集成绕组结构短行程直流平面电机的研究

论文摘要

平面电机是直接利用电磁能产生平面运动的新型电机,由于省去了中间转换装置,因此具有二维直接驱动、出力密度高、低热耗、高精度等特点。平面电机在二维平面定位装置特别是精密二维平面定位装置中具有广阔的应用前景,受到学术界和工业界的广泛关注。本文提出了一种集成绕组结构短行程直流平面电机,通过解析分析和有限元仿真计算相结合的方法,对电机特性进行了研究,提出了电机的设计方法并研制了一台实验样机。首先,基于磁荷法和镜像法推导出了二维永磁阵列产生气隙磁场的解析表达式,进而得到直流平面电机的推力、反电势以及方形线圈电感的解析表达式,建立了电机的动态数学模型。然后,对直流平面电机的设计方法进行了研究。包括主要尺寸关系式的推导和永磁体尺寸、背铁板厚度、线圈尺寸的确定。另外,还对电机主要参数进行了优化分析,考察了电磁推力、推力密度和加速度随电机主要尺寸的变化规律。最后,建立了直流平面电机的有限元分析模型。通过仿真计算,得到了三维气隙磁场的分布情况以及电磁推力和偏转转矩的变化情况。根据分析和仿真结果,设计并研制了实验样机,并对其进行了实验研究。解析结果和仿真结果与实验数据基本吻合,从而验证了数学模型和有限元仿真的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景及意义
• 1.2 平面电机的国内外研究现状
• 1.2.1 变磁阻型平面电机
• 1.2.2 感应型平面电机
• 1.2.3 永磁型平面电机
• 1.3 论文的主要研究工作
• 第2章 IWSDCPM的结构及原理
• 2.1 引言
• 2.2 IWSDCPM的基本结构
• 2.3 IWSDCPM的运行原理
• 2.4 IWSDCPM的运动分析
• 2.5 IWSDCPM的线圈排列方案
• 2.6 本章小节
• 第3章 IWSDCPM的数学模型
• 3.1 引言
• 3.2 IWSDCPM空载气隙磁场解析
• 3.2.1 永磁体的等效磁荷模型
• 3.2.2 铁磁边界对磁场的影响
• 3.2.3 永磁阵列的空间磁场分布
• 3.3 IWSDCPM推力及反电势分析
• 3.3.1 气隙磁密幅值计算
• 3.3.2 推力及反电势计算
• 3.4 方形线圈自感解析
• 3.4.1 方形线圈的磁场解析
• 3.4.2 方形线圈自感的计算
• 3.4.3 方形线圈电阻的计算
• 3.5 IWSDCPM的动态数学模型
• 3.5.1 推力平衡方程式
• 3.5.2 电压平衡方程式
• 3.6 本章小结
• 第4章 IWSDCPM的设计方法研究
• 4.1 引言
• 4.2 设计原则与设计流程
• 4.3 电机基本尺寸的确定
• 4.3.1 主要尺寸关系式的推导
• 4.3.2 永磁体与轭部尺寸的确定
• 4.3.3 线圈尺寸的确定
• 4.4 电机参数的优化设计
• 4.4.1 电磁推力的优化方法
• 4.4.2 推力密度的优化方法
• 4.4.3 加速度的优化方法
• 4.5 本章小节
• 第5章 IWSDCPM的有限元分析与实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 有限元模型的建立
• 5.2.1 仿真模型的建立
• 5.2.2 模型材料的选取
• 5.2.3 求解区域及剖分
• 5.3 有限元分析计算
• 5.3.1 三维气隙磁场计算
• 5.3.2 推力与转矩的分析计算
• 5.3.3 电机参数优化分析
• 5.4 IWSDCPM的实验研究
• 5.4.1 IWSDCPM样机
• 5.4.2 电阻和电感测量
• 5.4.3 静态推力测试
• 5.5 本章小节
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