直线伺服电机设计及其法向力分析

论文摘要

在机床伺服系统中,直线电机直接驱动可以省去中间的变换环节,具有高精度、高速度、长行程等特点。法向力是引起电机推力波动的主要原因之一,本文对影响法向力的因素,以及减小法向力波动的措施进行了系统的研究。首先根据永磁电机和直线电机的特点,总结了永磁直线同步电机的电磁方案设计原则,并提出了设计方案。磁阻力是引起直线电机推力波动的主要原因,电磁设计方案应能有效较小磁阻力引起的推力波动,所以将磁导调制理论与分数槽理论相结合,应用于直线电机的设计之中。对产生法向力的原因进行了分析。法向力主要由永磁体与铁心之间的法向力、永磁体与行波磁场之间的法向力、永磁体与机床床身之间的法向力构成。研究了不同功角、不同电流,不同气隙条件下法向力的性质、平均值、以及法向力的波动幅值。功角不同时,永磁体与行波磁场之间的法向力可以为吸引力、排斥力或者没有吸引力。分析了电流对法向力的影响与功角有着较大的联系,不同功角时,随着电流的增加,对法向力可能产生增强或者减弱的不同作用效果。研究了采用不同的电磁设计方案来减小法向力或者法向力波动。从理论上分析了通过采用磁导调制理论设计直线电机、优化直线电机两边端错开相位角,以及采用两单元电机等措施可以显著的减小法向力的波动。通过有限元方法验证了理论分析的正确性。没有孤立的研究减小法向力波动的措施,在进行法向力分析的同时,同步观察磁阻力引起的推力波动的变化情况,以选取更优的设计方案。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景、目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文研究所采用的计算方法
• 1.3.1 传统的磁路计算法
• 1.3.2 电机电磁场数值计算法
• 1.4 论文主要研究内容
• 第二章 直线伺服电机结构与原理
• 2.1 直线电机基本结构
• 2.2 直线电机的基本工作原理
• 2.3 直线电机的分类
• 2.4 永磁直线同步电机介绍
• 2.5 本章小结
• 第三章 直线伺服电机基本设计方案
• 3.1 永磁直线电机的端部效应问题
• 3.2 磁导调制理论应用于直线电机设计
• 3.3 分数槽理论应用于直线电机设计
• 3.4 电机基本电磁设计方案的确定
• 3.4.1 主要尺寸的选取
• 3.4.2 电磁负荷的选取
• 3.4.3 永磁体尺寸确定
• 3.4.4 槽形尺寸的设计
• 3.4.5 永磁直线同步电机尺寸
• 3.5 本章小结
• 第四章 直线伺服电机法向力的分析
• 4.1 直线电机法向力的分类及其对推力的影响
• 4.2 直线伺服电机法向力的解析法分析
• 4.2.1 磁场分析
• 4.2.2 力的分析
• 4.3 直线伺服电机法向力的有限元方法分析
• 4.3.1 恒定磁场的边界条件
• 4.3.2 条件变分问题及其离散化
• 4.3.3 恒定磁场的边界条件
• 4.3.4 有限元方法分析直线伺服电机的步骤
• 4.4 本章小结
• 第五章 法向力波动及磁阻力引起的推力波动分析与减小措施
• 5.1 磁导调制理论应用于电机设计对电机法向力和推力波动的影响
• 5.2 不同功角对电机法向力与推力波动的影响
• 5.3 改变电流对电机法向力以及推力波动的影响
• 5.4 改变气隙对电机法向力和推力波动的影响
• 5.5 改变齿槽尺寸对电机法向力和推力波动的影响
• 5.6 优化两边端错开相角对法向力及推力波动的影响
• 5.7 两单元的电机设计方案对法向力以及推力波动的影响
• 5.8 次级与机床床身的法向力分析
• 5.9 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