發(fā)布時(shí)間：2018-04-05 00:40

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

【摘要】：長(zhǎng)初級(jí)永磁直線同步電機(jī)具有動(dòng)子質(zhì)量小、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，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(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，在高速及長(zhǎng)行程運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合具有廣闊的應(yīng)用前景。模塊組合電機(jī)能夠靈活實(shí)現(xiàn)多種拓?fù)漕?lèi)型的匹配，本文以連續(xù)定子型初級(jí)繞組分段永磁直線同步電機(jī)為研究對(duì)象。由于次級(jí)與繞組分段的初級(jí)模塊均為有限長(zhǎng)，雙“開(kāi)斷”的縱向端部令初級(jí)繞組分段永磁直線同步電機(jī)具有與傳統(tǒng)直線電機(jī)不同的電磁特性。本文通過(guò)分析兩類(lèi)端部效應(yīng)的影響機(jī)理和作用規(guī)律，探索計(jì)及端部效應(yīng)的磁場(chǎng)解析與磁路模型修正計(jì)算方法，開(kāi)展雙端部效應(yīng)影響下的電磁參數(shù)及電磁力波動(dòng)問(wèn)題的研究，總結(jié)電機(jī)設(shè)計(jì)及運(yùn)行中的規(guī)律性特征，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確描述和應(yīng)用拓展研究。 首先結(jié)合運(yùn)動(dòng)及驅(qū)動(dòng)方式分析初級(jí)模塊化、分段長(zhǎng)度及極槽配合等電磁方案的配合準(zhǔn)則與適用范圍。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)長(zhǎng)初級(jí)電機(jī)損耗大的問(wèn)題，開(kāi)展以最大電機(jī)常數(shù)為優(yōu)化目標(biāo)的電磁負(fù)荷配比研究，獲得不同極槽配合電機(jī)的最優(yōu)配比計(jì)算方法，為電機(jī)主要設(shè)計(jì)尺寸的確定提供參考；隨后開(kāi)展分段永磁直線樣機(jī)的電機(jī)常數(shù)測(cè)試研究，并指出該常數(shù)可作為電機(jī)磁飽和狀態(tài)的靈敏性表征量。通過(guò)異型磁極磁場(chǎng)的細(xì)分逼近分析、半開(kāi)域磁場(chǎng)邊界確定等求解問(wèn)題的處理，進(jìn)行初級(jí)模塊區(qū)域磁場(chǎng)儲(chǔ)能的計(jì)算,獲得段間過(guò)渡時(shí)磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)行為的數(shù)學(xué)描述。上述分析為后續(xù)電機(jī)兩類(lèi)端部效應(yīng)問(wèn)題的深入探究奠定理論基礎(chǔ)。 在次級(jí)有限長(zhǎng)所引起的端部效應(yīng)研究中，首先建立次級(jí)縱向端部效應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，基于區(qū)域邊界條件法解析獲得計(jì)及該端部效應(yīng)的磁場(chǎng)計(jì)算修正因子，并總結(jié)出端部效應(yīng)對(duì)氣隙磁場(chǎng)的影響規(guī)律。研究表明，，次級(jí)端部效應(yīng)引起了不均勻分布的氣隙磁場(chǎng)和局部飽和現(xiàn)象，選擇合理的端部磁極尺寸比及次級(jí)軛板延伸長(zhǎng)度可抑制其影響。繼而開(kāi)展計(jì)及次級(jí)端部效應(yīng)的電機(jī)空載磁路模型簡(jiǎn)化等效研究，并在此基礎(chǔ)上深入分析電機(jī)的空載漏磁系數(shù)及永磁磁鏈參數(shù)特征，通過(guò)反電勢(shì)測(cè)試及磁鏈計(jì)算驗(yàn)證了分析結(jié)論。 在繞組分段的初級(jí)模塊端部效應(yīng)研究中，主要分析了端部未通電鐵心對(duì)模塊端部磁場(chǎng)的影響，獲得不同邊界條件下初級(jí)模塊的電感不平衡規(guī)律。研究結(jié)果表明，齒槽類(lèi)直線電機(jī)的端部漏磁場(chǎng)沿鐵心的延伸路徑受制，端部鐵心長(zhǎng)度的變化對(duì)端部磁場(chǎng)的影響微弱；集中繞組電機(jī)首段和尾段的端部繞組自感要低于中間區(qū)域繞組。