双定子圆筒型永磁游标直线电机的设计与分析

发布时间：2017-04-06 17:04

  本文关键词：双定子圆筒型永磁游标直线电机的设计与分析，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：由于心脏病居高不下的死亡率和自然心脏的短缺,现如今通过移植人造心脏代替自然心脏来泵血成为了一种非常有效的方式来挽救心脏病患者生命。作为人造心脏的最为关键的组成部件,人造心脏泵必须拥有稳定性和可供移植性这两项条件,而电驱动的人造心脏电泵恰恰具备这些优势,具备有很高的科研价值。本文提出了一种新型的双定子圆筒型永磁游标直线电机应用于人造心脏泵领域,并对其静态性能和动态性能进行了研究,搭建了有限元仿真模型,设计制造了试验样机,证实了圆筒型双定子直线游标永磁电机有较为优异的性能,为进一步研究该类双定子直线游标永磁电机打下了基础。所研究的主要工作如下:1)由于人造心脏受体胸腔空间有限且要求电机具有较高的推力密度,提出了一种新型两相圆筒型双定子直线游标(Double-Stator Tubular Permanent-Magnet Vernier、TDS-VPM)电机结构并对现有游标结构就行改进,绕组和永磁体都位于初级上,次级只有铁芯。A、B两相绕组分别位于内外定子,采用此结构可以有效利用电机中空体积,减小电机长度,提高电机的推力密度、增加电机的可靠性。2)建立了电机的轴对称有限元模型,将3D电机结构简化为2D模型,节约了仿真时间。在此基础上对电机的磁场分布、磁链、反电势和电感以及推力等静态特性进行了仿真分析,验证了电机的游标效应,与理论分析一致。3)构建了对称模型,将影响直线电机推力脉动的边端力和齿槽力进行了分离,据此,对电机的拓扑结构进行优化和改进,通过动子内外侧错开四分之一极距,使得内外定子产生的齿槽力相互抵消,有效的降低了动子的推力脉动,提高了输出性能。4)建立了电机的数学模型,推导了由于边端效应和加工误差使得两相反电势相位差不为90°电角度时的电流控制策略,利用场路耦合联合仿真方法,对电机的动态特性进行了仿真分析。5)由于圆筒型结构不宜使用硅钢片叠压而成,对采用的新型软磁材料坡莫合金的磁材料性能进行了测试,测试表明其磁导率要低于硅钢材料。设计加工了一台试验样机,并进行了测试,分析表明实验结果与仿真结果较为吻合,验证了理论分析的正确性和有效性。
【关键词】：推力 定位力 永磁电机 有限元分析 圆筒直线电机
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM359.4
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-20
• 1.1 课题研究的背景10-11
• 1.2 直线电机简介11-13
• 1.3 定子永磁型电机简介13-14
• 1.4 游标电机简介14-16
• 1.5 双定子电机简介16-17
• 1.6 人造心脏泵国内外发展现状和研究趋势17-18
• 1.7 本文内容的安排18-20
• 第二章 双定子圆筒型永磁游标直线电机的运行原理与结构特点20-29
• 2.1 人造心脏的泵用电机性能要求20
• 2.2 电机结构20-22
• 2.3 运行原理22-23
• 2.4 游标原理23-27
• 2.5 双定子圆筒形永磁游标直线结构特点27-28
• 2.5.1 圆筒形直线电机结构的选取27
• 2.5.2 永磁游标结构的选取27-28
• 2.6 本章小结28-29
• 第三章 双定子圆筒形永磁游标直线电机的有限元分析29-49
• 3.1 参数化建模29-30
• 3.2 网格剖分30-31
• 3.3 电机静态特性分析31-34
• 3.3.1 永磁磁场和电枢磁场分析31-32
• 3.3.2 永磁磁链和空载反电势32
• 3.3.3 自感和互感32-33
• 3.3.4 定位力33
• 3.3.5 推力33-34
• 3.4 电机改进结构提出34-35
• 3.5 改进电机结构参数对电机性能的影响及优化35-40
• 3.6 改进电机结构的静态特性分析40-48
• 3.6.1 永磁磁场40-41
• 3.6.2 电枢磁场41-42
• 3.6.3 自感和互感42-43
• 3.6.4 永磁磁链和空载反电势43-44
• 3.6.5 定位力分析44-45
• 3.6.6 推力分析45-46
• 3.6.7 永磁体退磁风险分析46-48
• 3.7 本章小结48-49
• 第四章 数学模型和控制策略49-60
• 4.1 数学模型49-51
• 4.2 动子角度差选取51-55
• 4.3 电流控制55-56
• 4.4 基于场路耦合的联合仿真56-59
• 4.5 本章小结59-60
• 第五章 样机与实验结果分析60-65
• 5.1 样机制造60-62
• 5.1.1 电机永磁材料的性能测试60-61
• 5.1.2 电机制作组装61-62
• 5.2 样机实验62-64
• 5.3 本章小结64-65
• 第六章 总结与展望65-67
• 6.1 工作总结65
• 6.2 工作展望65-67
• 参考文献67-72
• 致谢72-73
• 攻读硕士期间发表论文与科研成果73

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