双次级永磁同步直线电机定位力的分析与抑制

摘要

永磁同步直线电机(PMSLM)，特别是具有双次级结构的PMSLM凭借其高速度、高精确度、大推力、零法向吸力等诸多优点，被广泛地应用到超精密机床的伺服系统，推动了生产制造等技术的不断发展，受到了国内外许多专家学者的高度重视。然而，由齿槽效应和边端效应所引起的定位力是影响超精密机床定位精度及运动精度的重要因素，定位力的存在制约了PMSLM的发展。因此，本文将双次级结构的PMSLM作为研究对象，从电机的本体结构入手，对PMSLM的定位力进行了分析，并对定位力的抑制方法进行了研究，主要研究内容如下:
　　首先，分析了PMSLM的基本结构及工作原理，采用磁路计算法与能量法相结合的方法对电机的定位力进行了解析分析，得到了PMSLM定位力的解析表达式。同时，基于有限元分析方法，建立了双次级结构PMSLM的有限元模型，引入“总谐波畸变率(THD)”来衡量定位力空间谐波，通过调整5种不同的电机结构参数来分析不同参数对于定位力幅值以及定位力空间谐波的影响。此外，引入“参数变化率”这一指标，用来分析不同结构参数的影响效果。综合对比了有限元分析与解析分析两部分的结果，完成了对有限元模型准确性的验证。
　　其次，分两步对双次级PMSLM的定位力进行了抑制。第一步是采用正交试验设计的方法对定位力进行初步的抑制:分别设计了因素水平表和试验计划表，在对正交试验的结果进行方差分析的基础之上，获得了定位力的初步抑制结果，经验证，初步抑制后电机的定位力幅值和THD都一定程度的减小了。第二步是采用磁极错位的方法实现定位力进一步的抑制，详细地分析了不同的磁极错位距离对于电机平均推力及定位力性能的影响，以定位力幅值与平均推力的比值最小为标准确定了最佳的磁极错位距离。经有限元分析验证可知，双次级PMSLM定位力抑制的方法是可行的。
　　最后，分析和对比了两种常用的定位力测试方法，根据现有的方法及双次级PMSLM的自身特点，从超精密机床高要求的角度出发，初步设计了用于样机定位力测试实验的测试装置。

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摘要

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第1章 绪论

1．1 课题研究背景及研究意义

1．1．1 永磁同步直线电机在超精密机床中的应用

1．1．2 永磁同步直线电机定位力的产生机理

1．2 永磁同步直线电机定位力分析及抑制的研究现状

1．2．1 永磁同步直线电机定位力分析的研究现状

1．2．2 永磁同步直线电机定位力抑制的研究现状

1．3 本课题的主要研究内容

1．4 本章小结

第2章 基于磁路计算与能量法相结合的PMSLM定位力解析分析

2．1 永磁同步直线电机的基本理论

2．1．1 永磁同步直线电机的基本结构

2．1．2 永磁同步直线电机的工作原理

2．2 磁路计算与能量法相结合分析PMSLM定位力

2．2．1 磁路分析模型

2．2．2 相关部分磁阻的计算

2．2．3 能量法计算PMSLM定位力表达式

2．3 本章小结

第3章 双次级PMSLM定位力有限元分析

3．1 有限元建模

3．1．1 有限元分析方法

3．1．2 双次级永磁同步直线电机的问题描述

3．1．3 双次级永磁同步直线电机的有限元建模

3．2 调整结构参数对电机定位力幅值及谐波畸变率进行分析

3．2．1 调整气隙厚度g

3．2．2 调整永磁体厚度m

3．2．3 调整初级厚度p

3．2．4 调整次级厚度s

3．2．5 调整极弧系数n

3．2．6 基于参数变化率的结果分析

3．3 定位力的解析分析结果与有限元分析结果对比

3．4 本章小结

第4章 基于正交试验设计和方差分析的双次级PMSLM的定位力抑制

4．1 正交试验设计及方差分析

4．1．1 正交试验设计方案

4．1．2 正交试验结果的方差分析

4．2 正交试验设计对电机定位力抑制效果的分析

4．3 本章小结

第5章 磁极错位方法对双次级PMSLM定位力的进一步抑制

5．1 磁极错位方法的基本概念

5．2 磁极错位距离对于双次级PMSLM定位力的影响

5．2．1 磁极错位距离对电机平均推力的影响

5．2．2 磁极错位距离对电机定位力幅值的影响

5．2．3 磁极错位距离对电机定位力总谐波畸变率的影响

5．3 最佳错位距离的确定

5．4 磁极错位方法对电机定位力抑制效果的分析

5．5 本章小结

第6章 双次级PMSLM定位力测试方法

6．1 常用的定位力测试方法

6．1．1 传统定位力测试方法

6．1．2 现代定位力测试方法

6．2 双次级永磁同步直线电机定位力测试装置

6．3 本章小结

第7章 总结和展望

7．1 本文总结

7．2 待研究的工作

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文