精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)用永磁直線同步電機(jī)的磁場(chǎng)分析與電磁力研究.pdf

1、永磁直線同步電機(jī)（Permanent Magnet Linear Synchronous Motor，PMLSM）具有推力密度高、響應(yīng)速度快；可靠性好、效率高；可控性好、精度高等顯著優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)中，實(shí)現(xiàn)高速長(zhǎng)行程運(yùn)動(dòng)和微米級(jí)、亞微米級(jí)的定位精度。由于初級(jí)鐵心縱向開(kāi)斷，直線電機(jī)存在特有的縱向端部效應(yīng)，同時(shí)受齒槽效應(yīng)、橫向端部效應(yīng)和外懸效應(yīng)等因素的影響，氣隙磁場(chǎng)發(fā)生了很大的畸變。受現(xiàn)有加工制造、安裝精度及人為等因素的限制，永

2、磁直線同步電機(jī)三維空間磁場(chǎng)分布存在非對(duì)稱性，產(chǎn)生了寄生力或力矩，使電機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)和噪音。本文以精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)用永磁直線同步電機(jī)為研究對(duì)象，針對(duì)以上問(wèn)題開(kāi)展計(jì)及齒槽效應(yīng)、端部效應(yīng)和外懸效應(yīng)的永磁直線同步電機(jī)磁場(chǎng)精確解析、三維電磁力分析以及性能參數(shù)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究。
　　本文首先分別建立基于永磁體等效磁化強(qiáng)度法和電樞繞組等效面電流法的永磁直線同步電機(jī)層分析模型，根據(jù)對(duì)稱和非對(duì)稱的邊界條件得到無(wú)鐵心和無(wú)槽PMLSM永磁體勵(lì)磁磁場(chǎng)與電

3、樞反應(yīng)磁場(chǎng)?？紤]到鐵心開(kāi)齒槽和永磁體斜極的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分別建立考慮齒槽效應(yīng)和斜極效應(yīng)的分析模型，推導(dǎo)氣隙相對(duì)磁導(dǎo)分布函數(shù)和斜極、類V形斜極磁極結(jié)構(gòu)的參數(shù)等效轉(zhuǎn)換表達(dá)式，得出斜極有鐵心PMLSM的永磁體勵(lì)磁磁場(chǎng)與電樞反應(yīng)磁場(chǎng)。結(jié)合不同的邊界條件，建立的計(jì)及齒槽效應(yīng)和斜極效應(yīng)永磁直線同步電機(jī)磁場(chǎng)分析方法具有廣泛的適應(yīng)性。上述分析為后續(xù)完善計(jì)及端部效應(yīng)的永磁直線同步電機(jī)磁場(chǎng)精確解析方法奠定理論基礎(chǔ)。
　　由于短初級(jí)長(zhǎng)次級(jí) PMLSM動(dòng)子鐵

4、心在縱向和橫向方向均為有效長(zhǎng)，電機(jī)縱向端部和橫向端部的磁場(chǎng)發(fā)生很大的畸變，分別針對(duì)縱向和橫向端部效應(yīng)及外懸效應(yīng)展開(kāi)研究。在縱向端部效應(yīng)靜態(tài)模型的基礎(chǔ)上，建立能模擬縱向端部效應(yīng)的鐵心端部虛擬邊界模型，得出在動(dòng)子運(yùn)動(dòng)過(guò)程中短初級(jí)有鐵心 PMLSM縱向端部區(qū)域的磁場(chǎng)分布。建立考慮外懸效應(yīng)的有鐵心 PMLSM橫向端部效應(yīng)分析模型，研究揭示外懸效應(yīng)機(jī)理和不同外懸長(zhǎng)度對(duì)橫向端部磁場(chǎng)的影響規(guī)律，并分析橫向端部效應(yīng)與外懸效應(yīng)的內(nèi)在關(guān)系。采用等效磁荷法和

5、鏡像法精確解析無(wú)鐵心PMLSM的三維空載氣隙磁場(chǎng)，分析橫向端部效應(yīng)對(duì)氣隙磁場(chǎng)的影響規(guī)律。最終建立計(jì)及各種效應(yīng)的永磁直線同步電機(jī)磁場(chǎng)精確解析方法。
　　在計(jì)及齒槽效應(yīng)、斜極效應(yīng)、端部效應(yīng)和外懸效應(yīng)的永磁直線同步電機(jī)磁場(chǎng)分析方法的基礎(chǔ)上，以精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)中常用的具有代表性的無(wú)鐵心和有鐵心PMLSM作為具體研究對(duì)象，開(kāi)展三維電磁力研究。先闡述永磁直線同步電機(jī)寄生力的定義及其主要產(chǎn)生原因，揭示出永磁直線同步電機(jī)寄生力及其波動(dòng)的產(chǎn)生機(jī)理。推導(dǎo)

6、無(wú)鐵心PMLSM的三維電磁力表達(dá)式，研究揭示繞組端部產(chǎn)生的電磁推力和初級(jí)、次級(jí)發(fā)生橫向偏移時(shí)產(chǎn)生的橫向寄生力的變化規(guī)律。之后，采用改進(jìn)積分路徑的麥克斯韋應(yīng)力法推導(dǎo)有鐵心PMLSM定位力與空載法向力、電磁推力和負(fù)載法向力；在建立斜極永磁體等效為載流導(dǎo)體的分析模型基礎(chǔ)上，推導(dǎo)斜極有鐵心PMLSM橫向寄生力表達(dá)式，揭示斜極有鐵心PMLSM橫向力及其波動(dòng)的產(chǎn)生機(jī)理，并研究極槽配比、永磁體傾斜長(zhǎng)度、外懸長(zhǎng)度、相電流等電磁參數(shù)對(duì)橫向力及其波動(dòng)的影響

7、規(guī)律。研制旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)+滾珠絲杠副加載的直線電機(jī)氣浮測(cè)試平臺(tái)，并開(kāi)展PMLSM樣機(jī)電磁力測(cè)試研究。
　　基于精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的應(yīng)用背景，分別確定無(wú)鐵心和有鐵心PMLSM關(guān)鍵的性能參數(shù)，開(kāi)展性能分析、多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)和兩種類型電機(jī)性能對(duì)比評(píng)估等方面的研究。對(duì)于無(wú)鐵心PMLSM，分析非重疊和重疊集中繞組電機(jī)的最佳極槽配比；研究揭示永磁體和電樞繞組的結(jié)構(gòu)、尺寸對(duì)推力體積密度、推力質(zhì)量密度、電機(jī)常數(shù)和推力波動(dòng)的影響規(guī)律。對(duì)于有鐵心PMLSM，提