永磁球形電動(dòng)機(jī)靜態(tài)特性及有限元分析.pdf

1、永磁球形電動(dòng)機(jī)能夠替代傳統(tǒng)多自由度傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)三自由度運(yùn)動(dòng)，從而大大簡(jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)，提高了傳動(dòng)系統(tǒng)的定位精度和響應(yīng)速度，拓展了電機(jī)的應(yīng)用范圍。目前該類電機(jī)的研究尚處于理論探索階段，因此，研究成果可為同類型電機(jī)的深入研究提供理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)參考。
　　 本論文針對(duì)一種新型永磁球形電動(dòng)機(jī)，建立了電機(jī)的三維仿真模型，計(jì)算得到了球形電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩特性曲線和磁阻轉(zhuǎn)矩特性曲線。通過分析電機(jī)不同的轉(zhuǎn)子極充磁方式、定子線圈鐵心磁導(dǎo)率以及不同材料

2、的定子外殼時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩特性的變化，總結(jié)出了提高輸出轉(zhuǎn)矩的有效途徑；獲得并分析了球形電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩隨主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化規(guī)律。
　　 由于球形電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)特殊，較難用二維模型直接代替三維模型進(jìn)行計(jì)算。本文提出了基于二維等效模型的轉(zhuǎn)矩計(jì)算方法。該方法根據(jù)球形電動(dòng)機(jī)二維和三維模型中氣隙磁密的分布規(guī)律，得到了兩種模型之間的等效基礎(chǔ)；然后將球形永磁體三維模型的磁場(chǎng)、定子線圈的形狀和電流進(jìn)行了等效計(jì)算，求出定、轉(zhuǎn)子等效參數(shù)并建立了球形電動(dòng)機(jī)的二

3、維等效仿真模型?；诙S模型的電磁場(chǎng)量推導(dǎo)了電機(jī)自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的虛功法計(jì)算公式，并選取了麥克斯韋張量法的三種不同積分路徑分別進(jìn)行求解，所得結(jié)果與基于三維模型的轉(zhuǎn)矩計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。
　　 為深入研究永磁球形電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能，對(duì)球形電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)進(jìn)行了建模，仿真得到了球形電動(dòng)機(jī)定子線圈空載磁鏈特性曲線并進(jìn)一步求解得到了其空載自轉(zhuǎn)反電勢(shì)特性曲線，分析了永磁體充磁方式、氣隙長度以及定、轉(zhuǎn)子參數(shù)的變化對(duì)電機(jī)空載磁鏈特性和空載自轉(zhuǎn)反電勢(shì)特性

4、的影響。
　　 針對(duì)球形電動(dòng)機(jī)的端部效應(yīng)建立了電機(jī)的二維和三維有限元模型，并對(duì)端部效應(yīng)及其對(duì)電機(jī)自轉(zhuǎn)反電勢(shì)波形的影響進(jìn)行了理論分析。基于球形電動(dòng)機(jī)的特殊結(jié)構(gòu)提出了一種量化其端部效應(yīng)的方法，即首先對(duì)定子線圈進(jìn)行等效，然后通過計(jì)算得到一個(gè)端部系數(shù)來修正基于二維模型得到的空載自轉(zhuǎn)反電勢(shì)曲線。最后將修正后的曲線與基于三維模型得到的計(jì)算結(jié)果和樣機(jī)實(shí)測(cè)波形進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。
　　 基于理論分析，針對(duì)永磁球形電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了機(jī)械結(jié)構(gòu)與電磁設(shè)