永磁同步直线电机电磁分析及模型预测磁链控制算法研究
发布时间：2020-12-10 01:52
传统的铁芯式永磁同步直线电机由于其结构特点存在齿槽效应及定位力大等缺点,而无铁芯永磁同步直线电机动子由绕组构成,并通过环氧树脂进行固定,没有铁芯结构,因此不存在齿槽效应并且动子质量小,有利于提高永磁同步直线电机的动态性能,实现直线电机的高精度控制。本文以双边无铁芯永磁同步直线电机为研究对象,分析了电机的气隙磁场及推力特性,并对模型预测磁链控制算法在永磁同步直线电机上的应用进行了研究。本文的主要研究内容为以下几个方面:1)首先对直线电机的国内外研究现状进行了分析,对直线电机的工作原理以及基本结构进行了介绍。2)介绍了双边无铁芯永磁同步直线电机的结构,利用解析法对电机气隙磁场分布进行计算,推导出电机气隙磁场计算的表达式,分析了电机气隙磁场的变化规律,在此基础上推导出永磁同步直线电机的推力表达式。在有限元软件中建立了电机二维分析模型,计算了电机的气隙磁场以及推力,将解析法与有限元法的计算结果进行了对比分析,并进行了电机的推力实验,证明了解析法计算结果的准确性。3)介绍了电机控制中坐标变化的原理,并得到永磁同步直线电机在三相静止坐标系、两相静止坐标系和两相旋转坐标系下的数学模型。介绍了适用于永...
【文章来源】：河北科技大学河北省
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
旋转电机演变为直线电机过程
河北科技大学硕士学位论文2图1-1中直线电机的初级和次级长度相等，这样不利于直线电机的正常运行，随着直线电机的运动，初级和次级之间相对的部分会越来越小，初级磁场和次级磁场之间耦合的部分也会越来越小，因此电机不能稳定工作。在实际应用中，需要减小直线电机初级或次级的长度，使电机在正常运动中初级磁场与次级磁场的耦合保持不变，保证电机的正常工作。在直线电机的制造过程中，通常有两种方案，分别是短初级长次极和短次级长初级。为了降低制造费用和运行成本，通常采用短初级长次级方案，如图1-2所示。图1-2短初级长次级方案永磁同步直线电机工作方式与传统的旋转电机不同，前者可以将电能直接转换为直线运动，而不必使用传统直线运动解决方案中的机械传动装置，从根本上消除了机械传动装置所带来的误差。此外永磁同步直线电机具有单位体积功率密度大、动态响应快等优点。由于直线电机相比传统直线运动解决方案具有诸多优点，所以被广泛应用到各种领域。在轨道交通方面，全世界已经有多个国家将直线电机应用在其地铁线路上；在3D打印行业，精度更高的直线电机已经开始逐步取代传统的旋转电机与皮带的组合；在军事领域，我国正在研究应用于航空母舰的基于直线电机系统的电磁弹射系统；在民用领域，有多家电梯生产厂商正在研究将直线电机应用于消费级电梯市场及智能车库上。对直线电机的深入研究具有重要意义，目前大多数的研究只要是针对铁心式永磁同步直线电机，无铁心永磁同步直线电机的研究相对较少。无铁心永磁同步直线电机虽然推理密度小，但是推力波动小，动态响应快，非常适合负载较小但是对精度要求较高的场合，而目前针对这方面的研究不多，所以针对无铁心永磁同步直线电机的本体及控制方面的研究在理论及应用方面都具有重
第1章绪论5多旋转电机的研究成果不能直接应用，需要发展出以套针对直线电机的研究理论。目前国内已经有很多研究所及高校的研究专家开展了对直线电机的理论研究，并在此基础上进行创新，提出了多种结构新颖的直线电机，甚至将直线电机反过来应用到旋转电机的领域，例如博智达公司的环形直线电机。图1-3环形直线电机直线电机的研究发展也体现在直线电机的材料上。由于直线电机具有高精度的特点，因此其常被应用到全自动引线键合机中，其中动子的结构通常采用玻璃纤维，但是为了提高动态响应性能，设备生产商考虑利用刚性更高、质量更轻的碳纤维复合材料取代玻璃纤维。直线电机虽然发展出了不同类型，但是其种类仍然有限，结构变化形式少，为了将直线电机更好的应用在各种不同的场合，需要根据不同场景下的独特需求研究和开发出相应功能和使用条件的直线电机，例如超声直线电机、高温超导直线电机等。直线电机虽然具有控制精度较高、结构简单等优点，但是它也存在明显的缺点，例如对于铁芯式永磁同步直线电机来说，虽然其推力大，但是其齿槽效应也较大，同时由于法向吸引力较大及动子质量将达，因此其动态相应效果不好，且推力波动明显，影响电机的高精度控制；对于无铁芯永磁同步直线电机来说，虽然动子质量轻、动态响应好，但是推力较校因此解决这些现有直线电机存在的问题也是一种直线电机的研究和发展趋势。解决这些问题现在主要有三种研究方向：第一种是对现有直线电机本体进行结构优化，通过仿真计算及试制样机进行实验验证；第二种是不断提高直线电机的控制技术，电子技术的不断发展使数字信号处理的速度不断加快，使以往复杂的控制算法的实现成为可能；第三种是创新直线电机结构，研究新型的直线电机。1.3直线电机控制技术的发展直
