本文選題：永磁直線同步電機　切入點：繞組分段　出處：《哈爾濱工業(yè)大學》2014年博士論文

【摘要】：長初級永磁直線同步電機具有動子質量小、可靠性好等優(yōu)點，并可綜合考慮效率、可控性及安全生命周期等因素，采用模塊化和標準化設計，在高速及長行程運動場合具有廣闊的應用前景。模塊組合電機能夠靈活實現(xiàn)多種拓撲類型的匹配，本文以連續(xù)定子型初級繞組分段永磁直線同步電機為研究對象。由于次級與繞組分段的初級模塊均為有限長，雙“開斷”的縱向端部令初級繞組分段永磁直線同步電機具有與傳統(tǒng)直線電機不同的電磁特性。本文通過分析兩類端部效應的影響機理和作用規(guī)律，探索計及端部效應的磁場解析與磁路模型修正計算方法，開展雙端部效應影響下的電磁參數(shù)及電磁力波動問題的研究，總結電機設計及運行中的規(guī)律性特征，實現(xiàn)對電機數(shù)學模型的準確描述和應用拓展研究。 首先結合運動及驅動方式分析初級模塊化、分段長度及極槽配合等電磁方案的配合準則與適用范圍。在此基礎上，針對長初級電機損耗大的問題，開展以最大電機常數(shù)為優(yōu)化目標的電磁負荷配比研究，獲得不同極槽配合電機的最優(yōu)配比計算方法，為電機主要設計尺寸的確定提供參考；隨后開展分段永磁直線樣機的電機常數(shù)測試研究，并指出該常數(shù)可作為電機磁飽和狀態(tài)的靈敏性表征量。通過異型磁極磁場的細分逼近分析、半開域磁場邊界確定等求解問題的處理，進行初級模塊區(qū)域磁場儲能的計算,獲得段間過渡時磁場動態(tài)行為的數(shù)學描述。上述分析為后續(xù)電機兩類端部效應問題的深入探究奠定理論基礎。 在次級有限長所引起的端部效應研究中，首先建立次級縱向端部效應的數(shù)學模型，基于區(qū)域邊界條件法解析獲得計及該端部效應的磁場計算修正因子，并總結出端部效應對氣隙磁場的影響規(guī)律。研究表明，，次級端部效應引起了不均勻分布的氣隙磁場和局部飽和現(xiàn)象，選擇合理的端部磁極尺寸比及次級軛板延伸長度可抑制其影響。繼而開展計及次級端部效應的電機空載磁路模型簡化等效研究，并在此基礎上深入分析電機的空載漏磁系數(shù)及永磁磁鏈參數(shù)特征，通過反電勢測試及磁鏈計算驗證了分析結論。 在繞組分段的初級模塊端部效應研究中，主要分析了端部未通電鐵心對模塊端部磁場的影響，獲得不同邊界條件下初級模塊的電感不平衡規(guī)律。研究結果表明，齒槽類直線電機的端部漏磁場沿鐵心的延伸路徑受制，端部鐵心長度的變化對端部磁場的影響微弱；集中繞組電機首段和尾段的端部繞組自感要低于中間區(qū)域繞組。通過初級模塊的不對稱特性實驗進行驗證，同時獲得影響電流不對稱狀態(tài)的關聯(lián)與非關聯(lián)因素。進而基于解析及有限元法分析電機的段間電感及其不平衡特性，探究組合尺寸與段間電感的關系。計算結果表明，基于區(qū)域磁場儲能函數(shù)化及端部儲能等效補償?shù)哪芰繑z動法可較準確地對段間相電感進行參數(shù)化分析。對考慮兩類端部效應的磁場計算、磁路等效方法以及關聯(lián)電磁參數(shù)的研究實現(xiàn)了電機電磁關系的準確表達，是探索更為便捷的電機靜、動態(tài)特性分析方法的重要環(huán)節(jié)和基礎，同時分析過程中所確立的設計準則對電機精細化設計具有重要的指導意義。 基于區(qū)域及端部效應磁場特征，開展電機關鍵參數(shù)的計算及測試方法研究。首先由自、互感波形的諧波系數(shù)得到交、直軸電感及其耦合電感的電流與位移特性，并提出正弦激勵結合微分計算的方法進行耦合電感電流特性的實驗研究。計算結果表明，集中繞組電機首段、中間段與尾段的耦合電感波形在相位和幅值上具有差異性，首段初級的耦合電感波形峰峰值最大，中間段的峰峰值最小。隨后提出分區(qū)域的計算方法開展電機鐵耗的速度與負載特性研究，進而得到不同組合狀態(tài)中初級模塊鐵耗的變化規(guī)律。提出分段直線電機參數(shù)拓展研究的思路，在各類參數(shù)分析中，構建其與基本組合尺寸的關系，擴展現(xiàn)有電機數(shù)學模型的適用范圍，并在此基礎上了搭建考慮鐵耗的初級繞組分段永磁直線同步電機的動態(tài)仿真模型。 兩類縱向端部效應是初級繞組分段永磁直線同步電機電磁力波動的重要來源。首先提出永磁直線同步電機定位力的統(tǒng)一解析模型，獲得電機定位力的頻率特性，并結合電勢電流法分析電機的推力波動特征，隨后提出了端部分裂磁極、端部和中間極面不等極弧系數(shù)等端部磁場優(yōu)化方法，實現(xiàn)了電機中特有波動力的有效抑制。針對分段電機中不一致的機械氣隙狀態(tài)，以及段間過渡時相鄰兩段初級繞組電流存在的誤差量等非理想電磁狀態(tài)，開展電磁力波動特性的研究。研究結果表明，在發(fā)生氣隙或電流偏差時，推力波動中的2p次及其倍數(shù)次諧波顯著；段間電流幅值偏差會引起推力平均值和波動量均發(fā)生變化，而相位偏差僅引起波動量變化。這些分析將為新型高可靠性直接驅動系統(tǒng)的開發(fā)及其應用范圍的拓展奠定理論和技術基礎。
[Abstract]:This paper analyzes the influence mechanism of two kinds of end effects and the calculation method of magnetic circuit model , and studies the electromagnetic parameters and electromagnetic force fluctuation problem under the influence of double - end effect .

