脉动流实验装置的直线电机设计与仿真

摘要

直线驱动装置是脉动流实验中重要的设备，为体外循环提供动力，为细胞培养提供近生理流场环境。目前脉动流实验中常见的驱动装置是直线电机。直线电机提供直接的直线推力，简化了通过旋转电机附加转换装置的复杂机械结构，提高了机械传动效率。由于体环境异常复杂，细胞生理或病理现象的研究仍然依赖细胞体外分离和培养技术，因此，脉动流实验装置中驱动设备的性能对构建细胞体外生理环境起重要作用。 论文的目标是设计一种大推力的直线电机，可靠地驱动脉动流实验，使体外细胞能够获得足够的流场压力。直线电机有各种不同的种类，本文研究的是音圈式永磁直线电机，该类电机应用当前稀土永磁材料和电子控制技术的先进成果，具有体积小、比功大、高效、节能、平稳，坚固可靠等显著优点。以前设计的直线电机推力一直不是很理想，导致脉动流实验中流场的压力提不上去。所以合理的设计电机结构和高效的功率驱动电路成为直线电机设计中的关键技术。 本文在以下几个方面展开了工作： (1)针对直线电机的研究现状，分析国内外相关文献资料，总结直线电机的现状和发展，特别总结了现有的直线电机磁路的设计方法，电机优化设计的现状和发展以及电机控制的现状和发展。 (2)为了提高气隙磁通密度，对电机的结构做了各种变化，寻求一种最好的设计机构。由于成本的考虑，不可能通过对不同的结构电机都设计一种样机来实验，所以运用ANSYS有限元技术来仿真不同结构模型的电机，通过仿真的结果来选取电机最合适的设计结构。 (3)在选定这种结构之后对这种模型的电机做优化设计，阐述了优化设计的原理和方法，本文结合实际两种模型的电机制定了优化设计方案，运用ANSYS的优化工具完成了优化设计，并对优化结果做了分析。 (4)动力学的响应也是直线电机的重要性能体现之一。本文运用ANSYS对电机的动态电压输入与力响应输出作了仿真，分析了电机输出力略有延迟的现象。 (5)电机的功率放大也是直接影响到电机的推力重要因素，提高驱动电压和电流，可以进一步提升了电机的输出力，以前的功放电路是依靠线性放大电路来放大电机驱动信号，这种方法功率放大效率较低，发热量大，很难输出大电流，同时这种功率放大电路控制精度不高。本文改进了原来的功放电路，采用脉宽调制功率放大电路，改善了电机的性能。 (6)对于仿真的结果是否合理，需要实验来检验。本论文搭建电机测试平台，电机的最大持续推力通过岛津试验仪可以精确的测量。另外搭建了位移检测平台对电机的启动过程的动态响应作了实际检测。分析了位移，速度，加速度，电压，电流，电阻，功率及气隙磁感应强度等电机参数。试验表明，设计的电机性能符合仿真的结果。同时也验证了功放电路的优越性能，最后分析了此次电机设计的不足，指出了未来研究的方向。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1引言

1.2直线电机的发展史

1.3直线电机的应用

1.4直线电机在交通与民用方面的应用

1.5直线电机在军事及其他方面的应用

1.6直线电机原理结构特点

1.7直线电机特点

1.8直线电机存在的问题

1.9直线电动机驱动控制技术

1.9.1传统控制技术

1.9.2现代控制技术

1.9.3智能控制技术

1.10国外研究状况

1.11国内研究状况

1.12直线电机未来发展

1.13电机电磁场研究方法

1.14电磁场有限元分析软件比较

1.15电磁场逆问题的电机优化设计

1.15.1传统优化设计方法

1.15.2优化设计现状与发展

1.15.3对材料特性的模拟将更加趋于精细化

1.16本文的研究内容

2直线电机设计的有限元仿真

2.1样机介绍

2.2设计要求目标

2.3电机直线的电磁场有限元分析

2.3.1电磁场基本理论

2.3.2有限元方法介绍

2.3.3 ANSYS软件介绍

2.3.4 ANSYS在电磁场中的应用

2.3.5 ANSYS电磁场有限元仿真过程

2.3.6对实际研制样机的仿真

2.3.7动态仿真

3直线电机结构的优化设计问题

3.1永磁材料的优化

3.1.1永磁材料的主要性能

3.1.2永磁材料选用

3.1.3永磁体工作点的确定：

3.2电机优化问题的描述

3.3ANSYS优化工具介绍

3.4直线电机的优化方案

3.5优化结果分析

4直线电机功率驱动设计

4.1功率驱动基本原理

4.2功率放大器的分类

4.2.1甲(A)类放大器

4.2.2乙(B)类放大器

4.2.3丙(C)类放大器

4.2.4甲乙(AB)类放大器

4.2.5 D类放大器(开关放大器)

4.3直线直流电机驱动要求

4.4驱动硬件设计

4.4.1硬件设计

4.4.2程序控制

5直线电机测试实验

5.1实验方法概述

5.2动态测试系统

5.2.1多功能数据采集卡介绍

5.2.2位移传感器的标定

5.2.3位移信号检测

5.3静态测试系统

5.4总结

5.5实验相似性推断

5.5展望

参考文献

在读期间发表的论文

致谢