【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(jī)床等為代表的復(fù)雜機(jī)電設(shè)備同時(shí)具有高速和高精密特征。永磁同步直線(xiàn)電機(jī)是高速和高精密數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的最佳方案和最關(guān)鍵的零部件之一。永磁同步直線(xiàn)電機(jī)的推力波動(dòng)是影響高速和高精密直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的重要原因之一,本文提出了組合鐵芯永磁同步直線(xiàn)電機(jī)這一新型的結(jié)構(gòu)型式來(lái)減小推力波動(dòng),給出了組合鐵芯電機(jī)結(jié)構(gòu)拓?fù)溥x擇方法,基于疊加原理分別對(duì)組合鐵芯電機(jī)消除端部效應(yīng)力和齒槽力的機(jī)理進(jìn)行深入的分析。分析了組合鐵芯電機(jī)的端部效應(yīng)力特性,提出了端部力最小的最佳鐵芯長(zhǎng)度選擇方法;根據(jù)組合鐵芯電機(jī)各齒槽的相位關(guān)系,對(duì)齒槽力進(jìn)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(jì)方法;得出了組合鐵芯電機(jī)靜磁阻力的精確解析表達(dá)式,揭示了組合鐵芯方法消除電機(jī)靜磁阻力的機(jī)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(xiàn)電機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法:確定設(shè)計(jì)變量,在設(shè)計(jì)變量空間選取試驗(yàn)點(diǎn),利用ANSYS的參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言建立有限元模型,進(jìn)行電磁學(xué)分析,利用響應(yīng)值與試驗(yàn)點(diǎn)的關(guān)系建立組合鐵芯電機(jī)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(jì)者提供一種更便利快捷的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,大幅縮短設(shè)計(jì)周期。優(yōu)化后組合鐵芯電機(jī)靜磁阻力的峰峰值是3.07N,僅為電機(jī)輸出平均推力的1.35%。根據(jù)電機(jī)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果,設(shè)計(jì)并制造了單鐵芯永磁同步直線(xiàn)電機(jī)和三鐵芯組合永磁同步直線(xiàn)電機(jī)原型樣機(jī),搭建了電機(jī)性能測(cè)試試驗(yàn)平臺(tái)。對(duì)電機(jī)的靜磁阻力、反電動(dòng)勢(shì)、電感、輸出推力、定位精度、速度特性和加速度特性等電機(jī)參數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試和研究,對(duì)組合鐵芯方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了新電機(jī)結(jié)構(gòu)的有效性和可行性。為了進(jìn)一步提升電機(jī)的推力輸出密度,有效的抑制推力波動(dòng),論文改進(jìn)了組合鐵芯永磁同步直線(xiàn)電機(jī),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(xiàn)電機(jī),新型電機(jī)在定子上布置永磁體的同時(shí)在鐵芯上也布置永磁體。通過(guò)有限元仿真分析驗(yàn)證,新型電機(jī)與傳統(tǒng)永磁同步直線(xiàn)電機(jī)及組合鐵芯永磁同步直線(xiàn)電機(jī)相比,在推力輸出密度,抑制推力波動(dòng)性能等方面有很大提高。針對(duì)組合鐵芯永磁同步直線(xiàn)電機(jī)超調(diào)量增大的問(wèn)題,詳細(xì)分析了直線(xiàn)電機(jī)的推力特性影響因素,建立了直線(xiàn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)方程,對(duì)直線(xiàn)電機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行了理論分析,建立了啟動(dòng)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(jī)基于數(shù)學(xué)模型的伺服控制系統(tǒng)仿真模型,對(duì)電機(jī)的瞬態(tài)特性進(jìn)行了仿真分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試,得到組合鐵芯永磁同步直線(xiàn)電機(jī)超調(diào)量增大是PID控制系統(tǒng)不能適應(yīng)電機(jī)質(zhì)量和阻尼改變的原因;由此提出并設(shè)計(jì)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(dòng)能力以及電機(jī)對(duì)非線(xiàn)性和不確定性的適應(yīng)能力。論文的成果為低推力波動(dòng)特性的永磁同步直線(xiàn)電機(jī)提供了一種新的選擇方向,提高了電機(jī)的推力輸出密度,改善了電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能,使其具有更低的速度波動(dòng),滿(mǎn)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(xiàn)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖從前視圖方向看，組合鐵芯永磁同步直線(xiàn)電機(jī)可以看作是icn 個(gè)電機(jī)單元的集成，每個(gè)電機(jī)單元初級(jí)鐵芯有sN 個(gè)齒槽。icn 是電機(jī)電源相數(shù)的整數(shù)倍，對(duì)于三相永磁同步直線(xiàn)電機(jī)，組合鐵芯電機(jī)的鐵芯數(shù)為 3,6,9...icn = ，該平板式電機(jī)為串聯(lián)連接結(jié)構(gòu)形式，所有電機(jī)單元的鐵芯共用同一個(gè)次級(jí)，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(jī)的動(dòng)子，非導(dǎo)磁材料也稱(chēng)之為磁障。任何兩個(gè)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(chēng)之為移位因子，其取值依賴(lài)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(gè)極距的整數(shù)。2.2.3 組合鐵芯電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式類(lèi)似于傳統(tǒng)直線(xiàn)電機(jī)，組合鐵芯電機(jī)還有很多其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式，總結(jié)起來(lái)可以根據(jù)以下幾種方式分類(lèi)：

華 中 科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 文d）類(lèi)似于傳統(tǒng)永磁同步直線(xiàn)電機(jī)，組合鐵芯永磁同步直線(xiàn)電機(jī)的外觀(guān)形狀也可分為平板式電機(jī)和圓形電機(jī)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(jì)的組合鐵芯永磁同步直線(xiàn)電機(jī)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(xiàn)電機(jī)很容易構(gòu)建和制造，當(dāng) 3icn = ， 6sN = ， 1fs =時(shí)，幾種典型的組合鐵芯永磁同步直線(xiàn)電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式如圖 2.2 所示。他們的適用場(chǎng)合取決電機(jī)的行程長(zhǎng)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(zhǎng)行程的場(chǎng)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(chǎng)合。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TG659;TM359.4

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本文編號(hào)：2547330