In this paper , the matching criterion and the applicable scope of the electromagnetic schemes such as the primary modularization , the sectional length and the pole slot matching are analyzed in combination with the motion and the driving mode . On the basis of this , the optimal matching calculation method is carried out with the maximum motor constant as the optimization target aiming at the problem of large loss of the long primary motor , and the reference is provided for the determination of the main design size of the motor ;
This paper studies the motor constant test of the segmented permanent magnet linear prototype , and points out that the constant can be used as the sensitive characterization of the magnetic saturation state of the motor . Through the subdivision approximation analysis of the special - shaped magnetic pole magnetic field and the determination of the magnetic field boundary of the semi - open field , the mathematical description of the magnetic field dynamic behavior at the time of transition between segments is obtained .

In the research of the end effect caused by the secondary finite length , the mathematical model of the secondary longitudinal end effect is first established , and the influence law of the end effect on the air gap magnetic field is analyzed based on the regional boundary condition method .

In the study of the end effect of the primary module of the winding section , the influence of the non - energized iron core on the magnetic field of the end part of the module is mainly analyzed , and the unbalance law of the inductance of the primary module under different boundary conditions is obtained . The results show that the leakage magnetic field of the end part of the tooth slot linear motor is restrained along the extension path of the iron core , and the influence of the change of the length of the core iron core on the magnetic field of the end part is weak ;
Based on the analysis and the finite element method , the relationship between the size of the motor and the inter - section inductance is obtained . The calculation results show that the energy perturbation method based on the analysis and finite element method can accurately express the inductance between the segments . The calculation results show that the magnetic field calculation , the equivalent method of the magnetic circuit and the correlative electromagnetic parameters have realized the accurate representation of the electromagnetic relationship of the motor .

Based on the characteristics of region and end effect magnetic field , the calculation and test methods of key parameters of the motor are studied . First , the harmonic coefficients of the self - inductance and mutual inductance are obtained , the current and displacement characteristics of the coupling inductance of the direct - axis inductance and the coupling inductance are studied . The calculation results show that the coupling inductance waveform of the first segment , middle segment and tail section of the concentrated winding motor is different in phase and amplitude .

Two kinds of longitudinal end effects are the important sources of electromagnetic force fluctuation of the permanent magnet linear synchronous motor of the primary winding . Firstly , a unified analytical model of the positioning force of the permanent magnet linear synchronous motor is put forward to obtain the frequency characteristic of the motor positioning force .
These analyses will provide a theoretical and technical basis for the development of a new high reliability direct drive system and its application range .

【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TM341

【參考文獻】

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本文編號：1712455