复合驱动式永磁多自由度电机的设计及其特性分析

摘要

随着生产和生活水平的日益提高，人们对于工业装置的稳定性和准确度要求也随之增长。然而传统的多自由度系统装置往往是由多个单自由度电机组成，这对于电机的协调运转和对整体系统的把握需要花费大量的人力和时间，而且这样的系统还会占用较大空间，且传动系统中齿轮之间往往存在较大的磨损。即便如此，其精度和准确性也很难达到要求，这不仅降低了生产效率，也会制约着经济的飞速发展。针对传统多自由度系统装置所带来的问题，国内外众多科研学者将焦点放在了可实现多自由度运动的电机研究和开发上，从而设计并制作出多种永磁多自由度电机。综合各种多自由度电机的优点，本文提出了一种复合驱动式永磁多自由度电机。电机包含了两套运动系统，即大范围运动和精细调节，且在定转子之间充有某种液体，这种设计不仅降低了电机由于定转子摩擦所带来的损耗，而且电机运动精度也得到了保证。本文对该电机的具体研究工作归纳如下：
　　1)首先介绍了复合驱动式永磁多自由度电机的基本结构，给出了电机结构的详细参数，详细阐述了电机的工作原理及通电策略。随后，以解析法基础，求解球坐标下的拉普拉斯方程，从而计算了电机的气隙磁密并得到气隙磁密在三个分量的空间三维曲面图。
　　2)利用ANSOFT有限元软件建立了复合驱动式永磁多自由度电机的模型，分析了电机转子的静磁场以及电机的自转转矩、大范围偏转转矩和精细调节时的转矩，并与解析法计算的气隙磁密作了对比分析。二者相互验证，表明了该电机设计的合理性和有效性。
　　3)利用有限元建立涡流损耗模型，改变电机结构参数，得到涡流损耗云图及不同电机结构参数时的涡流损耗对比曲线。结果表明，适当优化电机结构参数，可减小涡流损耗。
　　4)利用ANSYS Workbench对复合驱动式永磁多自由度电机的温度场进行分析，从而得到了该电机在静态时的温度分布云图、在瞬态下的云图变化以温升曲线。仿真结果说明了电机内部的热分布情况，验证了该电机设计的合理性，为以后电机的优化设计提供理论支持。
　　5)应用虚拟样机软件ADAMS与ANSOFT建模相结合，对复合驱动式永磁多自由电机进行动力学研究。仿真分析了电机转子某一标记点处的运动状况，为该电机的性能优化提供了一定的参考。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 国外多自由度电机发展

1.3 国内多自由度电机发展

1.4 课题研究内容

第2章 复合驱动式永磁多自由度电机介绍及解析法建模

2.1 复合驱动使用此多自由度电机的结构及其工作原理

2.2 复合驱动式永磁多自由度电机磁场解析法建模

2.3 复合驱动式永磁多自由度电机磁场解析法结果分析

2.4 本章小结

第3章 复合驱动式永磁多自由电机有限元建模

3.1 有限元分析原理介绍

3.2 复合驱动式永磁多自由度电机有限元模型

3.3 电机转矩分析

3.4 本章小结

第4章 复合驱动式永磁多自由度电机的涡流损耗分析

4.1 涡流损耗理论分析

4.2 涡流损耗结果分析

4.3 永磁体在不同条件下的涡流损耗

4.4 定子绕组的涡流分析

4.5 本章小结

第5章 复合驱动式永磁多自由度电机的热特性分析

5.1 引言

5.2 电机温度场理论分析

5.3 电机有限元热分析模型的建立

5.4 热分析仿真结果及分析

5.4 磁热耦合仿真结果及分析

5.5 本章小结

第6 章 复合驱动式永磁多自由度电机的运动学仿真

6.1 引言

6.2 ADAMS的分析计算方法

6.3 复合驱动式永磁多自由度电机的转子建模

6.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