高性能无铁芯永磁同步直线电机电磁耦合分析与研究

发布时间：2017-10-14 12:41

  本文关键词：高性能无铁芯永磁同步直线电机电磁耦合分析与研究

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【摘要】：无铁芯永磁同步直线电机(Ironless Permanent Magnet Linear Synchronous Motor, ILPMLSM)由于不存在由中间环节导致的反向间隙、惯性较大、摩擦力较大和刚度不足等问题,因此系统刚度更好,惯性更小,动态性能更优。然而,ILPMLSM存在由永磁体消耗过大、电机次级加工和安装困难等因素导致的电机成本较高,以及由于气隙高度和宽度限制使得电机推力密度相对较低的问题。这些因素影响该类型电机推广到更加广泛的工业实际应用中。本文主要围绕ILPMLSM推力密度相对较低和制造成本较高两个方面的问题,展开U型ILPMLSM电机本体的理论研究和设计优化工作。主要工作如下：1、为解决电机推力密度较低和成本较高的问题,本文展开了直线电机的磁场理论分析和优化工作,并运用有限元计算和实验检测对结果进行分析验证。2、从最根本的电机气隙磁场研究入手,采用基于傅里叶变换和等效磁化电流相结合的耦合磁场分层分析方法,建立统一的分析模型,进行耦合磁场理论求解,指导电机的初步设计。基于ANSYS对耦合磁场进行仿真分析,结果表明本文引入的耦合磁场理论分析求解方法是有效的、准确的。3、根据上述理论分析结果,将电机气隙磁感应强度和永磁体体积作为电机次级结构优化设计中需要优化的目标参数,选取电机的尺寸参数作为设计变量,使用MATLAB遗传算法工具箱求解上述多目标优化问题,得出优化分析结果。借助Workbench电磁分析模块对电机优化结果进行三维建模、分析和求解,结果表明了该优化算法应用于该电机的多目标优化和参数选择的有效性和准确性。4、分析研究次级零部件制造和安装工艺,设计电机次级装配专用夹具。并完成实验样机的设计和试制,进行样机实验,验证了理论分析和优化结果的有效性。综上所述,本文的磁场理论分析和优化设计研究,突破了ILPMLSM推力密度相对较低、成本高的关键技术难题,提升了推力密度和降低了成本,加快了直线电机的产业化应用,对U型ILPMLSM的后续设计和研发具有重要的现实意义。
【关键词】：永磁同步直线电机 气隙磁场分布 耦合磁场分析 多目标优化设计 样机实验
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM359.4
【目录】：

• 致谢7-8
• 摘要8-9
• Abstract9-16
• 第一章 绪论16-26
• 1.1 课题来源16
• 1.2 课题研究背景与目的16-20
• 1.2.1 课题背景16-19
• 1.2.2 课题研究目的与意义19-20
• 1.3 国内外研究与发展现状20-23
• 1.3.1 国外研究与发展现状20-21
• 1.3.2 国内研究与发展现状21-23
• 1.4 无铁芯永磁同步直线电机磁场理论分析现状23-24
• 1.5 本文的主要研究内容24-25
• 1.6 本章小结25-26
• 第二章 电机结构原理和电磁场分析26-39
• 2.1 U型无铁芯永磁同步直线电机原理26-27
• 2.2 U型无铁芯永磁同步直线电机结构27-28
• 2.3 直线电机的磁场计算方法28-29
• 2.4 U型无铁芯永磁同步直线电机的磁场耦合分析29-38
• 2.4.1 基于等效磁化电流的永磁体气隙磁场的理论分析30-34
• 2.4.2 基于傅里叶级数的电枢相电流的气隙磁场理论分析34-37
• 2.4.3 行波磁场的耦合分析37-38
• 2.5 本章小结38-39
• 第三章 基于ANSYS的电机磁场的有限元仿真分析39-50
• 3.1 引言39
• 3.2 有限元求解的电磁场理论基础39-42
• 3.2.1 麦克斯韦方程组39-41
• 3.2.2 电磁场的常见边界条件41-42
• 3.3 有限元分析与求解42-49
• 3.3.1 创建物理环境43-45
• 3.3.2 建立模型,赋予特性,网格划分45-46
• 3.3.3 加边界条件和载荷46-47
• 3.3.4 求解47
• 3.3.5 查看计算结果47-49
• 3.4 本章小结49-50
• 第四章 基于遗传算法的电机磁场优化设计50-65
• 4.1 遗传算法简介50-55
• 4.1.1 遗传算法基本原理50-51
• 4.1.2 遗传算法与传统优化算法对比51-53
• 4.1.3 遗传算法的基本步骤53-55
• 4.2 U型无铁芯永磁同步直线电机优化模型设计55-59
• 4.2.1 建立优化模型55-57
• 4.2.2 基于遗传算法的电机优化模型求解57-59
• 4.3 基于WORKBENCH的电机优化结果三维有限元仿真验证59-63
• 4.4 本章小结63-65
• 第五章 直线电机次级结构的工艺性分析65-74
• 5.1 引言65
• 5.2 次级零件制造工艺性分析65-71
• 5.2.1 永磁体的制造工艺性分析65-69
• 5.2.2 背铁的制造工艺分析69-71
• 5.3 电机安装夹具设计71-73
• 5.4 本章小结73-74
• 第六章 电机样机实验分析与验证74-77
• 6.1 直线电机样机74
• 6.2 实验方案设计与结果分析74-76
• 6.3 本章小结76-77
• 第七章 结论与展望77-79
• 7.1 结论77-78
• 7.2 展望78-79
• 参考文献79-83
• 攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况83

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本文编号：1031156