磁场同步跟随式电磁悬浮微驱动器理论分析与建模研究

摘要

本论文依托于国家自然科学基金项目(N0.60575055)《面向微操作的电磁悬浮式空间微运动方法及其理论研究》，提出一种新型的基于磁场同步跟随原理的电磁悬浮式微驱动器方案，通过理论分析、参数化有限元分析和实验验证，旨在构建一种大范围高精度、多自由度和快速响应的电磁悬浮式微驱动器空间微运动新方法，并建立实施该方法的理论体系。 本论文提出一种新型的电磁悬浮式微驱动器设计方案，介绍磁场同步跟随原理的应用、实现方法，以及运动过程中倾斜姿态动态补偿的方法。应用复数傅立叶级数表示法、矢量磁位法和麦克斯韦张量法，建立电磁悬浮式微驱动器特征参数悬浮驱动力的数学模型。通过对悬浮驱动力敏感因素，包括模型尺寸、电流强度和气隙高度进行分析，论证微驱动器设计方案的可行性。最后探讨一种电磁悬浮式微驱动器的优化设计方案，即永磁阵列采用两个45°旋转角型Halbach阵列正交矢量合成，单位周期性能提升超过6％。 为证明理论分析的准确性，采用电磁场有限元软件AnsoftMaxwell3D建立电磁悬浮式微驱动器定解模型和参数化模型，参数化模型执行关于气隙高度和电流强度的单一因素参数化有限元分析，以及联合参数化有限元分析，最后对参数化有限元分析结果进行拟和分析，得到电磁悬浮式微驱动器有限元特征参数关系曲线，验证了理论分析的正确性。 本论文完成电磁悬浮式微驱动器的悬浮体在空载和不同载重情况下的特征参数标定实验，得到了电流强度、气隙高度、悬浮驱动力之间的关系曲线。根据悬浮驱动力的两个敏感参数的相互独立性，非线性拟和实验数据得到电磁悬浮式微驱动器实验特征参数关系曲线，对比理论特征参数关系曲线，平均误差为81.1μm，标准差为9.8μm，与理论特征参数曲线、有限元特征参数曲线吻合良好，说明了理论分析和有限元分析的正确性。

目录

文摘

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声明

第一章综述

1.1课题研究的背景和意义

1.2微驱动器分类和驱动原理

1.2.1压电驱动器

1.2.2静电微驱动器

1.2.3形状记忆合金驱动器

1.2.4磁致伸缩驱动器

1.2.5微电磁驱动器

1.2.6光致伸缩驱动器

1.3国内外微驱动器技术现状

1.3.1国外微驱动器技术现状

1.3.2国内微驱动器技术现状

1.4论文研究内容和主要工作

1.5课题来源及组织结构

1.6本章小结

第二章电磁悬浮式微驱动器的设计、建模与理论分析

2.1电磁悬浮式微驱动器设计方案

2.1.1电磁悬浮式微驱动器设计

2.1.2电磁悬浮式微驱动器工作原理

2.1.3电磁悬浮式微驱动器倾斜姿态动态补偿方法

2.2电磁悬浮式微驱动器建模与理论分析

2.2.1电磁悬浮式微驱动器模型分解

2.2.2永磁阵列磁场分析

2.2.3导线阵列磁场分析

2.2.4合成磁场分析

2.2.5微驱动器产生的悬浮力

2.2.6电磁悬浮式微驱动器三维模型及其修正方法

2.2.7模型分析

2.3电磁悬浮式微驱动器的优化设计

2.4本章小结

第三章电磁悬浮式微驱动器参数化有限元分析

3.1电磁场问题的有限元求解

3.2 Ansoft Maxwell 3D软件介绍

3.2.1 Maxwell 3D使用步骤

3.2.2 Maxwell 3D静磁场求解模块

3.3定解模型有限元前处理

3.3.1建立几何模型

3.3.2材料分配

3.3.3边界条件

3.3.4激励源

3.3.5求解参数

3.3.6网格剖分

3.4定解模型有限元后处理

3.5参数化模型有限元分析

3.5.1三维参数化电磁场分析步骤

3.5.2驱动模型单一因素参数化分析

3.5.3驱动模型多因素联合参数化分析

3.6本章小结

第四章电磁悬浮式微驱动器实验研究

4.1实验系统构成

4.1.1永磁阵列和导线阵列

4.1.2位移检测装置

4.1.3数据采集卡

4.2实验结果及数据分析

4.3本章小结

第五章总结与展望

5.1论文创新点

5.2工作总结

5.2展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果