永磁球形电动机静态特性及有限元分析

论文摘要

永磁球形电动机能够替代传统多自由度传动机构实现三自由度运动,从而大大简化了机械结构,提高了传动系统的定位精度和响应速度,拓展了电机的应用范围。目前该类电机的研究尚处于理论探索阶段,因此,研究成果可为同类型电机的深入研究提供理论依据和实验参考。本论文针对一种新型永磁球形电动机,建立了电机的三维仿真模型,计算得到了球形电动机的电磁转矩特性曲线和磁阻转矩特性曲线。通过分析电机不同的转子极充磁方式、定子线圈铁心磁导率以及不同材料的定子外壳时电磁转矩特性的变化,总结出了提高输出转矩的有效途径;获得并分析了球形电动机最大静转矩随主要结构参数的变化规律。由于球形电动机结构特殊,较难用二维模型直接代替三维模型进行计算。本文提出了基于二维等效模型的转矩计算方法。该方法根据球形电动机二维和三维模型中气隙磁密的分布规律,得到了两种模型之间的等效基础;然后将球形永磁体三维模型的磁场、定子线圈的形状和电流进行了等效计算,求出定、转子等效参数并建立了球形电动机的二维等效仿真模型。基于二维模型的电磁场量推导了电机自转转矩的虚功法计算公式,并选取了麦克斯韦张量法的三种不同积分路径分别进行求解,所得结果与基于三维模型的转矩计算结果进行了对比验证。为深入研究永磁球形电动机的运行性能,对球形电动机的磁场进行了建模,仿真得到了球形电动机定子线圈空载磁链特性曲线并进一步求解得到了其空载自转反电势特性曲线,分析了永磁体充磁方式、气隙长度以及定、转子参数的变化对电机空载磁链特性和空载自转反电势特性的影响。针对球形电动机的端部效应建立了电机的二维和三维有限元模型,并对端部效应及其对电机自转反电势波形的影响进行了理论分析。基于球形电动机的特殊结构提出了一种量化其端部效应的方法,即首先对定子线圈进行等效,然后通过计算得到一个端部系数来修正基于二维模型得到的空载自转反电势曲线。最后将修正后的曲线与基于三维模型得到的计算结果和样机实测波形进行了对比验证。基于理论分析,针对永磁球形电动机进行了机械结构与电磁设计,制作出样机一台,并搭建了球形电动机的实验控制系统。针对球形电动机的运行特点,进行了硬件电路设计和软件程序设计,实现了球形电动机的连续自转运动。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究背景及意义
• 1.2 球形电动机的发展现状与研究热点
• 1.2.1 国外关于球形电动机的研究
• 1.2.2 国内关于球形电动机的研究
• 1.2.3 球形电动机的应用前景和研究方向
• 1.3 球形电动机的伺服控制系统
• 1.4 本文研究的主要内容
• 第二章 永磁球形电动机转矩特性分析
• 2.1 永磁球形电动机运行原理
• 2.2 永磁球形电动机三维有限元转矩分析
• 2.2.1 永磁球形电动机转矩分析
• 2.2.2 永磁球形电动机有限元建模
• 2.3 永磁球形电动机自转转矩特性分析
• 2.3.1 结构形式对自转电磁转矩特性的影响
• 2.3.2 结构参数对自转电磁转矩特性的影响
• 2.4 永磁球形电动机偏转转矩特性分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 永磁球形电动机转矩二维有限元等效分析
• 3.1 三维模型转矩计算
• 3.2 二维模型转矩计算
• 3.2.1 二维模型等效基础
• 3.2.2 转子永磁体参数等效
• 3.2.3 定子线圈参数等效
• 3.2.4 基于二维等效模型的球形电动机转矩计算
• 3.3 转矩计算结果比较
• 3.4 本章小结
• 第四章 永磁球形电动机磁链与反电势特性分析
• 4.1 永磁球形电动机磁链特性分析
• 4.1.1 永磁体充磁方式对磁链特性的影响
• 4.1.2 电机结构参数对磁链特性的影响
• 4.2 永磁球形电动机反电势特性分析
• 4.2.1 永磁体充磁方式对反电势特性的影响
• 4.2.2 电机结构参数对反电势特性的影响
• 4.3 本章小结
• 第五章 永磁球形电动机端部效应及其对反电势特性的影响
• 5.1 端部漏磁
• 5.1.1 普通电机的端部漏磁
• 5.1.2 永磁球形电动机的端部漏磁
• 5.2 永磁球形电动机自转反电势分析
• 5.3 永磁球形电动机端部效应对反电势特性的影响
• 5.3.1 定子线圈简化
• 5.3.2 端部效应量化计算
• 5.3.3 仿真与实验验证
• 5.4 本章小结
• 第六章 永磁球形电动机实验系统
• 6.1 永磁球形电动机机械结构与电磁设计
• 6.1.1 转子参数设计
• 6.1.2 定子参数设计
• 6.1.3 电机其他部件设计
• 6.2 基于DSP的永磁球形电动机控制系统
• 6.2.1 控制系统总体结构
• 6.2.2 控制系统硬件设计
• 6.2.3 实验结果与分析
• 6.3 永磁球形电动机空载反电势测量实验
• 6.3.1 实验系统设计
• 6.3.2 实验结果与分析
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