初級(jí)永磁直線電機(jī)及控制系統(tǒng)研究.pdf

1、初級(jí)永磁型直線電機(jī)是一種新型永磁直線電機(jī)，由于高成本的永磁體和電樞繞組均放在初級(jí)短動(dòng)子，而次級(jí)長(zhǎng)定子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，僅由導(dǎo)磁鐵心組成。因此，該類電機(jī)不僅具有直線永磁同步電機(jī)功率密度高、效率高的優(yōu)點(diǎn)，而且具有直線開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)定子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，可為長(zhǎng)距離驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中提供一種高效、低成本的驅(qū)動(dòng)方案，具有較好的應(yīng)用前景。
　　本文以磁通切換永磁(flux-switchingpermanentmagnet，簡(jiǎn)稱FSPM)電機(jī)和雙

2、凸極永磁(doublysalientpermanentmagnet，簡(jiǎn)稱DSPM)電機(jī)為研究對(duì)象，提出了磁路互補(bǔ)型、模塊化直線磁通切換永磁電機(jī)(complementaryandmodularlinearFSPM，簡(jiǎn)稱CMLFSPM電機(jī))和磁路互補(bǔ)型、模塊化直線雙凸極永磁電機(jī)（簡(jiǎn)稱CMLDSPM電機(jī)）。研究了CMLFSPM電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)理論、控制策略等關(guān)鍵理論與技術(shù)問(wèn)題。試制了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析和驗(yàn)證，為該電機(jī)在如軌道交通、高

3、層樓宇電梯、礦井提升系統(tǒng)、軍事裝備、工廠運(yùn)輸系統(tǒng)等長(zhǎng)距離驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)也為數(shù)控機(jī)床、精密儀器等驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供一種低成本、高性能解決方案。
　　論文主要研究成果包括以下幾個(gè)方面:
　　1.為克服現(xiàn)有LFSPM電機(jī)結(jié)構(gòu)上的缺點(diǎn)，提出了磁路互補(bǔ)型、模塊化直線磁通切換永磁(CMLFSPM)電機(jī)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)原則。在一臺(tái)12/14極FSPM電機(jī)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一臺(tái)CMLFSPM電機(jī)，利用有限元法分析了該電機(jī)的電磁特性并與現(xiàn)有L

4、FSPM電機(jī)進(jìn)行了比較研究。研究結(jié)果表明，該CMLFSPM電機(jī)不僅具有傳統(tǒng)LFSPM電機(jī)結(jié)構(gòu)上的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還具有如下特點(diǎn):三相繞組磁路對(duì)稱，三相反電動(dòng)勢(shì)正弦且幅值相同，互感小，容錯(cuò)能力強(qiáng)，定位力小，磁阻推力波動(dòng)小，生產(chǎn)和加工方便（模塊化結(jié)構(gòu)）。
　　2.提出了滿足“磁通切換”原理、任意初級(jí)/次級(jí)極距比（τm/τs）單個(gè)“E”型模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的通用原則，在此基礎(chǔ)上提出了兩類模塊化LFSPM(modularLFSPM，簡(jiǎn)稱MLFSPM)

5、電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般方法。所提出的通用原理和研究方法，擺脫了由旋轉(zhuǎn)FSPM電機(jī)直接展開(kāi)來(lái)設(shè)計(jì)LFSPM電機(jī)方法的限制，不僅為設(shè)計(jì)任意極距比MLFSPM電機(jī)提供了理論依據(jù)，而且有利于理解“磁通切換”電機(jī)的本質(zhì)原理，拓寬磁通切換電機(jī)的研究范圍。
　　3.基于所提出的MLFSPM電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的通用原則和設(shè)計(jì)方法，提出了極距比近似為1、不同結(jié)構(gòu)的MLFSPM電機(jī)，并比較了其結(jié)構(gòu)和電磁特性，選取了最優(yōu)極距比。研究結(jié)果表明極距比τm/τs=13

6、/12的電機(jī)具有較好的電磁特性，為設(shè)計(jì)極距比近似為1的最優(yōu)MLFSPM電機(jī)提供了參考。
　　4.首次揭示了極距比τm/τs=3的LFSPM電機(jī)可由一臺(tái)4/6極整距繞組的DSPM電機(jī)展開(kāi)得到，分析了FSPM與DSPM電機(jī)的內(nèi)在聯(lián)系，研究結(jié)果不僅便于理解和分析極距比τm/τs=3的LFSPM電機(jī)，同時(shí)也為研究旋轉(zhuǎn)FSPM電機(jī)和DSPM電機(jī)提供了分析方法?；谒岢龅耐ㄓ迷瓌t和設(shè)計(jì)方法，提出了極距比τm/τs=3不同結(jié)構(gòu)MLFSPM電機(jī)

7、并分析比較了其電磁特性，得到了τm/τs=3時(shí)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)，并與極距比τm/τs=13/12的最優(yōu)結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，進(jìn)一步選取了最優(yōu)極距比。研究結(jié)果表明極距比τm/τs=13/12的電機(jī)具有較好的電磁特性。所得到研究結(jié)果為根據(jù)不同應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計(jì)MLFSPM電機(jī)的極距比提供了參考。
　　5.建立了磁路互補(bǔ)型、模塊化直線磁通切換永磁(CMLFSPM)電機(jī)的功率尺寸方程，提出了CMLFSPM電機(jī)的主要尺寸參數(shù)的通用設(shè)計(jì)程序。以一臺(tái)τm/τs=1

8、4/12的CMLFSPM電機(jī)為例，推導(dǎo)了其輸出功率尺寸方程，并根據(jù)電機(jī)的設(shè)計(jì)要求，確定了電機(jī)的初級(jí)、次級(jí)主要結(jié)構(gòu)尺寸，永磁體尺寸及電樞繞組參數(shù)，并完成了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)設(shè)計(jì)。
　　6.推導(dǎo)了磁路互補(bǔ)型、模塊化直線磁通切換永磁(CMLFSPM)電機(jī)dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，基于MATLAB/Simulink建立了CMLFSPM電機(jī)的及驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的仿真模型。在此基礎(chǔ)上分析了該電機(jī)的穩(wěn)態(tài)特性，并完成了該CMLFSPM電機(jī)在不同負(fù)載時(shí)的速度閉環(huán)控

9、制、不同位移給定是的位移閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真研究。為分析CMLFSPM電機(jī)在不同控制算法下的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)性能提供了良好的仿真平臺(tái)。
　　7.構(gòu)建了基于dSPACE的CMLFSPM電機(jī)數(shù)字驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路、軟件模塊，為該類電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證奠定了軟件和硬件基礎(chǔ)。完成了CMLFSPM電機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行特性測(cè)試。對(duì)其穩(wěn)態(tài)特性、不同負(fù)載時(shí)的速度閉環(huán)控制、不同給定位移時(shí)的位移閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析和仿真計(jì)

10、算具有較好的一致性。研究結(jié)果表明，該類電機(jī)具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，速度波動(dòng)小，推力及定位力小，位移誤差小，定位精度高等特點(diǎn)，為該類初級(jí)永磁型直線電機(jī)的進(jìn)一步研究和實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
　　8.擺脫了旋轉(zhuǎn)DSPM電機(jī)的限制，提出了磁路互補(bǔ)型、模塊化直線雙凸極永磁(CMLDSPM)電機(jī)的設(shè)計(jì)方法。利用有限元法分析了一臺(tái)CMLDSPM電機(jī)的電磁特性并與直接將DSPM電機(jī)展開(kāi)得到的直線結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較研究。研究結(jié)果表明，CMLDSPM電機(jī)不僅具有雙