文档介绍：华中科技大学
博士学位论文
永磁同步直线电机推力波动的优化设计研究
姓名:程远雄
申请学位级别:博士
专业:机械设计及理论
指导教师:黄其柏;杨家军
2011-05-16
华中科技大学博士学位论文
摘要
永磁同步直线电机具有大推力、快速响应特性好、结构简单、免维护等突出优点,
在高性能直线驱动系统获得广泛应用。然而,其也存在推力波动幅度大的明显缺点,
直接影响定位和轨迹跟踪精度,带来低速时的运动平稳性问题,造成电机可控性差,
控制系统复杂且成本高,限制了永磁同步直线电机性能的提高和应用领域的扩大。
本文围绕消除静推力波动的设计理论与方法展开了全面、系统和深入地研究。
针对电磁场解析困难的问题,通过对磁化矢量方法分析和次级永磁钕铁硼材料特
性研究,提出将永磁表面路径上的剩余磁化密度矢量分布作为解析区域边界条件,
使电磁场方程演化成了一种易于求解的二阶奇次偏微分方程。运用该等效方法,对
电机初级电枢与次级永磁间气隙区域进行了磁场解析,解析过程物理概念清晰,结
论简单有效。该方法可极大方便铁芯周边区域的边界条件处理,为端部力解析等性
能分析奠定了理论基础。
利用电机气隙磁场的解析结果,采用Maxwell张量法,推导了端部力解析式。解析
结果揭示了端部力的基本特性并获到了最佳铁芯长度理论预测值。
基于叠加原理进行了电机齿槽力的解析,解析结果揭示出齿槽力的谐波成分及来
源和槽极组合对齿槽力的影响,得出了槽极数互质的组合为最佳槽极组合的结论,,
进而提出了一种齿槽力的数字预测方法,避免了其他方法需要对各种组合下进行完
整模型的反复建模与计算的困难。为最小化齿槽力提供了一种有效的槽极组合设计
选型理论和数字评估方法。
提出了一种能消除静推力波动的分段式铁芯初级的方法。通过构造具有空间对称
特征的多端部结构,可直接消除推力波动中的低阶谐波成分;同时获得了对称恒定
的绕组参数,将极大改善电机的伺服控制性能。论文针对残留波动成分,提出了端
部力与齿槽力相互抵消的设计策略,通过铁芯参数最佳设计较彻底消除了残留波动
力,总推力波动相对平均推力可消减到 1%以下。
指出了分段式铁芯初级的方法的各种应用型式,提出了一种各相绕组具有分段铁
芯结构的新型 6 槽直线电机,分析论证了其低推力波动特性。该方法具有小尺度、
大推力的突出优点,可取代目前无铁芯永磁直线同步电机在电子装备等领域的应用。
I
华中科技大学博士学位论文
设计了静磁阻力测试方案,对所开发的具有三个铁芯模块组合初级的直线电机原型
进行了静磁阻力的测试,实验结果验证理论分析结论的正确性。
论文研究的成果为解决永磁同步直线电机静推力波动大的制约性问题提供了系统
的理论和方法基础,并给出了一种创新的能彻底消除其影响的本体结构优化方法,
为开发高性能低成本控制的永磁同步直线电机奠定了坚实的基础,为提高永磁同步
直线电机的运动伺服性能,减少控制成本,扩大应用领域创造了条件。
关键词: 永磁同步直线电机推力波动磁阻力端部效应齿槽效应分段式铁芯初
级的方法
II
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Abstract
Permanent linear synchronous motors (PMLSMs) have many applications in
high performance linear direct drive systems due to certain outstanding features such as
the high force density, rapid dynamic response, simple structure and free-maintenance.
However, there is a significant drawback of large thrust ripple, which deteriorates control
performance of motors, limits the improvement of positioning accuracy and causes
vibration and noise of motor apparatus. End-effect force, including end force and partially
EM ripple, is a unique and main disadvantage of PMLSMs parison with rotary
motors; accordingly, it is the reason that