通過(guò)初級(jí)模塊的不對(duì)稱特性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)獲得影響電流不對(duì)稱狀態(tài)的關(guān)聯(lián)與非關(guān)聯(lián)因素。進(jìn)而基于解析及有限元法分析電機(jī)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(guān)系。計(jì)算結(jié)果表明，基于區(qū)域磁場(chǎng)儲(chǔ)能函數(shù)化及端部?jī)?chǔ)能等效補(bǔ)償?shù)哪芰繑z動(dòng)法可較準(zhǔn)確地對(duì)段間相電感進(jìn)行參數(shù)化分析。對(duì)考慮兩類(lèi)端部效應(yīng)的磁場(chǎng)計(jì)算、磁路等效方法以及關(guān)聯(lián)電磁參數(shù)的研究實(shí)現(xiàn)了電機(jī)電磁關(guān)系的準(zhǔn)確表達(dá)，是探索更為便捷的電機(jī)靜、動(dòng)態(tài)特性分析方法的重要環(huán)節(jié)和基礎(chǔ)，同時(shí)分析過(guò)程中所確立的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則對(duì)電機(jī)精細(xì)化設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。 基于區(qū)域及端部效應(yīng)磁場(chǎng)特征，開(kāi)展電機(jī)關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算及測(cè)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(lì)結(jié)合微分計(jì)算的方法進(jìn)行耦合電感電流特性的實(shí)驗(yàn)研究。計(jì)算結(jié)果表明，集中繞組電機(jī)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(jí)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(jì)算方法開(kāi)展電機(jī)鐵耗的速度與負(fù)載特性研究，進(jìn)而得到不同組合狀態(tài)中初級(jí)模塊鐵耗的變化規(guī)律。提出分段直線電機(jī)參數(shù)拓展研究的思路，在各類(lèi)參數(shù)分析中，構(gòu)建其與基本組合尺寸的關(guān)系，擴(kuò)展現(xiàn)有電機(jī)數(shù)學(xué)模型的適用范圍，并在此基礎(chǔ)上了搭建考慮鐵耗的初級(jí)繞組分段永磁直線同步電機(jī)的動(dòng)態(tài)仿真模型。 兩類(lèi)縱向端部效應(yīng)是初級(jí)繞組分段永磁直線同步電機(jī)電磁力波動(dòng)的重要來(lái)源。首先提出永磁直線同步電機(jī)定位力的統(tǒng)一解析模型，獲得電機(jī)定位力的頻率特性，并結(jié)合電勢(shì)電流法分析電機(jī)的推力波動(dòng)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(chǎng)優(yōu)化方法，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)中特有波動(dòng)力的有效抑制。針對(duì)分段電機(jī)中不一致的機(jī)械氣隙狀態(tài)，以及段間過(guò)渡時(shí)相鄰兩段初級(jí)繞組電流存在的誤差量等非理想電磁狀態(tài)，開(kāi)展電磁力波動(dòng)特性的研究。研究結(jié)果表明，在發(fā)生氣隙或電流偏差時(shí)，推力波動(dòng)中的2p次及其倍數(shù)次諧波顯著；段間電流幅值偏差會(huì)引起推力平均值和波動(dòng)量均發(fā)生變化，而相位偏差僅引起波動(dòng)量變化。這些分析將為新型高可靠性直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)及其應(yīng)用范圍的拓展奠定理論和技術(shù)基礎(chǔ)。
[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(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類(lèi)號(hào)】：TM341

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1712455