新型無內(nèi)定子動磁式直線振蕩執(zhí)行器的設(shè)計及其關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、直線振蕩執(zhí)行器是一種無需中間機(jī)械轉(zhuǎn)換部件即可實現(xiàn)高頻往復(fù)直線運(yùn)動的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其具有機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、噪音小、響應(yīng)速度快和系統(tǒng)效率高等優(yōu)點，適用于驅(qū)動制冷壓縮機(jī)、電磁泵、人工心臟和振動篩等設(shè)備。動磁式結(jié)構(gòu)直線振蕩執(zhí)行器由于動子質(zhì)量輕、振蕩頻率高和推力密度高等優(yōu)點得到日益廣泛的重視，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、內(nèi)定子疊裝困難和加工工藝要求高等一直是制約其發(fā)展的關(guān)鍵問題。對此，本文首次提出一種無需內(nèi)定子的直線振蕩執(zhí)行器，并對其若干關(guān)鍵問題進(jìn)行深入的分析與研究。本

2、文的主要研究成果如下:
　　(1)首次提出一種無需內(nèi)定子的動磁式直線振蕩執(zhí)行器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
　　在分析現(xiàn)有各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，首次提出一種無需內(nèi)定子的動磁式直線振蕩執(zhí)行器的新結(jié)構(gòu)。新結(jié)構(gòu)采用間隔一定距離的兩個對稱“C”型外定子，動子永磁體位于兩個“C”型齒中間，具有無需內(nèi)定子、結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、漏磁小、電磁推力密度高和電磁推力可控性好等優(yōu)點。
　　(2)執(zhí)行器的等效磁路建模及三維有限元分析
　　在分析該直線振蕩執(zhí)

3、行器運(yùn)行原理的基礎(chǔ)上，建立其等效磁路模型，采用虛功法推導(dǎo)出電磁推力和電感的解析計算公式。為準(zhǔn)確分析其磁場分布和電磁特性，建立了結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)化的三維有限元模型，計算了氣隙磁鏈和電磁推力的電流和位移特性，分析了永磁體尺寸等多個關(guān)鍵參數(shù)對執(zhí)行器輸出電磁推力和有效行程的影響。
　　(3)執(zhí)行器的設(shè)計方法及多目標(biāo)優(yōu)化
　　分析了該直線振蕩執(zhí)行器設(shè)計的基本方法，結(jié)合等效磁路法和三維有限元分析法推導(dǎo)出執(zhí)行器關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計依據(jù)及解析公式。針

4、對該動磁式直線振蕩執(zhí)行器需綜合電磁推力較大和永磁體體積較小的要求，結(jié)合表面響應(yīng)模型法和量子行為粒子群算法對執(zhí)行器的永磁體尺寸進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，克服了等效磁路優(yōu)化模型計算精度低和三維磁場模型計算效率低的不足，同時避免了傳統(tǒng)粒子群算法可能陷入局部最優(yōu)解的問題。有限元結(jié)果驗證了優(yōu)化結(jié)果的正確性并表明，采用該方法優(yōu)化后的執(zhí)行器相比優(yōu)化前輸出電磁推力提高了6.2％，永磁體體積減小了12.8％。
　　(4)執(zhí)行器機(jī)電系統(tǒng)諧振特性分析及等效機(jī)械諧

5、振頻率跟蹤控制
　　以驅(qū)動壓縮機(jī)負(fù)載為例，建立集機(jī)械動力系統(tǒng)和電磁系統(tǒng)一體化的等效數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上采用矢量法分析系統(tǒng)諧振特性，并推導(dǎo)出效率和功率因數(shù)等重要性能指標(biāo)的解析計算公式。為實現(xiàn)等效機(jī)械諧振頻率跟蹤，提出一種基于改進(jìn)擾動觀察法的最大功率點跟蹤方法。仿真結(jié)果證明，改進(jìn)算法能加快其等效機(jī)械諧振頻率跟蹤速度，降低其在最大功率點附近的功率振蕩，較好實現(xiàn)該執(zhí)行器在變工況條件下的等效機(jī)械諧振頻率跟蹤。
　　(5)執(zhí)行器動子位移

6、自傳感算法研究
　　提出一種基于全維狀態(tài)觀測器的執(zhí)行器動子位移自傳感算法，該算法通過端電壓和電流的處理和計算來估算動子位移。仿真和實驗結(jié)果表明，該算法能實現(xiàn)不同運(yùn)行頻率下的動子位移自傳感，實測行程估算絕對誤差的最大值為0.32mm，相對誤差的最大值為2.6％。針對直線振蕩執(zhí)行器在運(yùn)行過程中等效電阻參數(shù)攝動問題，提出一種帶等效電阻辨識的自適應(yīng)動子位移觀測器，推導(dǎo)出基于李雅普諾夫穩(wěn)定性的自適應(yīng)律。仿真結(jié)果表明，該算法能較好抑制等效電阻