旋轉(zhuǎn)-直線永磁執(zhí)行器運(yùn)行機(jī)理研究.pdf

1、隨著運(yùn)動控制領(lǐng)域?qū)\(yùn)動形式多樣化和控制性能要求的提升，多自由度電機(jī)及其直接驅(qū)動系統(tǒng)正受到越來越多的關(guān)注。作為一類重要的兩自由度電機(jī)，旋轉(zhuǎn)-直線電機(jī)在過去幾十年間獲得了比較廣泛的研究。本文提出了一種新型旋轉(zhuǎn)-直線永磁執(zhí)行器，其特點(diǎn)在于定子采用與軸線成一定夾角的螺旋狀齒槽結(jié)構(gòu)，通過單一定子的激勵就能夠同時輸出轉(zhuǎn)矩和推力，產(chǎn)生螺旋運(yùn)動。通過兩段旋向相反的定子軸向級聯(lián)還可以產(chǎn)生純旋轉(zhuǎn)和純直線運(yùn)動。該執(zhí)行器具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、轉(zhuǎn)矩和推力密度大的

2、特點(diǎn)，在機(jī)器人、機(jī)加工、電動汽車、印制電路板等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。
　　本文首先介紹了執(zhí)行器的定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，解析推導(dǎo)了繞組磁鏈和反電勢的表達(dá)式，揭示了旋轉(zhuǎn)、直線和螺旋運(yùn)動時，相電勢幅值和頻率間存在的倍數(shù)關(guān)系，以及直線運(yùn)動時三相電勢的不對稱性。并將傳統(tǒng)的坐標(biāo)變換理論加以修改，使其適應(yīng)該執(zhí)行器的定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和不同運(yùn)動模式，給出了變換后的磁鏈和電壓方程。從機(jī)電能量轉(zhuǎn)換角度說明了轉(zhuǎn)矩和推力的產(chǎn)生機(jī)理，并給出了用磁鏈和電流表達(dá)的電磁轉(zhuǎn)矩

3、和推力公式，以及轉(zhuǎn)矩推力比與執(zhí)行器結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系。
　　然后，以單個定子的激勵和螺旋運(yùn)動為研究對象，使用MagNet電磁場仿真軟件建立了執(zhí)行器的仿真模型，得到了空載時的磁場分布和相電勢波形。提取氣隙磁密的徑向分量，并將二維傅里葉變換應(yīng)用于氣隙磁密的諧波分析。負(fù)載時，給出了轉(zhuǎn)矩和推力隨時間變化的曲線，并繪制了轉(zhuǎn)矩和推力平均值隨電流變化的曲線，計(jì)算了線性范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)和推力常數(shù)。
　　接下來，闡述了兩個不同旋向的定子軸向級聯(lián)輸

4、出旋轉(zhuǎn)或直線運(yùn)動的原理，并給出了旋轉(zhuǎn)-直線執(zhí)行器的整體結(jié)構(gòu)。說明了正、反兩個方向的旋轉(zhuǎn)和直線運(yùn)動時，每段定子通電的頻率和相序，并且都進(jìn)行了仿真，計(jì)算了各種運(yùn)動模式時執(zhí)行器的效率。
　　最后，針對該執(zhí)行器軸向推力波動較大的現(xiàn)象，對比了空載和負(fù)載時軸向力的波形，分析了負(fù)載時推力波動的成因。以端部效應(yīng)產(chǎn)生的推力波動為抑制對象、以峰-峰值最小為目標(biāo)，平移其中一段鐵心的推力波形，找到了使合成推力波動最小的兩段鐵心的軸向距離。通過該方法，執(zhí)行