永磁涡流传动技术基础理论研究

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永磁涡流传动在诸多工业领域具有广泛的应用前景。该技术涉及的电磁理论属于运动导体涡流问题,一直是计算电磁学领域的研究热点和难点,发展快速、精确且有效的计算方法来求解运动导体涡流问题是一个具有挑战性的课题。本文致力于永磁涡流传动技术基础理论研究,旨在建立此类含铁区的运动导体涡流问题通用计算模型,探索解决铁磁区域三维涡流场计算等若干科学问题。论文工作主要体现在以下几个方面:  研究了运动坐标系和固定坐标系下运动导体涡流问题表述;建立了永磁涡流传动装置二维和三维有限元分析模型,并通过实际算例验证了其有效性;提出了含铁区运动导体涡流问题数值计算存在的问题。  通过对叠片铁心整体和单片硅钢片的涡流场分析和涡流损耗对比分析,推导出一种简便而精确的垂直叠片方向等效电导率公式,从而提出了一种新的叠片铁心各向异性等效电导率张量表述。利用该表述可以实现叠片铁心三维涡流场的精确数值计算。  推导出各向异性整体铁心模型沿不同方向的有效集肤深度公式,分析了铁心模型进行三维有限元网格化的合理布局方案,提出了可应用于各种频率条件下的叠片铁心涡流场均质化数值计算方法。无论对于线性还是非线性情况,这种均质化方法能够以极少的计算代价,获得与直接法对叠层硅钢片进行实际建模同样的计算结果。  提出了饱和条件下铁磁材料等效平均磁导率的概念,以及非线性涡流场控制方程的线性化方法,分别建立了用以计及实心铁心和叠片铁心中饱和效应的等效平均磁导率计算模型。该线性化方法可以快捷且准确地预测饱和条件下的实心铁心和叠片铁心中的磁通与涡流损耗。  提出了一种通用且实用的解析计算模型,以准确计算轴向或径向永磁涡流传动装置的磁场分布及转矩特性。在所提出的解析模型中,永磁阵列的等效磁特性、不同形状永磁体之间的等效关系、导体背铁区涡流及磁饱和效应等得到了充分且合理的考虑。  提出了准Halbach磁阵列涡流传动装置解析计算模型,给出了极弧比和永磁体高度与平均弧长比值的最优取值范围,对导体背铁采用叠片铁心的可行性进行了理论探索。
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