双定子直线旋转永磁电机的设计、分析与控制

摘要

双定子直线旋转永磁（Double stator linear and rotary permanent magnet，DSLRPM）电机是一种新型两自由度直线旋转电机，该电机结合了永磁旋转电机和永磁直线电机的优点，实现了直线、旋转和螺旋运动，具有结构简单紧凑、机械集成度高、体积小、功率密度高、定位精度高和易于加工制造等特点，在高精度要求的汽车自动换挡变速箱、多座标加工中心、机械手臂等领域具有广阔的应用前景。本文以DSLRPM电机为研究对象，分别对其设计理论、电磁特性、结构参数优化、磁场和电磁推力/电磁转矩解析分析、数学建模与控制策略、实验平台等关键理论和技术进行全面深入的研究，并通过仿真与实验进行验证，为DSLRPM电机在机器人、加工机床等工业领域的应用提供一定的理论与技术基础。
　　论文研究内容主要包括以下几个方面:
　　1.详细分析DSLRPM电机结构、电动和发电运行工作原理，在此基础上推导DSLRPM电机的功率尺寸方程、永磁磁势及电磁推力和电磁转矩的一般关系。根据功率方程，提出DSLRPM电机的初始设计方案，为DSLRPM电机的通用设计奠定理论基础。
　　2.基于三维有限元方法，研究9/8极和12/10极DSLRPM电机的电磁特性和负载特性，包括磁场分布、气隙磁密、空载永磁磁链、感应电动势、绕组电感、齿槽转矩与定位力、输出转矩和推力、输出功率等，比较有限元计算与理论分析结果，验证DSLRPM电机电磁设计方法的正确性。
　　3.研究端部和正交磁场对DSLRPM电机性能的影响。对于DSLRPM电机长动子短定子结构，分析端部磁场畸变对电机静态和动态性能的影响，得到最优端部结构。对于DSLRPM电机动子铁芯中存在的正交磁场，建立正交磁场影响分析的有限元模型，研究正交磁场下铁芯的磁化特性，并通过实验比较验证有限元和理论分析的有效性和正确性;在此基础上结合2D有限元方法，建立基于正交磁场铁芯磁化特性的DSLRPM电机等效2D有限元模型，优化动子轭和永磁体厚度，为合理利用DSLRPM电机空间和提高电机功率密度奠定理论基础。
　　4.基于直角坐标系，通过求解Maxwell方程、保角变换和等效磁路方程，提出考虑正交磁场影响的DSLRPM电机解析计算方法，并对DSLRPM电机的气隙磁场、齿槽转矩、定位力、电磁推力及电磁转矩等进行解析计算，比较解析计算与有限元分析结果，验证解析计算模型的准确性和有效性。
　　5.建立DSLRPM电机在定、转子坐标系下的数学模型，提出DSLRPM电机矢量控制策略。基于MATLAB/Simulink软件建立DSLRPM电机控制系统的仿真模型并进行矢量控制仿真研究，验证数学模型和控制策略的正确性。
　　6.设计开发DSLRPM电机电动和发电运行控制系统硬件电路，包括主功率电路、控制电路、检测电路、保护电路和驱动电路，在此基础上，设计研发电动和发电运行的控制软件，为搭建和测试DSLRPM电机运行系统奠定硬件和软件基础。
　　7.构建DSLRPM电机电动和发电运行系统实验平台，对DSLRPM电机电磁特性、矢量控制策略和发电运行特性进行实验研究，验证DSLRPM电机设计和分析理论及其控制系统的有效性和正确性，为DSLRPM电机的进一步深入研究和工业领域应用奠定基础。

目录

声明

摘要

图录

表录

第1章 绪论

1．1 课题研究背景

1．1．1 多自由驱动的发展概况

1．1．2 多自由度驱动的形式

1．1．3 磁耦合式直线旋转电机

1．2 直线旋转电机的国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．2．3 研究不足之处

1．3 直线旋转永磁电机控制方法的研究现状

1．4 本课题研究内容与论文结构

1．4．1 课题研究主要内容

1．4．2 论文结构

第2章 DSLRPM电机结构及运行原理

2．1 引言

2．2 DSLRPM电机基本结构

2．2．1 基本结构

2．2．2 磁路结构分析

2．3 电动运行原理

2．4 发电运行原理

2．5 DSLRPM电机电磁功率方程

2．6 主要电磁参数确定

2．6．1 定子参数

2．6．2 绕组参数

2．6．3 永磁体参数

2．6．4 动子轭参数

2．7 本章小结

第3章 DSLRPM电机电磁特性分析

3．1 引言

3．2 DSLRPM电机的有限元模型

3．3 电磁特性分析

3．3．1 磁场分布与气隙磁密

3．3．2 永磁磁链

3．3．3 感应电动势

3．3．4 绕组电感

3．3．5 齿槽转矩与定位力

3．4 负载特性分析

3．4．1 电动负载特性

3．4．2 发电负载特性

3．5 结构参数对电机性能的影响分析

3．5．1 端部影响分析

3．5．2 正交磁场影响分析

3．6 本章小结

第4章 DSLRPM电机解析分析

4．1 引言

4．2 DSLRPM电机解析计算模型

4．2．1 磁场解析计算模型

4．2．2 考虑齿槽影响的磁场计算

4．2．3 考虑正交磁场影响的磁场计算

4．3 空载特性计算

4．3．1 齿槽转矩与定位力计算

4．3．2 感应电动势计算

4．4 电磁转矩与电磁推力计算

4．5 计算程序

4．6 计算结果比较与分析

4．7 本章小结

第5章 DSLRPM电机矢量控制系统仿真研究

5．1 引言

5．2 DSLRPM电机的数学模型

5．2．1 三相静止abc参考坐标系中的数学模型

5．2．2 两相静止αβ参考坐标系中的数学模型

5．2．3 两相旋转dq0参考坐标系中的数学模型

5．3 DSLRPM电机仿真建模

5．3．1 旋转运动部分建模

5．3．2 直线运动部分模型

5．4 DSLRPM电机控制策略

5．5 DSLRPM电机控制系统仿真分析

5．5．1 DSLRPM电机矢量控制系统建立

5．5．2 仿真结果分析

5．6 本章小结

第6章 DSLRPM电机控制系统软硬件设计

6．1 引言

6．2 DSLRPM电机控制系统结构与硬件设计

6．2．1 电动运行控制系统及资源配置

6．2．2 发电运行控制系统及资源配置

6．2．3 主功率电路

6．2．4 驱动隔离单元

6．2．5 检测单元

6．2．6 保护电路

6．3 DSLRPM电机控制系统软件设计

6．3．1 电动运行控制系统软件

6．3．2 发电运行控制系统软件

6．4 本章小结

第7章 DSLRPM电机样机研制与实验研究

7．1 引言

7．2 DSLRPM电机样机研制

7．2．1 DSLRPM电机电动运行样机

7．2．2 DSLRPM电机发电运行样机

7．3 DSLRPM电机实验研究

7．3．1 DSLRPM电机实验平台

7．3．2 电动样机实验结果

7．3．3 发电样机实验

7．4 本章小结

第8章 总结与展望

8．1 全文总结

8．2 工作展望

参考文献

攻读博士学位期间学术成果

致谢