低推力波动组合铁芯永磁同步直线电机的特性分析与优化

摘要

航空航天、新能源、微电子等重大装备的关键零部件的制造迫切需要高速高精度加工技术，这种需要促使以数控机床等为代表的复杂机电设备同时具有高速和高精密特征。永磁同步直线电机是高速和高精密数控机床实现直线运动的最佳方案和最关键的零部件之一。
　　永磁同步直线电机的推力波动是影响高速和高精密直线运动的重要原因之一，本文提出了组合铁芯永磁同步直线电机这一新型的结构型式来减小推力波动，给出了组合铁芯电机结构拓扑选择方法，基于叠加原理分别对组合铁芯电机消除端部效应力和齿槽力的机理进行深入的分析。分析了组合铁芯电机的端部效应力特性，提出了端部力最小的最佳铁芯长度选择方法；根据组合铁芯电机各齿槽的相位关系，对齿槽力进行了精确理论解析，明确了齿槽力的影响因素，给出了最小化齿槽力的最佳槽极组合设计方法；得出了组合铁芯电机静磁阻力的精确解析表达式，揭示了组合铁芯方法消除电机静磁阻力的机理，并为静磁阻力最小化的铁芯数选择提供了理论指导。
　　分析了不同铁芯数目组合消除静磁阻力的效率，获得了高效率消除静磁阻力的最佳组合铁芯数目。提出了基于响应曲面法的组合铁芯永磁同步直线电机结构优化设计方法：确定设计变量，在设计变量空间选取试验点，利用ANSYS的参数化设计语言建立有限元模型，进行电磁学分析，利用响应值与试验点的关系建立组合铁芯电机的响应面模型，再采用“多反应优化法”寻找最优的结构参数。为设计者提供一种更便利快捷的优化设计方法，大幅缩短设计周期。优化后组合铁芯电机静磁阻力的峰峰值是3.07N，仅为电机输出平均推力的1.35％。
　　根据电机参数优化设计结果，设计并制造了单铁芯永磁同步直线电机和三铁芯组合永磁同步直线电机原型样机，搭建了电机性能测试试验平台。对电机的静磁阻力、反电动势、电感、输出推力、定位精度、速度特性和加速度特性等电机参数进行了实验测试和研究，对组合铁芯方法进行实验验证，实验结果验证了新电机结构的有效性和可行性。
　　为了进一步提升电机的推力输出密度，有效的抑制推力波动，论文改进了组合铁芯永磁同步直线电机，创新提出了一种新型的铁芯内置永磁体的组合铁芯永磁同步直线电机，新型电机在定子上布置永磁体的同时在铁芯上也布置永磁体。通过有限元仿真分析验证，新型电机与传统永磁同步直线电机及组合铁芯永磁同步直线电机相比，在推力输出密度，抑制推力波动性能等方面有很大提高。
　　针对组合铁芯永磁同步直线电机超调量增大的问题，详细分析了直线电机的推力特性影响因素，建立了直线电机运动动力学方程，对直线电机瞬态响应特性进行了理论分析，建立了启动特性和停止特性的速度分析数学模型，利用Matlab的Simulink仿真工具，建立了电机基于数学模型的伺服控制系统仿真模型，对电机的瞬态特性进行了仿真分析和实验测试，得到组合铁芯永磁同步直线电机超调量增大是 PID控制系统不能适应电机质量和阻尼改变的原因；由此提出并设计了基于饱和函数的模糊滑模控制器，该控制器可减小系统的超调量，提高系统伺服控制的稳定性、鲁棒性、抗扰动能力以及电机对非线性和不确定性的适应能力。
　　论文的成果为低推力波动特性的永磁同步直线电机提供了一种新的选择方向，提高了电机的推力输出密度，改善了电机的动态性能，使其具有更低的速度波动，满足高速和高精密加工的需要。

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1 绪论

1.1 引言

1.2 直线电机发展与应用

1.3 推力特性分析方法

1.4 推力波动抑制方法

1.5 本文主要研究工作

2 组合铁芯永磁同步直线电机静磁阻力分析

2.1 引言

2.2 组合铁芯永磁同步直线电机的结构

2.3 组合铁芯永磁同步直线电机端部效应分析

2.4 组合铁芯永磁同步直线电机齿槽效应分析

2.5 组合铁芯电机静磁阻力分析

2.6 本章小结

3 基于响应曲面法的组合铁芯永磁同步直线电机结构优化

3.1 引言

3.2 组合铁芯电机铁芯数的选择

3.3 优化设计方法

3.4 参数优化设计

3.5 优化结果

3.6 本章小结

4 组合铁芯永磁同步直线电机实验验证

4.1 引言

4.2 测试样机与测试方案

4.3 样机性能测试与分析

4.4 本章小结

5 改进型组合铁芯永磁同步直线电机特性分析

5.1 引言

5.2 铁芯内置永磁体的永磁同步直线电机

5.3 铁芯内置永磁体电机影响因素分析

5.4 铁芯内置永磁体组合铁芯永磁同步直线电机

5.5 本章小结

6 组合铁芯永磁同步直线电机控制系统建模及仿真

6.1 引言

6.2 永磁同步直线电机的动力学模型

6.3 电机瞬态响应特性分析

6.4 永磁同步直线电机伺服控制系统仿真

6.5 基于饱和函数的模糊滑模伺服控制系统

6.6 本章小结

7 总结和展望

7.1 全文总结

7.2 研究展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表论文

附录2 攻读博士学位期间申请专利及软件著作权