【摘要】：航空航天、新能源、微電子等重大裝備的關(guān)鍵零部件的制造迫切需要高速高精度加工技術(shù),這種需要促使以數(shù)控機床等為代表的復(fù)雜機電設(shè)備同時具有高速和高精密特征。永磁同步直線電機是高速和高精密數(shù)控機床實現(xiàn)直線運動的最佳方案和最關(guān)鍵的零部件之一。永磁同步直線電機的推力波動是影響高速和高精密直線運動的重要原因之一,本文提出了組合鐵芯永磁同步直線電機這一新型的結(jié)構(gòu)型式來減小推力波動,給出了組合鐵芯電機結(jié)構(gòu)拓?fù)溥x擇方法,基于疊加原理分別對組合鐵芯電機消除端部效應(yīng)力和齒槽力的機理進行深入的分析。分析了組合鐵芯電機的端部效應(yīng)力特性,提出了端部力最小的最佳鐵芯長度選擇方法;根據(jù)組合鐵芯電機各齒槽的相位關(guān)系,對齒槽力進行了精確理論解析,明確了齒槽力的影響因素,給出了最小化齒槽力的最佳槽極組合設(shè)計方法;得出了組合鐵芯電機靜磁阻力的精確解析表達式,揭示了組合鐵芯方法消除電機靜磁阻力的機理,并為靜磁阻力最小化的鐵芯數(shù)選擇提供了理論指導(dǎo)。分析了不同鐵芯數(shù)目組合消除靜磁阻力的效率,獲得了高效率消除靜磁阻力的最佳組合鐵芯數(shù)目。提出了基于響應(yīng)曲面法的組合鐵芯永磁同步直線電機結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法:確定設(shè)計變量,在設(shè)計變量空間選取試驗點,利用ANSYS的參數(shù)化設(shè)計語言建立有限元模型,進行電磁學(xué)分析,利用響應(yīng)值與試驗點的關(guān)系建立組合鐵芯電機的響應(yīng)面模型,再采用“多反應(yīng)優(yōu)化法”尋找最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。為設(shè)計者提供一種更便利快捷的優(yōu)化設(shè)計方法,大幅縮短設(shè)計周期。優(yōu)化后組合鐵芯電機靜磁阻力的峰峰值是3.07N,僅為電機輸出平均推力的1.35%。根據(jù)電機參數(shù)優(yōu)化設(shè)計結(jié)果,設(shè)計并制造了單鐵芯永磁同步直線電機和三鐵芯組合永磁同步直線電機原型樣機,搭建了電機性能測試試驗平臺。對電機的靜磁阻力、反電動勢、電感、輸出推力、定位精度、速度特性和加速度特性等電機參數(shù)進行了實驗測試和研究,對組合鐵芯方法進行實驗驗證,實驗結(jié)果驗證了新電機結(jié)構(gòu)的有效性和可行性。為了進一步提升電機的推力輸出密度,有效的抑制推力波動,論文改進了組合鐵芯永磁同步直線電機,創(chuàng)新提出了一種新型的鐵芯內(nèi)置永磁體的組合鐵芯永磁同步直線電機,新型電機在定子上布置永磁體的同時在鐵芯上也布置永磁體。通過有限元仿真分析驗證,新型電機與傳統(tǒng)永磁同步直線電機及組合鐵芯永磁同步直線電機相比,在推力輸出密度,抑制推力波動性能等方面有很大提高。針對組合鐵芯永磁同步直線電機超調(diào)量增大的問題,詳細(xì)分析了直線電機的推力特性影響因素,建立了直線電機運動動力學(xué)方程,對直線電機瞬態(tài)響應(yīng)特性進行了理論分析,建立了啟動特性和停止特性的速度分析數(shù)學(xué)模型,利用Matlab的Simulink仿真工具,建立了電機基于數(shù)學(xué)模型的伺服控制系統(tǒng)仿真模型,對電機的瞬態(tài)特性進行了仿真分析和實驗測試,得到組合鐵芯永磁同步直線電機超調(diào)量增大是PID控制系統(tǒng)不能適應(yīng)電機質(zhì)量和阻尼改變的原因;由此提出并設(shè)計了基于飽和函數(shù)的模糊滑�？刂破�,該控制器可減小系統(tǒng)的超調(diào)量,提高系統(tǒng)伺服控制的穩(wěn)定性、魯棒性、抗擾動能力以及電機對非線性和不確定性的適應(yīng)能力。論文的成果為低推力波動特性的永磁同步直線電機提供了一種新的選擇方向,提高了電機的推力輸出密度,改善了電機的動態(tài)性能,使其具有更低的速度波動,滿足高速和高精密加工的需要。
【圖文】：

圖 2.1 平板式組合鐵芯永磁同步直線電機結(jié)構(gòu)示意圖從前視圖方向看，組合鐵芯永磁同步直線電機可以看作是icn 個電機單元的集成，每個電機單元初級鐵芯有sN 個齒槽。icn 是電機電源相數(shù)的整數(shù)倍，對于三相永磁同步直線電機，組合鐵芯電機的鐵芯數(shù)為 3,6,9...icn = ，該平板式電機為串聯(lián)連接結(jié)構(gòu)形式，所有電機單元的鐵芯共用同一個次級，也就是定子。各鐵芯之間用非導(dǎo)磁鋼等非導(dǎo)磁材料剛性連接在一起構(gòu)成組合電機的動子，非導(dǎo)磁材料也稱之為磁障。任何兩個相鄰的鐵芯之間按相同的位置差0 f icn τ +s τn依次均勻的安放在定子上。fs在本文中稱之為移位因子，其取值依賴于齒槽數(shù)和槽極組合關(guān)系。τ為永磁體極距，0n 為可以確保相鄰兩鐵芯之間間隙大于一個極距的整數(shù)。2.2.3 組合鐵芯電機拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式類似于傳統(tǒng)直線電機，組合鐵芯電機還有很多其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式，總結(jié)起來可以根據(jù)以下幾種方式分類：

華 中 科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 文d）類似于傳統(tǒng)永磁同步直線電機，組合鐵芯永磁同步直線電機的外觀形狀也可分為平板式電機和圓形電機兩種結(jié)構(gòu)形式。e）按照永磁體的安放形式有表貼式永磁體結(jié)構(gòu)形式和內(nèi)嵌式永磁體結(jié)構(gòu)形式。本文設(shè)計的組合鐵芯永磁同步直線電機采用表貼式永磁體、有槽鐵芯、平板式的結(jié)構(gòu)形式。組合鐵芯永磁同步直線電機很容易構(gòu)建和制造，當(dāng) 3icn = ， 6sN = ， 1fs =時，幾種典型的組合鐵芯永磁同步直線電機的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式如圖 2.2 所示。他們的適用場合取決電機的行程長度、安裝空間和散熱環(huán)境等等。圖 2.2(a)和 2.2(d)適用于大功率、高推力及長行程的場合，這種結(jié)構(gòu)形式可以節(jié)省大量的永磁體，，從而降低成本；圖 2.2(b)和 2.2(c)適用于大行程高推力且有足夠的安裝空間的場合。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TG659;TM359.4

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本文編號：2547330