圓筒型橫向磁場(chǎng)永磁直線電機(jī)電磁場(chǎng)與電磁力的研究.pdf

1、與旋轉(zhuǎn)電機(jī)構(gòu)成的直線驅(qū)動(dòng)裝置相比，直線電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、控制精度高、不受離心力作用等優(yōu)點(diǎn)，但輸出力密度低的不足限制了它在直線伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用。將橫向磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于直線電機(jī)構(gòu)成橫向磁場(chǎng)直線電機(jī)，能夠提高電機(jī)的力能指標(biāo)，對(duì)促進(jìn)直線伺服系統(tǒng)的發(fā)展具有重要意義。本文以一種圓筒型橫向磁場(chǎng)永磁直線電機(jī)(Permanent Magnet Linear Machine, PMLM)為研究對(duì)象，對(duì)該電機(jī)的電磁場(chǎng)計(jì)算、電感計(jì)算與相間磁耦合分析、電磁力計(jì)算與

2、分析等問題進(jìn)行了研究。
　　針對(duì)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的橫向磁場(chǎng)電機(jī)，分析了其磁路結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，基于永磁體面電流模型對(duì)電磁力產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明，如果將定子繞組電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)定義為氣隙磁場(chǎng)、永磁體用等效面電流來表示，則仍可采用洛倫茲力定律對(duì)橫向磁場(chǎng)電機(jī)的電磁力進(jìn)行分析。在此基礎(chǔ)上，提出了一種新型結(jié)構(gòu)的圓筒型橫向磁場(chǎng)PMLM，該電機(jī)的定子可采用疊片鐵心結(jié)構(gòu)，從而解決了傳統(tǒng)橫向磁場(chǎng)電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、機(jī)械強(qiáng)度差等問題。
　　根據(jù)電機(jī)的結(jié)構(gòu)

3、特點(diǎn)，在對(duì)電磁場(chǎng)計(jì)算模型進(jìn)行簡化的基礎(chǔ)上，采用三維有限元法對(duì)圓筒型橫向磁場(chǎng)PMLM內(nèi)的電磁場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算。研究了永磁體磁化方向長度和定子疊片單元軸向長度對(duì)電機(jī)相空載磁鏈的影響，指出電機(jī)相空載磁鏈隨這兩個(gè)尺寸的變化規(guī)律與傳統(tǒng)永磁電機(jī)不同，并非是單調(diào)遞增的，從而為電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇提供了參考。針對(duì)電機(jī)漏磁大的問題，對(duì)圓筒型橫向磁場(chǎng)PMLM永磁體之間的漏磁進(jìn)行了分析，通過在定子疊片單元之間嵌入輔助鐵心，有效地抑制了軸向相鄰永磁體之間的漏磁，并在

4、此基礎(chǔ)上分析了電機(jī)相空載磁鏈隨輔助鐵心軸向長度的變化規(guī)律。研究了邊端效應(yīng)對(duì)圓筒型橫向磁場(chǎng)PMLM性能的影響，指出邊端效應(yīng)使圓筒型橫向磁場(chǎng) PMLM的各相不對(duì)稱，影響電機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行。針對(duì)電機(jī)行程短、運(yùn)行速度不平穩(wěn)導(dǎo)致反電勢(shì)難以準(zhǔn)確測(cè)量的問題，通過實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)的速度和反電勢(shì)信號(hào)并進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)變速下的反電勢(shì)的測(cè)量。
　　針對(duì)圓筒型橫向磁場(chǎng)PMLM樣機(jī)繞組電感計(jì)算量大的問題，通過計(jì)算單元電機(jī)的繞組的總電感、端部漏感和定子疊片單元間

5、的繞組漏感，并將它們進(jìn)行合成，得到了圓筒型橫向磁場(chǎng)PMLM樣機(jī)的繞組電感，其結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，從而驗(yàn)證了上述計(jì)算方法的正確性。在電感計(jì)算的基礎(chǔ)上，對(duì)圓筒型橫向磁場(chǎng) PMLM各相之間的磁耦合問題進(jìn)行了分析，得出了“圓筒型橫向磁場(chǎng)PMLM各相基本解耦”的結(jié)論，為簡化電機(jī)的特性分析提供了依據(jù)。計(jì)算和分析了電樞電流對(duì)繞組電感的影響規(guī)律。計(jì)算結(jié)果表明，電樞電流對(duì)圓筒型橫向磁場(chǎng)PMLM繞組電感的影響較大，它不僅影響電感的大小，而且對(duì)電感的波形

6、也有較大的影響，主要表現(xiàn)為當(dāng)電樞電流較小時(shí)，繞組電感隨動(dòng)子位移在一個(gè)電周期內(nèi)呈現(xiàn)二次波動(dòng)，而當(dāng)電樞電流較大時(shí)，繞組電感在一個(gè)電周期內(nèi)呈現(xiàn)一次波動(dòng)。
　　采用虛位移法對(duì)圓筒型橫向磁場(chǎng) PMLM的定位力特性和基本電磁力特性進(jìn)行了分析。針對(duì)三維有限元計(jì)算量大的缺點(diǎn)，提出了二維等效模型來計(jì)算電機(jī)的定位力，有效節(jié)約了計(jì)算時(shí)間，其結(jié)果與三維有限元計(jì)算結(jié)果的一致性驗(yàn)證了等效的有效性。在此基礎(chǔ)上，對(duì)定位力的影響因素及抑制措施進(jìn)行了研究，通過對(duì)電機(jī)