球形電機(jī)由于其結(jié)構(gòu)緊湊,多自由度運(yùn)動方式靈活等特征,在機(jī)器人手臂、關(guān)節(jié)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。作為一種三維強(qiáng)耦合電磁機(jī)構(gòu),目前對于球形電機(jī)三維氣隙磁場和轉(zhuǎn)矩計算以有限元方法模擬為主。然而,盡管計算機(jī)性能在不斷提升,有限元計算仍然是一種計算量大、計算時間長、計算結(jié)果一致性較低的分析手段。因此采用解析或數(shù)值算法替代有限元計算,建立準(zhǔn)確快速的模型來分析電機(jī)的磁場和轉(zhuǎn)矩,進(jìn)而實現(xiàn)球形電機(jī)的優(yōu)化控制,一直是球形電機(jī)基礎(chǔ)研究的重要內(nèi)容。本文針對球形電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、磁場與轉(zhuǎn)矩解析模型研究、優(yōu)化控制等展開研究,主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下:（1）設(shè)計了一臺定子24線圈2層分布、轉(zhuǎn)子16塊永磁體按照Halbach規(guī)律排列成單圈8極的永磁球形電機(jī)。采用有限元分析軟件對電機(jī)的空載磁場和轉(zhuǎn)矩特性進(jìn)行了仿真,對磁場和轉(zhuǎn)矩分析中疊加定理的適用性進(jìn)行了驗證。（2）根據(jù)安培分子環(huán)流假說,采用等效面電流方法對立方體永磁體進(jìn)行等效,推導(dǎo)出矩形永磁體的空間磁場分布表達(dá)式。根據(jù)疊加定理并運(yùn)用空間坐標(biāo)變換,建立了Halbach陣列永磁球形電機(jī)氣隙磁場的三維解析模型。將推導(dǎo)的磁密模型程序化,采用有限元計算軟件進(jìn)行仿真對比,并使用高斯計... 

【文章來源】：安徽大學(xué)安徽省211工程院校

【文章頁數(shù)】：117 頁

【學(xué)位級別】：博士

【部分圖文】：

六關(guān)節(jié)串聯(lián)機(jī)械臂

安徽大學(xué)博士學(xué)位論文1第一章緒論1.1課題的研究背景及意義電動機(jī)以其能源傳輸?shù)谋憷裕刂频臏?zhǔn)確性，與計算機(jī)結(jié)合的直接性，作為工業(yè)領(lǐng)域主要的動力來源，推動工業(yè)進(jìn)步的同時也在不斷適應(yīng)著工業(yè)應(yīng)用提出的新要求。隨著產(chǎn)業(yè)自動化對工業(yè)機(jī)器人，特別是多自由度運(yùn)動機(jī)械臂的現(xiàn)實要求發(fā)展，電機(jī)的運(yùn)動方式從單純的一維圓周旋轉(zhuǎn)開始向多自由度運(yùn)動發(fā)展。目前成熟的多自由度機(jī)械臂均采用多個單自由度電機(jī)串并聯(lián)組合，結(jié)合機(jī)械式運(yùn)動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)組成，如圖1.1、1.2，每臺電機(jī)分別執(zhí)行一個維度運(yùn)動。串聯(lián)式機(jī)械臂的研究已經(jīng)形成了成熟的理論體系[1-4]，取得了顯著的進(jìn)步并得到廣泛的應(yīng)用。但多臺單自由度電機(jī)組合帶來的缺陷仍然嚴(yán)重限制了工業(yè)機(jī)械臂的使用前景：（1）多臺電機(jī)加上復(fù)雜的傳動機(jī)構(gòu)，造成整套機(jī)械臂的運(yùn)動復(fù)雜度越高則體積越大，與越是狹小的空間越要求機(jī)械臂運(yùn)動復(fù)雜度要高相矛盾。（2）末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置誤差來自各個關(guān)節(jié)部位誤差的累積并放大，導(dǎo)致運(yùn)動復(fù)雜度越高的機(jī)械臂誤差也越大[5-7]。（3）復(fù)雜的傳動機(jī)構(gòu)導(dǎo)致整套系統(tǒng)的可靠性下降。（4）多臺單自由度電機(jī)分別控制，使得每一臺電機(jī)的利用率低下，傳動效率和響應(yīng)速度不高。由于以上原因，串并聯(lián)式機(jī)械臂并不能完全滿足工業(yè)界對多自由度運(yùn)動機(jī)構(gòu)的需求。圖1.1六關(guān)節(jié)串聯(lián)機(jī)械臂圖1.2并聯(lián)機(jī)械臂

安徽大學(xué)博士學(xué)位論文3空心線圈和一個轉(zhuǎn)子磁極之間相互作用力矩，推導(dǎo)整臺電機(jī)轉(zhuǎn)矩表達(dá)式的方法，成為后來球形電機(jī)研究的基本方法[31]。圖1.3磁阻步進(jìn)式球形電機(jī)結(jié)構(gòu)外觀圖圖1.4新式變磁阻步進(jìn)式球形電機(jī)原理圖作為磁阻步進(jìn)式球形電機(jī)后續(xù)發(fā)展的代表，韓國漢陽大學(xué)H.Shin，M.Modarres，B.Kwon等人設(shè)計了一種雙邊勵磁的步進(jìn)式球形電機(jī)[32]，如圖1.5。這個電機(jī)它結(jié)構(gòu)特征明顯，一是定轉(zhuǎn)子都沒有永磁體，二是定轉(zhuǎn)子多層繞組分別通電。同時其結(jié)構(gòu)清晰表達(dá)了它的運(yùn)動原理：從Z方向看是一臺普通步進(jìn)電機(jī)，只要給轉(zhuǎn)子部分繞組通直流電形成個4極轉(zhuǎn)子，就可以按照步進(jìn)電機(jī)方式單拍雙拍運(yùn)行實現(xiàn)自旋。從X或Y方向看，這臺電機(jī)相當(dāng)于步進(jìn)電機(jī)的一個扇區(qū)，圖1.6。給定子磁極上的兩層線圈持續(xù)通直流電，轉(zhuǎn)子各層線圈按照豎直方向順序依次通電，就可實現(xiàn)步進(jìn)式俯仰運(yùn)動。研究團(tuán)隊建立了所開發(fā)電機(jī)的非線性等效磁路模型，并給出了不同位置的磁阻轉(zhuǎn)矩計算值和實驗值比對，總結(jié)了運(yùn)行特征。

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本文編號：3614071