【参考文献】：
期刊论文
[1]永磁同步电机的改进模型预测直接转矩控制[J]. 刘珅,高琳. 电机与控制学报. 2020(01)
[2]基于无电流传感器的永磁同步电机系统模型预测控制[J]. 滕青芳,崔宏伟,朱建国,郭有光,田杰. 电机与控制学报. 2019(05)
[3]基于动态矩阵的永磁同步直线电机速度控制[J]. 薛增涛,史雁鹏,王蕾永,李争,王群京. 河北科技大学学报. 2019(02)
[4]永磁同步电机模型预测磁链控制[J]. 牛峰,韩振铎,黄晓艳,张健,李奎,方攸同. 电机与控制学报. 2019(03)
[5]内置式永磁同步电机无位置传感器自适应集总电动势模型预测控制[J]. 陈卓易,邱建琪,金孟加. 电工技术学报. 2018(24)
[6]感应电机三矢量模型预测磁链控制[J]. 张永昌,夏波,杨海涛. 电气工程学报. 2017(03)
[7]基于空间矢量调制的感应电机无速度传感器模型预测磁链控制[J]. 张虎,张永昌,夏波,杨海涛. 电工技术学报. 2017(03)
[8]永磁同步直线电机端部效应的分析及结构优化[J]. 李耀辉. 许昌学院学报. 2016(05)
[9]永磁同步电机模型预测直接转矩控制[J]. 牛峰,李奎,王尧. 电机与控制学报. 2015(12)
[10]一种同步直线电机推力波动特性的检测方法[J]. 王伟华,张子娇,周海波,周振宇. 中国电机工程学报. 2016(02)
博士论文
[1]永磁同步电机模型预测控制策略研究[D]. 刘莹.华中科技大学 2018
[2]永磁同步直线电机控制方法研究[D]. 唐传胜.电子科技大学 2014
[3]基于现代控制理论的永磁同步电机控制研究[D]. 钱苗旺.中国矿业大学 2013
[4]永磁同步直线电机推力波动的优化设计研究[D]. 程远雄.华中科技大学 2011
[5]空心式永磁直线伺服电机及其驱动控制系统研究[D]. 刘晓.浙江大学 2008
硕士论文
[1]车用永磁同步电机模型预测直接转矩控制系统研究[D]. 沈忱.江苏大学 2019
[2]基于模型预测控制的电动汽车用永磁同步电机直接转矩控制系统研究[D]. 师浩浩.长安大学 2019
[3]永磁同步电机模型预测直接转矩优化控制策略研究[D]. 樊昱琨.西安理工大学 2018
[4]矩阵变换器驱动的永磁同步电机模型预测转矩控制系统研究[D]. 陆畅.兰州交通大学 2018
[5]无铁芯永磁同步直线电机的设计和优化分析[D]. 张家祯.河北科技大学 2018
[6]基于预测控制的永磁同步电机位置控制策略[D]. 马云飞.燕山大学 2018
[7]电动汽车永磁同步电机驱动系统的预测控制方法[D]. 郭婷婷.哈尔滨工业大学 2017
[8]永磁电机无传感器控制系统低速动态性能提升策略[D]. 袁碧荷.哈尔滨工业大学 2017
[9]永磁直线同步电机直接转矩控制系统的研究与实现[D]. 李月凡.上海电机学院 2016
[10]高性能无铁芯永磁同步直线电机电磁耦合分析与研究[D]. 苗万涛.合肥工业大学 2016
本文编号：2907868
【文章来源】：河北科技大学河北省
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
旋转电机演变为直线电机过程
