低推力波動(dòng)組合鐵芯永磁同步直線電機(jī)的特性分析與優(yōu)化.pdf

1、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。永磁同步直線電機(jī)是高速和高精密數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)的最佳方案和最關(guān)鍵的零部件之一。
　　永磁同步直線電機(jī)的推力波動(dòng)是影響高速和高精密直線運(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電機(jī)這一新型的結(jié)構(gòu)型式來減小推力波動(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

2、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，

3、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.

4、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電機(jī)和三鐵芯組合永磁同步直線電機(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電機(jī)，創(chuàng)新提出了一種新

5、型的鐵芯內(nèi)置永磁體的組合鐵芯永磁同步直線電機(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)永磁同步直線電機(jī)及組合鐵芯永磁同步直線電機(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電機(jī)超調(diào)量增大的問題，詳細(xì)分析了直線電機(jī)的推力特性影響因素，建立了直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)方程，對(duì)直線電機(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

6、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電機(jī)提