中德智能制造的合作、工業(yè)4.0和《中國制造2025》的提出,均體現(xiàn)出先進(jìn)制造技術(shù)產(chǎn)業(yè)在未來工業(yè)中的重要性。我國已將先進(jìn)制造技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提升到戰(zhàn)略層面。直線電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的重要內(nèi)容,在高檔數(shù)控機(jī)床、軌道交通驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域具有應(yīng)用價(jià)值。直線電機(jī)在驅(qū)動(dòng)直線運(yùn)動(dòng)負(fù)載時(shí),省卻了旋轉(zhuǎn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)到直線運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu),因而具有整體結(jié)構(gòu)簡單、位置精度高、響應(yīng)速度快、噪聲低等優(yōu)勢(shì)。基于高性能稀土永磁的永磁直線電機(jī),提高了直線電機(jī)的功率密度、力密度及運(yùn)行效率。將橫向磁通結(jié)構(gòu)應(yīng)用于永磁直線電機(jī)中而得到的橫向磁通永磁直線電機(jī),進(jìn)一步提高了電機(jī)的功率密度和力密度,同時(shí)因?yàn)槠渚哂须姶咆?fù)荷獨(dú)立設(shè)置的優(yōu)勢(shì),也更有利于電機(jī)的最高效率設(shè)計(jì)。因此,橫向磁通永磁直線電機(jī)在軌道交通牽引、傳送帶驅(qū)動(dòng)、直線發(fā)電等較大功率直線直驅(qū)領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。目前已開發(fā)出了多種結(jié)構(gòu)型式的橫向磁通永磁直線電機(jī),以滿足這些領(lǐng)域的需求。但到目前為止,橫向磁通永磁直線電機(jī)未能在高精度直線直驅(qū)如高檔機(jī)床的進(jìn)給應(yīng)用中獲得突破。橫向磁通永磁直線電機(jī)在具備橫向磁通結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)的同時(shí),也引入了如下缺點(diǎn):(1)高漏磁,因而降低了其功率因數(shù),也影響到其功率密度、力密度及運(yùn)行效率的提高;(2)高力脈動(dòng),因而影響到其位置精度,削弱了直線電機(jī)本質(zhì)上的高位置精度優(yōu)越性;(3)磁路復(fù)雜,分析困難,該類電機(jī)磁路為三維結(jié)構(gòu),三維有限元分析不但建模困難,而且分析計(jì)算十分耗時(shí),不便于進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和多物理場(chǎng)聯(lián)合仿真分析;(4)裝配困難,由于該電機(jī)特殊的三維磁路結(jié)構(gòu),導(dǎo)致生產(chǎn)裝配困難。因此本文基于橫向磁通永磁直線電機(jī),對(duì)其結(jié)構(gòu)、分析模型和優(yōu)化設(shè)計(jì)及電磁場(chǎng)耦合建模分析進(jìn)行創(chuàng)新,本文主要包括以下幾部分內(nèi)容:1.新型橫向磁通永磁直線電機(jī)的提出、結(jié)構(gòu)優(yōu)越性、原理及漏磁分析針對(duì)傳統(tǒng)橫向磁通永磁直線電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,裝配困難的問題,從橫向磁通永磁直線電機(jī)基本運(yùn)行原理著手,提出了兩種新型結(jié)構(gòu)的橫向磁通永磁直線電機(jī):Ⅰ型鐵心橫向磁通永磁直線電機(jī)和E型鐵心橫向磁通永磁直線電機(jī)。本文針對(duì)提出的新型橫向磁通永磁直線電機(jī)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行原理進(jìn)行了分析,詳細(xì)介紹了這兩種新型電機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)越性,并對(duì)其漏磁情況進(jìn)行分析,詳細(xì)闡述了橫向磁通永磁直線電機(jī)所特有的永磁體漏磁和繞組漏磁。2.橫向磁通永磁直線電機(jī)許克變換分析模型的提出和基于該模型的電磁場(chǎng)分析計(jì)算。為彌補(bǔ)該電機(jī)三維有限元法建模困難、計(jì)算耗時(shí)大及不便于進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的弊端,本文采用二維方法建立電機(jī)氣隙磁場(chǎng)分析模型,進(jìn)而求取電機(jī)性能,提出了橫向磁通永磁直線電機(jī)的許克變換分析模型并進(jìn)行了電磁場(chǎng)分析和電機(jī)性能的計(jì)算。該分析模型具有計(jì)算精度高、速度快的特點(diǎn),同時(shí)可以考慮主極磁場(chǎng)的邊緣效應(yīng)、主極間的漏磁場(chǎng)和氣隙磁場(chǎng)的分布。