新型直线旋转两自由度双定子永磁电机设计及静态特性分析

摘要

两自由度直线旋转电机（Two-degree-of-freedom Linear and Rotary Motor，2-DOF LRM）是一种新型电机，可替代两个或者多个单自由度电机及其传动机构实现直线运动、旋转运动及螺旋运动，具有体积小、成本低、效率高的优点，在工业领域具有广阔的应用前景，对2-DOF LRM进行研究具有重要的理论意义和实用价值。
　　本文提出一种新型双定子直线旋转两自由度永磁同步电机（Two-degree-of-freedom Linear andRotary Permanent Magnet Synchronous Motor，2-DOF LRPMSM），对其运行机理、基本结构、电磁设计、静态特性等方面进行研究，主要包括:
　　(1)基于国内外相关文献，分析已有2-DOF LRM电机的结构特点，结合外转子永磁旋转电机和圆筒型永磁直线电机的结构，提出一种新型双定子直线旋转两自由度永磁同步电机，该电机采用径向组合式结构，由外到内依次为直线驱动单元定子、动子（转子）及旋转驱动单元定子，同时具有内外两个气隙。
　　(2)分析2-DOF LRPMSM的运行机理，建立旋转驱动单元和直线驱动单元在定子ABC和转子dq0两个坐标系下的数学模型，总结2-DOF LRPMSM设计特点，推导理论分析公式，并对旋转驱动单元和直线驱动单元进行电磁参数设计。
　　(3)利用有限元计算方法，对旋转驱动单元和直线驱动单元进行二维电磁场和对2-DOFLRPMSM进行三维磁场分析，揭示电机内电磁场的分布规律，分析永磁磁链、感应电势、电感特性和静态转矩/定位力等物理量的变化规律。
　　(4)以减小齿槽转矩和定位力为目标，对2-DOF LRPMSM旋转驱动单元和直线驱动单元的结构参数进行优化，包括极槽配合、极弧系数等，并提出在齿冠开槽的方法来减小齿槽转矩，和增加端部齿宽度的方法来减小定位力。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及意义

1．2 直线旋转电机国内外研究现状

1．2．1 组合式结构

1．2．2 螺旋式结构

1．2．3 磁耦合式结构

1．2．4 研究内容总结

1．3 直线旋转电机发展方向

1．4 研究内容和论文结构

1．4．1 研究内容

1．4．2 论文结构

第2章 2-DOF LRPMSM机理分析

2．1 引言

2．2 2-DOF LRPMSM基本结构

2．2．1 永磁旋转电机

2．2．2 圆筒型直线电机

2．2．3 2-DOF LRPMSM结构及特点

2．3 2-DOF LRPMSM运行原理分析

2．4 2-DOF LRPMSM数学模型

2．4．1 定子ABC坐标系下的数学模型

2．4．2 转子dq0坐标系下的数学模型

2．5 本章小结

第3章 2-DOF LRPMSM结构参数设计

3．1 引言

3．2 2-DOF LRPMSM主要计算公式

3．2．1 旋转驱动单元主要尺寸计算公式

3．2．1 直线驱动单元主要尺寸计算公式

3．3 2-DOF LRPMSM设计要求

3．3．1 2-DOF LRPMSM设计特点

3．3．2 2-DOF LRPMSM参数要求

3．4 2-DOF LRPMSM电磁计算

3．5 2-DOF LRPMSM尺寸参数

3．5．1 2-DOF LRPMSM具体尺寸参数

3．5．2 2-DOF LRPMSM整体结构

3．6 本章小结

第4章 2-DOF LRPMSM静态特性分析

4．1 引言

4．2 电磁场有限元原理

4．2．1 二维电磁场有限元原理

4．2．2 三维电磁场有限元原理

4．3 2-DOF LRPMSM二维电磁场有限元分析

4．3．1 旋转驱动单元电磁场有限元分析

4．3．2 直线驱动单元电磁场有限元分析

4．4 2-DOF LRPMSM三维磁场有限元分析

4．4．1 2-DOF LRPMSM三维模型

4．4．2 2-DOF LRPMSM三维磁场分析

4．5 本章小结

第5章 2-DOF LRPMSM齿槽转矩及定位力优化

5．1 引言

5．2 旋转驱动单元齿槽转矩优化

5．2．1 极弧系数

5．2．2 开辅助槽

5．3 直线驱动单元定位力优化

5．3．1 极槽配合

5．3．2 极弧系数

5．3．3 定子槽型和端部结构

5．3．4 端部齿宽度

5．4 优化后2-DOF LRPMSM性能

5．4．1 优化后旋转驱动单元性能

5．4．2 优化后直线驱动单元性能

5．5 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 课题展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

攻读硕士期间申请的专利

攻读硕士期间参与的科研项目

致谢