基于Halbach阵列无铁心永磁同步伺服电机的设计分析

摘要

为了满足电路板贴片快速大规模贴附的需要，人们开始逐渐摒弃手工，越来越重视采用自动化程度高的贴片机来实现高速高精度的贴放元器件。贴片头是实现贴片的高速、高精度要求的重要部分，它的灵敏度和精度起着决定性的作用，旋转电机是贴片头的一个重要组成部分，是实现贴片机工作要求的决定性因素。针对这种应用环境，本文设计了一台基于Halbach阵列无铁心结构的永磁同步电机，并对其进行了的详细分析研究。
　　首先本文分析了内置式与表贴式永磁同步电机转子结构上的差异。通过对比传统永磁阵列与Halbach永磁阵列的特性，确定了电机的转子结构型式和电机的永磁体排列方式。介绍了定子无铁心结构的优缺点和绕组类型的选择，确定了本文研究电机的整体基本结构。
　　其次本文分析了基于Halbach阵列无铁心永磁伺服电机的电磁模型，提出了一种基于傅立叶分解的磁场分析方法，对电机的磁场做出详细的计算并得出Halbach阵列产生磁场的解析解和电磁力的解析解，进而分析出包括Halbach阵列在内的所有区域的磁场分布与磁场谐波，利于电机的分析与设计，验证了Halbach阵列的优越性。
　　最后利用有限元软件Ansoft建立了电机的物理模型，对其网格特点及优略判定进行了分析。对其空载、负载特性进行了仿真，得到了电机的磁密分布云图、磁力线波形、反电动势波形及负载转矩波形图等电机性能曲线，通过数值分析验证解析式的正确性，对整个伺服系统做简单介绍，通过仿真实验整个伺服系统的精度是否达到要求，并且制作样机，搭建整个伺服系统，运行实验结果表明，所设计电机达到预期要求。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景、目的及意义

1．2 国内外的发展情况

1．2．1 一般的径向结构无铁心永磁电动机

1．2．2 盘式无铁心结构的永磁同步电机

1．2．3 径向式双转子无铁心永磁电动机

1．2．4 无铁心永磁电机的其他研究成果

1．2．5 Halbach永磁阵列的应用

1．3 本文主要研究内容

第2章 永磁伺服电机的基本结构

2．1 贴片头的工作原理及电机要求

2．2 电机的转子构造和特征

2．2．1 转子结构的选择与分析

2．2．2 永磁阵列的合理选取

2．3 电机的定子构造和特征

2．3．1 定子结构的选择与分析

2．3．2 定子绕组类型的选择

2．4 电机整体的基本结构

2．5 本章小结

第3章 永磁伺服电机磁场分析模型

3．1 电磁场的基本理论

3．2 磁场分析方法的提出

3．2．1 永磁阵列的磁场

3．2．2 绕组电流的磁场及合成磁场

3．2．3 电磁力的求解

3．2．4 Halbach阵列的磁场分析

3．3 电机的主要设计参数

3．4 本章小节

第4章 基于Halbach阵列无铁心永磁伺服电机性能的方针研究

4．1 物理模型与网格剖分

4．2 空载特性分析

4．2．1 空载气隙磁密

4．2．2 空载感应电势

4．3 负载特性分析

4．4 伺服系统的仿真分析

4．4．1 伺服系统的组成

4．4．2 电机的伺服控制仿真

4．5 制作样机及性能测试

4．5．1 转子磁密波形测试

4．5．2 运行实验测试

4．6 本章小结

结论

参考文献

致谢