首先對(duì)該直線電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行等效簡化,在保證氣隙磁場(chǎng)不發(fā)生變化的前提下將電機(jī)的三維結(jié)構(gòu)等效為二維結(jié)構(gòu);其次建立了兩種新型橫向磁通直線電機(jī)的許克變換分析模型;再次以E型橫向磁通直線電機(jī)為例,采用許克變換分析模型,計(jì)算電機(jī)的氣隙磁場(chǎng),通過氣隙磁場(chǎng)求出該電機(jī)空載永磁電動(dòng)勢(shì)、定位力波動(dòng)、負(fù)載力波動(dòng)等;最后,通過三維電磁場(chǎng)有限元方法和樣機(jī)試驗(yàn)方法對(duì)許克變換分析模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。3.耦合許克變換分析模型和智能優(yōu)化算法的橫向磁通永磁直線電機(jī)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究首先通過許克變換模型法分析了永磁體形狀對(duì)電機(jī)力波動(dòng)的影響,同時(shí)建立了電機(jī)的功率-尺寸方程,通過該方程得出了電機(jī)各參數(shù)對(duì)電機(jī)性能的影響;然后,鑒于該電機(jī)是一個(gè)多輸入多輸出的非線性強(qiáng)耦合系統(tǒng),在電機(jī)設(shè)計(jì)過程中,很難直接通過對(duì)各參數(shù)單獨(dú)研究來獲得最優(yōu)的結(jié)果,需要采用智能優(yōu)化算法對(duì)電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究,因此提出耦合許克模型分析方法和帶精英策略的快速非支配排序遺傳算法(nondominated sorting genetic algorithm Ⅱ,NSGA-Ⅱ)對(duì)E型橫向磁通永磁直線電機(jī)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì);最后采用電磁場(chǎng)的有限元法對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行比較分析,驗(yàn)證提出的優(yōu)化方法的可行性和正確性。4.橫向磁通永磁直線電機(jī)基于剖分的多平面等效磁網(wǎng)絡(luò)模型的提出和研究為進(jìn)一步研究橫向磁通永磁直線電機(jī)的整體性能,同時(shí)兼顧電機(jī)導(dǎo)磁材料非線性和計(jì)算速度問題,提出該電機(jī)基于剖分的多平面等效磁網(wǎng)絡(luò)模型。首先將三維磁路結(jié)構(gòu)的橫向磁通永磁直線電機(jī)分解為多個(gè)模塊,并使每個(gè)模塊中的主磁場(chǎng)等效到相應(yīng)的一個(gè)平面中;其次對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行二維剖分,進(jìn)而得到基于剖分的多平面等效磁網(wǎng)絡(luò)模型,在這一過程中,采用可變剖分的方法來改變電機(jī)不同位置處剖分單元的大小,以在滿足計(jì)算精度的前提下提高計(jì)算速度;然后基于多平面等效磁網(wǎng)絡(luò)模型建立非線性方程組并進(jìn)行電機(jī)相關(guān)波形和參數(shù)的計(jì)算,在非線性方程組的求解過程中,提出了新的非線性迭代收斂的判定條件;最后將許克變換分析模型法、三維磁場(chǎng)有限元法和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)法的有關(guān)結(jié)果與多平面等效磁網(wǎng)絡(luò)模型法進(jìn)行了比較驗(yàn)證。5.橫向磁通永磁直線電機(jī)電、磁場(chǎng)耦合模型的提出和研究在建立橫向磁通永磁直線電機(jī)多平面等效磁網(wǎng)絡(luò)模型的基礎(chǔ)上,首先將微分方程離散化,并引入受控源、等效電阻和等效電源,然后將電機(jī)控制主電路與磁網(wǎng)絡(luò)模型耦合到一個(gè)網(wǎng)絡(luò)回路中,建立了電機(jī)的電磁場(chǎng)耦合模型。為橫向磁通永磁直線電機(jī)系統(tǒng)提供了一種新的動(dòng)態(tài)性能計(jì)算方法和手段。6.新型結(jié)構(gòu)橫向磁通永磁直線電機(jī)樣機(jī)的試制和實(shí)驗(yàn)制作了新型結(jié)構(gòu)橫向磁通永磁直線電機(jī)樣機(jī),進(jìn)行了樣機(jī)電機(jī)的發(fā)電機(jī)實(shí)驗(yàn)和電動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)。測(cè)試了樣機(jī)空載永磁電動(dòng)勢(shì)、定位力、輸出推力、位置和速度跟隨能力等性能參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,樣機(jī)具有良好的性能。
【學(xué)位單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TM359.4
【部分圖文】：

接驅(qū)動(dòng)等低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩高功率場(chǎng)合得到了一定的應(yīng)用。隨著研究的深入，新型拓??撲結(jié)構(gòu)的橫向磁通永磁旋轉(zhuǎn)電機(jī)相繼出現(xiàn)。ＰｅｅｔｈａｍｐａｒａｍＡｎｐａｌａｈａｎ等提出了一??款橫向磁通永磁旋轉(zhuǎn)電機(jī)［１３］，該電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖１－２所示，它采用的是三相依次??排列的結(jié)構(gòu)，定子三相三繞組依次占據(jù)１２０°的扇形區(qū)域。每相繞組包含多個(gè)導(dǎo)??磁鐵心。從圖中看出，轉(zhuǎn)子部分易于加工，但其線圈安裝工藝性相對(duì)較差。??３??

