新型横向磁通永磁直线电机模型建立和优化设计研究

发布时间：2020-10-11 11:44

　　 中德智能制造的合作、工业4.0和《中国制造2025》的提出,均体现出先进制造技术产业在未来工业中的重要性。我国已将先进制造技术产业的发展提升到战略层面。直线电机及其驱动技术是先进制造技术的重要内容,在高档数控机床、轨道交通驱动等领域具有应用价值。直线电机在驱动直线运动负载时,省却了旋转电机的旋转到直线运动的转换机构,因而具有整体结构简单、位置精度高、响应速度快、噪声低等优势。基于高性能稀土永磁的永磁直线电机,提高了直线电机的功率密度、力密度及运行效率。将横向磁通结构应用于永磁直线电机中而得到的横向磁通永磁直线电机,进一步提高了电机的功率密度和力密度,同时因为其具有电磁负荷独立设置的优势,也更有利于电机的最高效率设计。因此,横向磁通永磁直线电机在轨道交通牵引、传送带驱动、直线发电等较大功率直线直驱领域具有重要应用价值。目前已开发出了多种结构型式的横向磁通永磁直线电机,以满足这些领域的需求。但到目前为止,横向磁通永磁直线电机未能在高精度直线直驱如高档机床的进给应用中获得突破。横向磁通永磁直线电机在具备横向磁通结构优点的同时,也引入了如下缺点:(1)高漏磁,因而降低了其功率因数,也影响到其功率密度、力密度及运行效率的提高;(2)高力脉动,因而影响到其位置精度,削弱了直线电机本质上的高位置精度优越性;(3)磁路复杂,分析困难,该类电机磁路为三维结构,三维有限元分析不但建模困难,而且分析计算十分耗时,不便于进行优化设计和多物理场联合仿真分析;(4)装配困难,由于该电机特殊的三维磁路结构,导致生产装配困难。因此本文基于横向磁通永磁直线电机,对其结构、分析模型和优化设计及电磁场耦合建模分析进行创新,本文主要包括以下几部分内容:1.新型横向磁通永磁直线电机的提出、结构优越性、原理及漏磁分析针对传统横向磁通永磁直线电机结构复杂,装配困难的问题,从横向磁通永磁直线电机基本运行原理着手,提出了两种新型结构的横向磁通永磁直线电机:Ⅰ型铁心横向磁通永磁直线电机和E型铁心横向磁通永磁直线电机。本文针对提出的新型横向磁通永磁直线电机结构、运行原理进行了分析,详细介绍了这两种新型电机的结构优越性,并对其漏磁情况进行分析,详细阐述了横向磁通永磁直线电机所特有的永磁体漏磁和绕组漏磁。2.横向磁通永磁直线电机许克变换分析模型的提出和基于该模型的电磁场分析计算。为弥补该电机三维有限元法建模困难、计算耗时大及不便于进行优化设计的弊端,本文采用二维方法建立电机气隙磁场分析模型,进而求取电机性能,提出了横向磁通永磁直线电机的许克变换分析模型并进行了电磁场分析和电机性能的计算。该分析模型具有计算精度高、速度快的特点,同时可以考虑主极磁场的边缘效应、主极间的漏磁场和气隙磁场的分布。首先对该直线电机结构进行等效简化,在保证气隙磁场不发生变化的前提下将电机的三维结构等效为二维结构;其次建立了两种新型横向磁通直线电机的许克变换分析模型;再次以E型横向磁通直线电机为例,采用许克变换分析模型,计算电机的气隙磁场,通过气隙磁场求出该电机空载永磁电动势、定位力波动、负载力波动等;最后,通过三维电磁场有限元方法和样机试验方法对许克变换分析模型的计算结果进行验证。3.耦合许克变换分析模型和智能优化算法的横向磁通永磁直线电机多目标优化设计研究首先通过许克变换模型法分析了永磁体形状对电机力波动的影响,同时建立了电机的功率-尺寸方程,通过该方程得出了电机各参数对电机性能的影响;然后,鉴于该电机是一个多输入多输出的非线性强耦合系统,在电机设计过程中,很难直接通过对各参数单独研究来获得最优的结果,需要采用智能优化算法对电机进行优化设计研究,因此提出耦合许克模型分析方法和带精英策略的快速非支配排序遗传算法(nondominated sorting genetic algorithm Ⅱ,NSGA-Ⅱ)对E型横向磁通永磁直线电机进行多目标优化设计;最后采用电磁场的有限元法对设计结果进行比较分析,验证提出的优化方法的可行性和正确性。4.横向磁通永磁直线电机基于剖分的多平面等效磁网络模型的提出和研究为进一步研究横向磁通永磁直线电机的整体性能,同时兼顾电机导磁材料非线性和计算速度问题,提出该电机基于剖分的多平面等效磁网络模型。首先将三维磁路结构的横向磁通永磁直线电机分解为多个模块,并使每个模块中的主磁场等效到相应的一个平面中;其次对每个模块进行二维剖分,进而得到基于剖分的多平面等效磁网络模型,在这一过程中,采用可变剖分的方法来改变电机不同位置处剖分单元的大小,以在满足计算精度的前提下提高计算速度;然后基于多平面等效磁网络模型建立非线性方程组并进行电机相关波形和参数的计算,在非线性方程组的求解过程中,提出了新的非线性迭代收敛的判定条件;最后将许克变换分析模型法、三维磁场有限元法和样机实验法的有关结果与多平面等效磁网络模型法进行了比较验证。5.横向磁通永磁直线电机电、磁场耦合模型的提出和研究在建立横向磁通永磁直线电机多平面等效磁网络模型的基础上,首先将微分方程离散化,并引入受控源、等效电阻和等效电源,然后将电机控制主电路与磁网络模型耦合到一个网络回路中,建立了电机的电磁场耦合模型。为横向磁通永磁直线电机系统提供了一种新的动态性能计算方法和手段。6.新型结构横向磁通永磁直线电机样机的试制和实验制作了新型结构横向磁通永磁直线电机样机,进行了样机电机的发电机实验和电动机实验。测试了样机空载永磁电动势、定位力、输出推力、位置和速度跟随能力等性能参数。实验结果表明,样机具有良好的性能。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM359.4
【部分图文】：

