第1期 2017年1月
组合机床与自动化加工技术
ModularMachineTool&AutomaticManufacturingTechnique
文章编号：10012265(2017)01=0031=04
D0I:10.13462/j.cnki. mmtamt.2017.01.009
No.1 Jan.2017
磁悬浮直线电机三维有限元分析及优化设计研究
陈永波’，燕延，王伟明，闪明才2
（1.石家庄铁道大学电气与电子工程学院，石家庄050043；2.河北大学质量技术监督学院，河北保定071002）
摘要：磁悬浮式运动平台易于实现大范国高精度的微运动，适合应用在精密加工和超精密测量领域。为了抑制磁悬浮直线电机电磁力谐波分量对控制系统的影响，提高磁悬浮运动平台的动态性能，以 HALBACH型永磁同步直线电机为研究对象，提出了一种改进的直线电机动子HALBACH永磁阵列结构。利用有限元软件建立直线电机三维有限元模型，得到了电机水平推力和悬浮力波形，最后对电磁力波形进行了谐波分析。分析结果表明，采用优化的动子结构有效减小了直线电机电磁力波动，有利于提高磁悬浮运动平台的控制精度。
关键词：磁悬浮直线电机；HALBACH永磁阵列；三维有限元模型；谐波分析
中图分类号：TH166；TG659
文献标识码：A
Three Dimensional Finite Element Analysis and Optimal Design of Magnetic Levitation Linear Motor
CHENYong-bo',YANYan',WANG Wei-ming',SHAN Ming-cai
(1. School of Electrical and Electronics Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China;2. School of Quality and Technical Supervision,Hebei University, Baoding Hebei 071002, China)
eeeee high precision, which is suitable for the application in the field of precision machining and ultra precision measuring. In order to inhibit the magnetic levitation linear motor electromagnetic force harmonic component influence on control system and improve the magnetic levitation motion platform dynamic performance, an improved HALBACH permanent magnet array structure of linear motor is proposed based on the research of HALBACH permanent magnet synchronous linear motor. The three dimensional finite element model of lin-ear motor is established, and the waveform of the motors horizontal thrust and suspension force is obtained. Finally , harmonic analysis of electromagnetic force is carried out. The analysis results show that the optimi-zation of the motional substructure can effectively reduce the Linear motor electromagnetic force fluctuation, it is advantageous to improve the control precision of the magnetic levitation motion platform.
Key words : magnetic levitation linear motor; HALBACH permanent magnet array ; three dimensional finite elementmodel;harmonic analysis
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引言
磁悬浮式高精度运动平台具有运动平台和驱动机
构非接触、无摩擦、无磨损等优点，在现代精密加工设备、工业自动化、超精密测量等领域具有广阔的应用前景，引起了国内外学术界的广泛关注(13)。大行程的磁悬浮高精度运动平台主要采用直线电机作为驱动部件14}，研究直线电机电磁力的谐波分量有利于实现高精度的磁悬浮直线电机控制系统[3]。HALBACH型永
收稿日期：2016-04-01；修回日期：2016-04-2
磁阵列是一种新型的永磁体排列方式，阵列经过合理设计，可以获得比常规永磁体正弦性更好的气隙磁场，并获得更高的气隙磁场基波幅值6」。因此磁悬浮直线电机采用HALBACH阵列可以大大减小电机推力波动，提高直线电机的稳定运行性能。文献[4]分别制作了采用径向永磁阵列和HALBACH永磁阵列的直线电机样机用于对比研究，分析和实验结果表明，HAL-BACH型直线电机具有更高的气隙磁通密度和磁场分布正弦特性，但需要进一步优化HALBACH永磁阵列
*基金项目：河北省自然科学基金青年基金项目（E2015210082）；河北省高等学校科学技术研究项目（QN20131084）
作者简介：陈永波(1989一），男，河南商丘人，石家庄铁道大学硕士研究生，研究方向为电力电子与电力传动，（E-mail)chenydid@163.com；通讯
作者；王伟明（1979一），男，河北保定人，石家庄铁道大学讲师，硕士生导师，博士，研究方向为光电精密测量，（E-mail）wangwm@stdu. edu. c
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