動(dòng)鐵式磁浮平面電機(jī)建模分析和電磁設(shè)計(jì)研究.pdf

1、磁浮平面電機(jī)通過(guò)磁場(chǎng)懸浮實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸、無(wú)磨損的平面運(yùn)動(dòng)。與傳統(tǒng)的由直線導(dǎo)軌正交組合的平面運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)相比，磁浮平面電機(jī)無(wú)需導(dǎo)軌支撐，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)輕量化，實(shí)現(xiàn)高速、高加速精密運(yùn)動(dòng)，在高精度光刻機(jī)等高速精密裝備方面具有重要應(yīng)用前景。對(duì)于動(dòng)鐵式磁浮平面電機(jī)，由于線圈陣列布置于定子上，動(dòng)子不存在電氣連線與冷卻管線妨礙運(yùn)動(dòng)的情況，電機(jī)熱量也較易散發(fā)，利于系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)性能的提高。然而，動(dòng)鐵式電機(jī)動(dòng)子端部磁場(chǎng)非線性嚴(yán)重，難于精確控制計(jì)算，其實(shí)用化有待進(jìn)一步

2、研究。本文對(duì)動(dòng)鐵式磁浮平面電機(jī)的永磁陣列和線圈結(jié)構(gòu)、力和力矩精確計(jì)算、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)控制和線圈解耦控制等方面展開(kāi)研究。
　　進(jìn)行了一種二維Halbach永磁陣列結(jié)構(gòu)的分析設(shè)計(jì)，分析Halbach永磁陣列分段構(gòu)成的特點(diǎn)，以永磁體尺寸和磁化方向?yàn)閰?shù)，推導(dǎo)了每極不同副永磁體數(shù)二維Halbach永磁陣列磁感應(yīng)強(qiáng)度的統(tǒng)一諧波模型。提出了一種以磁感應(yīng)強(qiáng)度z向分量基波幅值最大的方法進(jìn)行永磁陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，得到了增大推力和懸浮力并降低質(zhì)量的動(dòng)鐵式磁浮平

3、面電機(jī)永磁陣列結(jié)構(gòu)，降低了平面電機(jī)的功耗。分析了永磁陣列的端部磁場(chǎng)分布。
　　提出了使用磁感應(yīng)強(qiáng)度諧波模型計(jì)算力和力矩的模型，推導(dǎo)了解析表達(dá)式，并通過(guò)分析三次諧波占總諧波的比率進(jìn)行簡(jiǎn)化。對(duì)比不同計(jì)算模型的力和力矩誤差，三次諧波主要影響力矩的精度。根據(jù)電磁力的誤差呈正弦波形變化，提出了以線圈體模型長(zhǎng)寬尺寸為變量的優(yōu)化方法降低電磁力誤差，得到了精確、可用于實(shí)時(shí)控制的力和力矩計(jì)算模型。使用了等效磁荷模型計(jì)算力和力矩，驗(yàn)證了諧波模型，分析

4、了線圈在端部磁場(chǎng)力和力矩的變化。
　　目前磁浮平面電機(jī)的電磁力計(jì)算均限定動(dòng)子只做平面內(nèi)沿坐標(biāo)軸方向的二維直線運(yùn)動(dòng)，而未考慮旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其應(yīng)用范圍受到限制。對(duì)此，提出了一種電機(jī)動(dòng)子繞z軸旋轉(zhuǎn)的力和力矩計(jì)算模型，推導(dǎo)了解析表達(dá)式，對(duì)比不同旋轉(zhuǎn)角度在不同路徑的力和力矩誤差，驗(yàn)證了旋轉(zhuǎn)計(jì)算模型的精度。得到的旋轉(zhuǎn)計(jì)算模型可以用于電機(jī)的實(shí)時(shí)控制，該算法為電機(jī)實(shí)現(xiàn)繞z軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)控制提供基礎(chǔ)，由此擴(kuò)展平面電機(jī)應(yīng)用范圍。
　　分析了組成電機(jī)解耦

5、的直接解耦方法和線圈控制方法。由于磁浮動(dòng)子為6自由度懸浮運(yùn)動(dòng)，常規(guī)dq0變換不能完全消除旋轉(zhuǎn)力矩。對(duì)此，研究了將線圈作為獨(dú)立驅(qū)動(dòng)單元的直接解耦方法。由于動(dòng)子陣列端部磁場(chǎng)非線性嚴(yán)重，為避免端部磁場(chǎng)影響，分析了驅(qū)動(dòng)線圈的控制方法。針對(duì)現(xiàn)有控制方法未能充分利用線圈的問(wèn)題，提出了對(duì)長(zhǎng)邊方向不同的兩類(lèi)線圈分別控制的方法，改進(jìn)了線圈控制矩陣。新的控制方法充分利用了線圈，降低了功耗。
　　使用了永磁陣列和線圈分別優(yōu)化的方法，以提高單個(gè)線圈的效率