接驱动等低转速大转矩高功率场合得到了一定的应用。随着研究的深入，新型拓??扑结构的横向磁通永磁旋转电机相继出现。ＰｅｅｔｈａｍｐａｒａｍＡｎｐａｌａｈａｎ等提出了一??款横向磁通永磁旋转电机［１３］，该电机的结构如图１－２所示，它采用的是三相依次??排列的结构，定子三相三绕组依次占据１２０°的扇形区域。每相绕组包含多个导??磁铁心。从图中看出，转子部分易于加工，但其线圈安装工艺性相对较差。??３??

图１－２三相同圆周排列横向磁通电机??ＹｕｔａＹａｍａｍｏｔｏ等学者提出了一款Ｃ型定子的横向磁通永磁旋转电机［１４］，如??图１－３所示，该电机采用集中绕组，定子铁心采用叠片结构，该电机可通过定子??铁心和永磁体个数的相互配合形成多相电机，与其他形式的类似结构电机相比有??较大优势，但该电机绕组分布位于转子永磁体两侧，定子铁心极面采用梯形结构，??增加了定子铁心叠片的加工和安装难度，减小了定子绕组的摆放空间。在一定程??度上牺牲了横向磁通电机电磁负荷独立设置的优势。??麵?．??教＇響??图１－３?Ｃ型定子的横向磁通电机??宫晓、徐衍亮等学者提出一种新型盘式横向磁通永磁旋转电机｜１５１，该电机结??构如图１－４所示，其与文献［１４］提出的Ｃ型定子的横向磁通永磁旋转电机不同，??该电机定子铁心极面没有采用梯形结构，而且绕组没有分布于永磁体两侧，具有??安装简单，电磁负荷独立设置，功率密度高等优点。该电机主磁通通过Ｃ形铁??心、气隙和转子盘形成闭合回路

山东大学博士学位论文??永磁体??图１－２三相同圆周排列横向磁通电机??ＹｕｔａＹａｍａｍｏｔｏ等学者提出了一款Ｃ型定子的横向磁通永磁旋转电机［１４］，如??图１－３所示，该电机采用集中绕组，定子铁心采用叠片结构，该电机可通过定子??铁心和永磁体个数的相互配合形成多相电机，与其他形式的类似结构电机相比有??较大优势，但该电机绕组分布位于转子永磁体两侧，定子铁心极面采用梯形结构，??增加了定子铁心叠片的加工和安装难度，减小了定子绕组的摆放空间。在一定程??度上牺牲了横向磁通电机电磁负荷独立设置的优势。??麵?．??教＇響??图１－３?Ｃ型定子的横向磁通电机??宫晓、徐衍亮等学者提出一种新型盘式横向磁通永磁旋转电机｜１５１，该电机结??构如图１－４所示，其与文献［１４］提出的Ｃ型定子的横向磁通永磁旋转电机不同，??该电机定子铁心极面没有采用梯形结构
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本文编号：2836548