进给系统用双边磁通切换永磁直线电机研究

摘要

直线型磁通切换永磁电机(Linear Flux Switching Permament Machine，LFSPM电机)与开关磁阻电机有着共同的基本工作原理，双凸极的结构以及初级永磁使LFSPM电机具有相对较低的制作成本，永磁型的励磁形式使其具备了永磁电机类似的磁场变化规律及其一系列的优良特性。基于加工过程对于精密加工进给系统的推力和精度要求，本文提出了一种适用于进给系统的具有多极和双边结构的直线型磁通切换永磁电机(Double-sided Linear Flux Switching Permanent Magnet Machine，DLFSPM电机)，并对电机的各项参数性能进行了设计和优化。首先，介绍了DLFSPM电机的演变过程，分析了电机的电动运行和发电运行原理，并对电机的运行原理进行了有限元验证，仿真了电机的永磁磁链、反电动势、推力、定位力等主要特性。选择了初级永磁型双边型直线电机作为进给载体，并确定了电机的基本结构。利用有限元方法对DLFSPM电机的各项性能进行了计算和分析，并对电机的定位力及推力波动的抑制方法进行专题研究。研究了电机的不平衡电磁力，建立了电机的不平衡电磁力的数学模型，并对该电机在各种参数变化的情况下的不平衡电磁力进行了仿真分析。研究了DLFSPM电机加工过程的要点及流程，依托课题组搭建的驱动控制系统进行了电机的试验。
　　本论文主要研究成果包括以下几个方面:
　　根据进给系统对直线电机的性能要求，选择了动子初级永磁型结构，确定了DLFSPM电机的动子齿数和定子齿数，并确定了电机的相间距等主要参数。利用有限元方法优化了永磁体磁化方向长度、气隙长度、电流等对于DLFSPM电机的磁链、反电动势、定位力、电磁推力的影响。最后综合确定了电机的尺寸及参数。
　　基于DLFSPM电机的双边型结构，利用定子齿非对称分布的方法(ADST)和定子齿错位(SSPT)对DLFSPM电机的定位力进行优化。利用有限元的方法计算了低速状态下DLFSPM电机的铁芯损耗，并利用铁芯损耗的方法计算了考虑了磁滞效应的定位力，通过比较定位力优化前后电机的各项性能，验证了定位力优化方法的正确性。
　　建立了DLFSPM电机单齿的不平衡电磁力的模型。得出了不平衡电磁力产生的机理，推导出了DLFSPM电机的不平衡电磁力的表达形式。仿真了在电枢磁场单独作用及永磁磁场单独作用下以及共同作用下的不平衡电磁力，分析了不平衡电磁力的特点。
　　研究了DLFSPM电机的加工要点及加工制造流程。依托DLFSPM电机驱动控制系统的试验平台和控制系统的硬件电路，对设计的DLFSPM电机驱动控制系统进行了试验测试，验证了DLFSPM电机设计方案的准确性和可行性。

目录

声明

摘要

图录

表录

第1章 绪论

1．1 摘要

1．2 课题研究背景及来源

1．2．1 研究背景

1．2．2 进给系统及特点

1．2．3 课题来源

1．3 直线电机用于精密加工领域的研究进展

1．3．1 精密加工中直线电机直接驱动的进给系统产品应用概况

1．3．2 直线电机直接驱动的进给系统研究进展

1．4 磁通切换电机研究进展

1．4．1 直线电机演变过程

1．4．2 旋转型磁通切换电机研究进展

1．4．3 直线型磁通切换电机研究进展

1．5 论文主要研究内容与结构

1．6 本章小结

参考文献

第2章 双边磁通切换永磁直线电机原理及性能分析

2．1 摘要

2．2 旋转型磁通切换电机结构

2．3 双边磁通切换永磁直线电机的分析

2．3．1电机基本结构

2．3．2 磁通切换原理

2．3．3 发电运行原理

2．3．4 电动运行原理

2．4 双边磁通切换永磁直线电机基本特性的有限元分析

2．4．1 DLFSPM电机的结构

2．4．2 DLFSPM电机的有限元摸型和网格剖分

2．4．3 DLFSPM的电枢反应磁场分布

2．4．4 DLFSPM电机的电感

2．4．5 DLFSPM电机的永磁磁链

2．4．6 DLFSPM电机的空载反电动势

2．4．7 DLFSPM电机的电磁推力

2．5 本章小结

参考文献

第3章 双边磁通切换永磁直线电机设计与参数优化

3．1 摘要

3．2 用于精密加工直接驱动的磁通切换直线电机类型的选择

3．3 DLFSPM电机的主要参数的选择

3．3．1 DLFSPM电机定子、动子齿选择

3．3．2 初级相间距的选择

3．4 DLFSPM电机的参数优化

3．4．1 永磁体磁化方向长度的优化

3．4．2 气隙长度的优化

3．4．3 电枢电谚兑对电磁推力的影响

3．4．4 DLFSPM电机的设计参数

3．5 本章小结

参考文献

第4章 双边磁通切换永磁直线电机定位力研究

4．1 摘要

4．2 永磁直线电机定位力产生机理

4．3 永磁直线电机定位力研究现状

4．4 DLFSPM电机定位力分析及模型的建立

4．4．1 DLFSPM电机仿真分析模型

4．4．2 DLFSPM电机定位力分析

4．5 DLFSPM电机定位力优化

4．5．1 单边LFSPM电机的定位力分析

4．5．2 基于定子齿非对称分布(ADST)的定位力优化

4．5．3 基于定子齿错位方法(SSPT)的定位力优化

4．6 考虑磁滞效应的DLFSPM电机定位力

4．6．1 磁滞效应对DLFSPM电机定位力影响研究

4．6．2 磁滞力产生原理

4．6．3 磁滞力计算方法的有限元验证

4．7 定位力优化对垂直力的影响

4．8 本章小结

参考文献

第5章 双边磁通切换永磁直线电机不平衡电磁力研究

5．1 摘要

5．2 不平衡电磁力研究现状

5．3 DLFSPM电机中不警平衡电磁力的表达

5．4 DLFSPM电机不平衡电磁力分析

5．4．1 永磁磁通切换直线电机磁场分布

5．4．2 不平衡电磁力的计算

5．4．3 仅由电枢反应所产生的不平衡电磁力计算

5．4．4 由永磁体和电枢反应相互作用产生的不平衡电磁力计算

5．5 DLFSPM电机不平衡力的有限元仿真验证

5．5．1 气隙不平衡时的不平衡电磁力

5．5．2 定子齿错位的不平衡电磁力

5．6 本章小结

参考文献

第6章 双边磁通切换永磁直线电机的加工与试验

6．1 摘要

6．2 DLFSPM电机的加工

6．2．1 DLFSPM电机加工及组装要点

6．2．2 DLFSPM电机加工内容

6．2．3 DLFSPM电机模型简介

6．2．4 DLFSPM电机动子加工

6．2．5 DLFSPM电机定子模型及加工

6．2．6 DLFSPM电机支架模型及加工

6．2．7 DLFSPM电机的绕组

6．2 ．8 动子限位块

6．2．9 电机整体模型

6．2．10 DLFSPM电机的组装

6．3 DLFSPM电机试验

6．3．1 DLFSPM电机测试平台

6．3．2 定位力仿真与测量对比分析

6．3．3 反电动势仿真与测量对比分析

6．3．4 电阻和电感的测量

6．4 本章小结

参考文献

第7章 总结与展望

7．1 论文总结

7．2 研究展望

攻读博士学位期间学术成果

致谢