旋转-直线永磁执行器运行机理研究

摘要

随着运动控制领域对运动形式多样化和控制性能要求的提升，多自由度电机及其直接驱动系统正受到越来越多的关注。作为一类重要的两自由度电机，旋转-直线电机在过去几十年间获得了比较广泛的研究。本文提出了一种新型旋转-直线永磁执行器，其特点在于定子采用与轴线成一定夹角的螺旋状齿槽结构，通过单一定子的激励就能够同时输出转矩和推力，产生螺旋运动。通过两段旋向相反的定子轴向级联还可以产生纯旋转和纯直线运动。该执行器具有结构紧凑、效率高、转矩和推力密度大的特点，在机器人、机加工、电动汽车、印制电路板等领域具有良好的应用前景。
　　本文首先介绍了执行器的定、转子结构，解析推导了绕组磁链和反电势的表达式，揭示了旋转、直线和螺旋运动时，相电势幅值和频率间存在的倍数关系，以及直线运动时三相电势的不对称性。并将传统的坐标变换理论加以修改，使其适应该执行器的定、转子结构和不同运动模式，给出了变换后的磁链和电压方程。从机电能量转换角度说明了转矩和推力的产生机理，并给出了用磁链和电流表达的电磁转矩和推力公式，以及转矩推力比与执行器结构参数的关系。
　　然后，以单个定子的激励和螺旋运动为研究对象，使用MagNet电磁场仿真软件建立了执行器的仿真模型，得到了空载时的磁场分布和相电势波形。提取气隙磁密的径向分量，并将二维傅里叶变换应用于气隙磁密的谐波分析。负载时，给出了转矩和推力随时间变化的曲线，并绘制了转矩和推力平均值随电流变化的曲线，计算了线性范围内的转矩常数和推力常数。
　　接下来，阐述了两个不同旋向的定子轴向级联输出旋转或直线运动的原理，并给出了旋转-直线执行器的整体结构。说明了正、反两个方向的旋转和直线运动时，每段定子通电的频率和相序，并且都进行了仿真，计算了各种运动模式时执行器的效率。
　　最后，针对该执行器轴向推力波动较大的现象，对比了空载和负载时轴向力的波形，分析了负载时推力波动的成因。以端部效应产生的推力波动为抑制对象、以峰-峰值最小为目标，平移其中一段铁心的推力波形，找到了使合成推力波动最小的两段铁心的轴向距离。通过该方法，执行器的推力波动减小了约60％。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要研究内容

第2章 输出螺旋运动的执行器结构和理论基础

2.1 引言

2.2 新型单定子螺旋运动执行器结构介绍

2.3 绕组磁链和电势的解析推导

2.4 适用于执行器结构的坐标变换

2.5 转矩和推力的产生机理

2.6 执行器的运动方程

2.7 本章小结

第3章 单定子螺旋运动执行器的有限元仿真研究

3.1 引言

3.2 二维傅里叶变换在空间磁场谐波分析中的应用

3.3 执行器的有限元仿真模型

3.4 空载有限元仿真结果

3.5 负载有限元仿真结果

3.6 本章小结

第4章 旋转-直线执行器的结构和运动模式

4.1 引言

4.2 旋转-直线执行器的结构和运行原理

4.3 旋转和直线运动的仿真研究

4.4 旋转-直线执行器不同运动模式总结

4.5 本章小结

第5章 旋转-直线执行器推力波动抑制研究

5.1 引言

5.2 推力波动成因的分析

5.3 不同定子长度时端部力的变化规律

5.4 以峰-峰值最小为目标的推力波动抑制方案

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

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