其指定的最大值，当N个CPM等于0.25时，力密度最好。 用一种简单的方式，这意味着，如果温度限制被考虑，电负载降低而不利于磁负载的增加，一旦焦耳损失有限。参数变量n形式在确定极点数P时起着重要的作用执行器。 在非耦合和耦合模型中，找到最佳力密度也是相关的;然而，它在0.8至1.4的范围内显示出低的灵敏度。 对于n形式的低值，例如0.4，相邻极之间存在显着的漏磁通，因为这些极彼此靠近，从
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