动磁钢式磁悬浮平面电机的设计与建模研究

摘要

磁悬浮平面电机是多自由度机电驱动器中的一种，它在xy平面上运动，相当于多个直线电机复合叠加后的效果，磁悬浮平面电机最大的优点是定子和动子之间不需要电缆连接，而是由磁铁阵列下面通电的线圈阵列，给动子提供水平和垂直方向的驱动力。
　　本文设计方案为动磁钢式人字形（HPPA）磁悬浮平面电机，文中完成了磁铁和线圈等相关材料的选型，给出了磁悬浮平面电机的详细设计步骤，本文这种方案成功避免了当线圈阵列通入电流时，受电磁力的作用而相互运动的影响，在此基础之上给出了磁悬浮平面电机的详细设计图纸，并由solidworks软件给出了它的三维效果图。
　　其次，对于动磁钢式二维Halbach阵列，本文给出了其理论推导过程，并利用电磁学分析软件ANSYS/Emag模块对该设计方案的单边性和正弦性等相关特性加以验证，这为接下来的磁悬浮平面电机的理论分析奠定了基础。
　　接下来，本文给出了当单个线圈通电后受电磁力的理论推导过程，在对磁悬浮平面电机特性进行合理的假设基础之上，基于模式力的概念建立了磁悬浮平面电机动力学模型，并给出了其解耦动力学方程。
　　在本文最后一章，首先介绍了欧拉角的概念，在结合磁悬浮平面电机质量，转动惯量等相关特性情况下，以及考虑不确定因素k=k1+△k情形下，在此基础上列写出了单自由度动力学状态方程。在多自由度运动中，首先设定了6个状态变量，接下来对电磁力进行线性化，最终给出了基于小信号模型的状态空间方程。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 磁悬浮平面电机研究现状

1.3 论文选题及课题来源

1.4 本文的研究内容及章节安排

1.5 展望

第2章 磁悬浮平面电机结构设计

2.1 引言

2.2整体结构设计

2.3 磁钢结构设计

2.4 定子部分结构设计

2.5本章小结

第3章 Halbach磁铁阵列电磁场ANSYS有限元仿真

3.1 电磁学软件ANSYS介绍

3.2麦克斯韦电磁场理论

3.3 Halbach磁铁阵列有限元分析

3.4 Halbach磁体阵列建模

3.5本章小结

第4章 动力学建模

4.1引言

4.2单个线圈对动子作用力

4.3坐标系和力矢量定义

4.4解耦动力学模型

4.5本章小结

第5章 单自由度和六自由度建模

5.1欧拉角的定义

5.2 磁悬浮平面电机动子特性

5.3 磁悬浮平面电机垂直方向建模

5.4 六自由度建模

5.5本章小结

结论

参考文献

声明

致谢