圖１－２三相同圓周排列橫向磁通電機(jī)??ＹｕｔａＹａｍａｍｏｔｏ等學(xué)者提出了一款Ｃ型定子的橫向磁通永磁旋轉(zhuǎn)電機(jī)［１４］，如??圖１－３所示，該電機(jī)采用集中繞組，定子鐵心采用疊片結(jié)構(gòu)，該電機(jī)可通過定子??鐵心和永磁體個(gè)數(shù)的相互配合形成多相電機(jī)，與其他形式的類似結(jié)構(gòu)電機(jī)相比有??較大優(yōu)勢(shì)，但該電機(jī)繞組分布位于轉(zhuǎn)子永磁體兩側(cè)，定子鐵心極面采用梯形結(jié)構(gòu)，??增加了定子鐵心疊片的加工和安裝難度，減小了定子繞組的擺放空間。在一定程??度上犧牲了橫向磁通電機(jī)電磁負(fù)荷獨(dú)立設(shè)置的優(yōu)勢(shì)。??麵?．??教＇響??圖１－３?Ｃ型定子的橫向磁通電機(jī)??宮曉、徐衍亮等學(xué)者提出一種新型盤式橫向磁通永磁旋轉(zhuǎn)電機(jī)｜１５１，該電機(jī)結(jié)??構(gòu)如圖１－４所示，其與文獻(xiàn)［１４］提出的Ｃ型定子的橫向磁通永磁旋轉(zhuǎn)電機(jī)不同，??該電機(jī)定子鐵心極面沒有采用梯形結(jié)構(gòu)，而且繞組沒有分布于永磁體兩側(cè)，具有??安裝簡單，電磁負(fù)荷獨(dú)立設(shè)置，功率密度高等優(yōu)點(diǎn)。該電機(jī)主磁通通過Ｃ形鐵??心、氣隙和轉(zhuǎn)子盤形成閉合回路

山東大學(xué)博士學(xué)位論文??永磁體??圖１－２三相同圓周排列橫向磁通電機(jī)??ＹｕｔａＹａｍａｍｏｔｏ等學(xué)者提出了一款Ｃ型定子的橫向磁通永磁旋轉(zhuǎn)電機(jī)［１４］，如??圖１－３所示，該電機(jī)采用集中繞組，定子鐵心采用疊片結(jié)構(gòu)，該電機(jī)可通過定子??鐵心和永磁體個(gè)數(shù)的相互配合形成多相電機(jī)，與其他形式的類似結(jié)構(gòu)電機(jī)相比有??較大優(yōu)勢(shì)，但該電機(jī)繞組分布位于轉(zhuǎn)子永磁體兩側(cè)，定子鐵心極面采用梯形結(jié)構(gòu)，??增加了定子鐵心疊片的加工和安裝難度，減小了定子繞組的擺放空間。在一定程??度上犧牲了橫向磁通電機(jī)電磁負(fù)荷獨(dú)立設(shè)置的優(yōu)勢(shì)。??麵?．??教＇響??圖１－３?Ｃ型定子的橫向磁通電機(jī)??宮曉、徐衍亮等學(xué)者提出一種新型盤式橫向磁通永磁旋轉(zhuǎn)電機(jī)｜１５１，該電機(jī)結(jié)??構(gòu)如圖１－４所示，其與文獻(xiàn)［１４］提出的Ｃ型定子的橫向磁通永磁旋轉(zhuǎn)電機(jī)不同，??該電機(jī)定子鐵心極面沒有采用梯形結(jié)構(gòu)
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