球形電機由于其結(jié)構(gòu)緊湊,多自由度運動方式靈活等特征,在機器人手臂、關節(jié)等領域具有廣泛的應用前景。作為一種三維強耦合電磁機構(gòu),目前對于球形電機三維氣隙磁場和轉(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,建立準確快速的模型來分析電機的磁場和轉(zhuǎn)矩,進而實現(xiàn)球形電機的優(yōu)化控制,一直是球形電機基礎研究的重要內(nèi)容。本文針對球形電機的結(jié)構(gòu)設計、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)新點如下:（1）設計了一臺定子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。采用有限元分析軟件對電機的空載磁場和轉(zhuǎn)矩特性進行了仿真,對磁場和轉(zhuǎn)矩分析中疊加定理的適用性進行了驗證。（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行等效,推導出矩形永磁體的空間磁場分布表達式。根據(jù)疊加定理并運用空間坐標變換,建立了Halbach陣列永磁球形電機氣隙磁場的三維解析模型。將推導的磁密模型程序化,采用有限元計算軟件進行仿真對比,并使用高斯計... 

【文章來源】：安徽大學安徽省211工程院校

【文章頁數(shù)】：117 頁

【學位級別】：博士

【部分圖文】：

六關節(jié)串聯(lián)機械臂

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

安徽大學博士學位論文3空心線圈和一個轉(zhuǎn)子磁極之間相互作用力矩，推導整臺電機轉(zhuǎn)矩表達式的方法，成為后來球形電機研究的基本方法[31]。圖1.3磁阻步進式球形電機結(jié)構(gòu)外觀圖圖1.4新式變磁阻步進式球形電機原理圖作為磁阻步進式球形電機后續(xù)發(fā)展的代表，韓國漢陽大學H.Shin，M.Modarres，B.Kwon等人設計了一種雙邊勵磁的步進式球形電機[32]，如圖1.5。這個電機它結(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)清晰表達了它的運動原理：從Z方向看是一臺普通步進電機，只要給轉(zhuǎn)子部分繞組通直流電形成個4極轉(zhuǎn)子，就可以按照步進電機方式單拍雙拍運行實現(xiàn)自旋。從X或Y方向看，這臺電機相當于步進電機的一個扇區(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)步進式俯仰運動。研究團隊建立了所開發(fā)電機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)了運行特征。

【參考文獻】：
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本文編號：3614071