精密運動平臺用永磁直線同步電機(jī)的磁場分析與電磁力研究.pdf

1、永磁直線同步電機(jī)（Permanent Magnet Linear Synchronous Motor，PMLSM）具有推力密度高、響應(yīng)速度快；可靠性好、效率高；可控性好、精度高等顯著優(yōu)點，廣泛應(yīng)用在精密運動平臺中，實現(xiàn)高速長行程運動和微米級、亞微米級的定位精度。由于初級鐵心縱向開斷，直線電機(jī)存在特有的縱向端部效應(yīng)，同時受齒槽效應(yīng)、橫向端部效應(yīng)和外懸效應(yīng)等因素的影響，氣隙磁場發(fā)生了很大的畸變。受現(xiàn)有加工制造、安裝精度及人為等因素的限制，永

2、磁直線同步電機(jī)三維空間磁場分布存在非對稱性，產(chǎn)生了寄生力或力矩，使電機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生振動和噪音。本文以精密運動平臺用永磁直線同步電機(jī)為研究對象，針對以上問題開展計及齒槽效應(yīng)、端部效應(yīng)和外懸效應(yīng)的永磁直線同步電機(jī)磁場精確解析、三維電磁力分析以及性能參數(shù)分析與優(yōu)化設(shè)計的研究。
　　本文首先分別建立基于永磁體等效磁化強(qiáng)度法和電樞繞組等效面電流法的永磁直線同步電機(jī)層分析模型，根據(jù)對稱和非對稱的邊界條件得到無鐵心和無槽PMLSM永磁體勵磁磁場與電

3、樞反應(yīng)磁場?？紤]到鐵心開齒槽和永磁體斜極的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分別建立考慮齒槽效應(yīng)和斜極效應(yīng)的分析模型，推導(dǎo)氣隙相對磁導(dǎo)分布函數(shù)和斜極、類V形斜極磁極結(jié)構(gòu)的參數(shù)等效轉(zhuǎn)換表達(dá)式，得出斜極有鐵心PMLSM的永磁體勵磁磁場與電樞反應(yīng)磁場。結(jié)合不同的邊界條件，建立的計及齒槽效應(yīng)和斜極效應(yīng)永磁直線同步電機(jī)磁場分析方法具有廣泛的適應(yīng)性。上述分析為后續(xù)完善計及端部效應(yīng)的永磁直線同步電機(jī)磁場精確解析方法奠定理論基礎(chǔ)。
　　由于短初級長次級 PMLSM動子鐵

4、心在縱向和橫向方向均為有效長，電機(jī)縱向端部和橫向端部的磁場發(fā)生很大的畸變，分別針對縱向和橫向端部效應(yīng)及外懸效應(yīng)展開研究。在縱向端部效應(yīng)靜態(tài)模型的基礎(chǔ)上，建立能模擬縱向端部效應(yīng)的鐵心端部虛擬邊界模型，得出在動子運動過程中短初級有鐵心 PMLSM縱向端部區(qū)域的磁場分布。建立考慮外懸效應(yīng)的有鐵心 PMLSM橫向端部效應(yīng)分析模型，研究揭示外懸效應(yīng)機(jī)理和不同外懸長度對橫向端部磁場的影響規(guī)律，并分析橫向端部效應(yīng)與外懸效應(yīng)的內(nèi)在關(guān)系。采用等效磁荷法和

5、鏡像法精確解析無鐵心PMLSM的三維空載氣隙磁場，分析橫向端部效應(yīng)對氣隙磁場的影響規(guī)律。最終建立計及各種效應(yīng)的永磁直線同步電機(jī)磁場精確解析方法。
　　在計及齒槽效應(yīng)、斜極效應(yīng)、端部效應(yīng)和外懸效應(yīng)的永磁直線同步電機(jī)磁場分析方法的基礎(chǔ)上，以精密運動平臺中常用的具有代表性的無鐵心和有鐵心PMLSM作為具體研究對象，開展三維電磁力研究。先闡述永磁直線同步電機(jī)寄生力的定義及其主要產(chǎn)生原因，揭示出永磁直線同步電機(jī)寄生力及其波動的產(chǎn)生機(jī)理。推導(dǎo)

6、無鐵心PMLSM的三維電磁力表達(dá)式，研究揭示繞組端部產(chǎn)生的電磁推力和初級、次級發(fā)生橫向偏移時產(chǎn)生的橫向寄生力的變化規(guī)律。之后，采用改進(jìn)積分路徑的麥克斯韋應(yīng)力法推導(dǎo)有鐵心PMLSM定位力與空載法向力、電磁推力和負(fù)載法向力；在建立斜極永磁體等效為載流導(dǎo)體的分析模型基礎(chǔ)上，推導(dǎo)斜極有鐵心PMLSM橫向寄生力表達(dá)式，揭示斜極有鐵心PMLSM橫向力及其波動的產(chǎn)生機(jī)理，并研究極槽配比、永磁體傾斜長度、外懸長度、相電流等電磁參數(shù)對橫向力及其波動的影響

7、規(guī)律。研制旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)+滾珠絲杠副加載的直線電機(jī)氣浮測試平臺，并開展PMLSM樣機(jī)電磁力測試研究。
　　基于精密運動平臺的應(yīng)用背景，分別確定無鐵心和有鐵心PMLSM關(guān)鍵的性能參數(shù)，開展性能分析、多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計和兩種類型電機(jī)性能對比評估等方面的研究。對于無鐵心PMLSM，分析非重疊和重疊集中繞組電機(jī)的最佳極槽配比；研究揭示永磁體和電樞繞組的結(jié)構(gòu)、尺寸對推力體積密度、推力質(zhì)量密度、電機(jī)常數(shù)和推力波動的影響規(guī)律。對于有鐵心PMLSM，提