基于复合哈尔巴赫磁极阵列的新型永磁直线驱动关键技术研究

A novel hybrid Halbach array is proposed to increase the axial force output of permanent-magnet (PM) linear machine, through in-depth analysis of fundamental operating principle of PM linear actuation technology. Meanwhile, the novel hybrid magnet array helps to depress the radial force output and vibration significantly, which benefits the high-precision motion control of the system. The research scope includes following aspects. The topology of hybrid magnet array in actuator space along with the optimization method of magnetic flux loop will be investigated systematically. The PM magnetic field in multiple regions of the actuator space and the weak magnetic field of the armature reaction will be formulated precisely, based on the magnetic Laplace’s equation and Bessel functions. The force output of linear machine with hybrid magnet array will be modelled to disclose its variation principle that may contribute to the decrease of friction and increase of working efficiency. Numerical study will be conducted to verify the theoretical models that in turn could be utilized for optimization of material properties and structural parameters. A research prototype along with experimental testbeds will be developed, and the experimental results will be used to validate the advantages of the proposed hybrid magnet array and the obtained theories. The objective of this project is to investigate the magnetic property and output performance of PM linear machine with hybrid Halbach magnet array, to explore novel magnet topology and corresponding theoretical tools and research methodology, and to achieve breakthrough and innovation in key technologies of electromagnetic machines.

深入分析永磁直线电机基本工作原理，首次提出新型空间复合哈尔巴赫磁极阵列，为增强永磁直线驱动轴向输出力找到新的突破口；同时从源头上抑制径向力和振动，为系统高精度运动控制创造有利条件。课题将深入研究空间复合磁极阵列拓扑构型及磁路优化方法；将磁场拉普拉斯方程和贝塞尔函数有机结合，建立空间多区域复杂永磁磁场及电枢弱磁磁场的高精度数学模型；研究基于复合磁极阵列的直线电机输出力解析方法，揭示在传统研究中被忽略的径向输出力的变化规律，为降低系统摩擦、提升工作效率创造有利条件；通过数值方法验证磁场与输出力等理论模型，并基于理论模型完成系统的材料电磁特性及结构优化研究；设计加工系统样机，搭建实验平台，通过实验研究验证新型磁极阵列的优越性及相关理论的正确性。项目的主要意义是通过对基于空间复合哈尔巴赫磁极阵列的永磁直线电机研究，深入探索新的磁极拓扑构型及相应的理论工具和研究方法，以求在关键技术上有所突破和创新。

本项目研究目的是：提出一种新型复合哈尔巴赫磁极阵列，极大地增强直线驱动轴向输出力，同时也能有效抑制系统径向力。.围绕这一研究目的，完成了以下研究内容：.1.将传统二维磁极分布拓展至三维空间阵列，进行了复合哈尔巴赫构型特性研究；2.针对空间三维复杂磁场分布特性，提出基于磁标量势的谐波建模方法，解决了磁场高精度建模难题；3.建立了轴径向力模型，完成了输出特性分析；4.建立了电枢磁场及电感高精度解析模型，为控制策略的顺利实施提供保障；5.设计了自适应鲁棒控制器，增强系统控制特性；6.完成了系统样机的优化设计、加工及装配，完成了空间磁场、轴径向输出力等多个实验台的设计、加工与搭建，以及实验研究。.项目的主要创新点有：.1.系统构型创新：首次将传统二维磁极拓展至三维空间阵列，提出新型复合哈尔巴赫磁极阵列，为增强永磁直线驱动输出力找到新的突破口，同时也为今后永磁直线驱动的磁极构型设计提供了新的思路。.2.研究思路创新：将在传统研究中忽略的轴向磁场充分利用起来，从源头上抑制径向力和振动。在已有文献中尚未发现类似研究，其根本原因在于传统磁极分布很难解决这一问题。.3.控制方法创新：提出适用于复合磁极构型直线驱动的自适应鲁棒控制方法，有效解决了结构不确定性和非结构不确定性带来的不利影响，包括建模不准确、参数摄动、摩擦、外部扰动、测量误差等各种复杂因素。.综上，项目按计划完成了相关研究内容，达到了预期研究目标。.基于上述研究，项目取得成果总体情况包括：.①负责人担任“长江学者”特聘教授。②入选IET Fellow。③获2022年中国航空学会科技二等奖。④担任IEEE IES控制、机器人与机电一体化专业委员会（中国）主席。⑤担任国际期刊Intel J HydroMechatronic执行主编。⑥在IEEE Trans on Ind Ele等领域内顶级期刊和国际会议发表论文45篇，最高影响因子19.12；出版驱动方向学术专著1部；授权受理国家发明专利14项。受到英国皇家工程院电机学科主席C. Gerada等国际同行高度评价，认为相关研究具有“独到的见解(unique insight)”。⑦获IEEE FPM等国际会议优秀论文3项。⑧举办IEEE AUS等国际会议4次；做大会主旨报告10余次。⑨担任英国诺丁汉大学客座荣誉教授。⑩成果服务于大型飞机电液伺服阀、高超飞行器机电作动等重大型号需求。