河北科技大学硕士学位论文2图1-1中直线电机的初级和次级长度相等，这样不利于直线电机的正常运行，随着直线电机的运动，初级和次级之间相对的部分会越来越小，初级磁场和次级磁场之间耦合的部分也会越来越小，因此电机不能稳定工作。在实际应用中，需要减小直线电机初级或次级的长度，使电机在正常运动中初级磁场与次级磁场的耦合保持不变，保证电机的正常工作。在直线电机的制造过程中，通常有两种方案，分别是短初级长次极和短次级长初级。为了降低制造费用和运行成本，通常采用短初级长次级方案，如图1-2所示。图1-2短初级长次级方案永磁同步直线电机工作方式与传统的旋转电机不同，前者可以将电能直接转换为直线运动，而不必使用传统直线运动解决方案中的机械传动装置，从根本上消除了机械传动装置所带来的误差。此外永磁同步直线电机具有单位体积功率密度大、动态响应快等优点。由于直线电机相比传统直线运动解决方案具有诸多优点，所以被广泛应用到各种领域。在轨道交通方面，全世界已经有多个国家将直线电机应用在其地铁线路上；在3D打印行业，精度更高的直线电机已经开始逐步取代传统的旋转电机与皮带的组合；在军事领域，我国正在研究应用于航空母舰的基于直线电机系统的电磁弹射系统；在民用领域，有多家电梯生产厂商正在研究将直线电机应用于消费级电梯市场及智能车库上。对直线电机的深入研究具有重要意义，目前大多数的研究只要是针对铁心式永磁同步直线电机，无铁心永磁同步直线电机的研究相对较少。无铁心永磁同步直线电机虽然推理密度小，但是推力波动小，动态响应快，非常适合负载较小但是对精度要求较高的场合，而目前针对这方面的研究不多，所以针对无铁心永磁同步直线电机的本体及控制方面的研究在理论及应用方面都具有重
第1章绪论5多旋转电机的研究成果不能直接应用，需要发展出以套针对直线电机的研究理论。目前国内已经有很多研究所及高校的研究专家开展了对直线电机的理论研究，并在此基础上进行创新，提出了多种结构新颖的直线电机，甚至将直线电机反过来应用到旋转电机的领域，例如博智达公司的环形直线电机。图1-3环形直线电机直线电机的研究发展也体现在直线电机的材料上。由于直线电机具有高精度的特点，因此其常被应用到全自动引线键合机中，其中动子的结构通常采用玻璃纤维，但是为了提高动态响应性能，设备生产商考虑利用刚性更高、质量更轻的碳纤维复合材料取代玻璃纤维。直线电机虽然发展出了不同类型，但是其种类仍然有限，结构变化形式少，为了将直线电机更好的应用在各种不同的场合，需要根据不同场景下的独特需求研究和开发出相应功能和使用条件的直线电机，例如超声直线电机、高温超导直线电机等。直线电机虽然具有控制精度较高、结构简单等优点，但是它也存在明显的缺点，例如对于铁芯式永磁同步直线电机来说，虽然其推力大，但是其齿槽效应也较大，同时由于法向吸引力较大及动子质量将达，因此其动态相应效果不好，且推力波动明显，影响电机的高精度控制；对于无铁芯永磁同步直线电机来说，虽然动子质量轻、动态响应好，但是推力较校因此解决这些现有直线电机存在的问题也是一种直线电机的研究和发展趋势。解决这些问题现在主要有三种研究方向：第一种是对现有直线电机本体进行结构优化，通过仿真计算及试制样机进行实验验证；第二种是不断提高直线电机的控制技术，电子技术的不断发展使数字信号处理的速度不断加快，使以往复杂的控制算法的实现成为可能；第三种是创新直线电机结构，研究新型的直线电机。1.3直线电机控制技术的发展直
【参考文献】：
期刊论文
[1]永磁同步电机的改进模型预测直接转矩控制[J]. 刘珅,高琳. 电机与控制学报. 2020(01)
[2]基于无电流传感器的永磁同步电机系统模型预测控制[J]. 滕青芳,崔宏伟,朱建国,郭有光,田杰. 电机与控制学报. 2019(05)
[3]基于动态矩阵的永磁同步直线电机速度控制[J]. 薛增涛,史雁鹏,王蕾永,李争,王群京. 河北科技大学学报. 2019(02)
[4]永磁同步电机模型预测磁链控制[J]. 牛峰,韩振铎,黄晓艳,张健,李奎,方攸同. 电机与控制学报. 2019(03)
[5]内置式永磁同步电机无位置传感器自适应集总电动势模型预测控制[J]. 陈卓易,邱建琪,金孟加. 电工技术学报. 2018(24)
[6]感应电机三矢量模型预测磁链控制[J]. 张永昌,夏波,杨海涛. 电气工程学报. 2017(03)
[7]基于空间矢量调制的感应电机无速度传感器模型预测磁链控制[J]. 张虎,张永昌,夏波,杨海涛. 电工技术学报. 2017(03)
[8]永磁同步直线电机端部效应的分析及结构优化[J]. 李耀辉. 许昌学院学报. 2016(05)
[9]永磁同步电机模型预测直接转矩控制[J]. 牛峰,李奎,王尧. 电机与控制学报. 2015(12)
[10]一种同步直线电机推力波动特性的检测方法[J]. 王伟华,张子娇,周海波,周振宇. 中国电机工程学报. 2016(02)
博士论文
[1]永磁同步电机模型预测控制策略研究[D]. 刘莹.华中科技大学 2018
[2]永磁同步直线电机控制方法研究[D]. 唐传胜.电子科技大学 2014
[3]基于现代控制理论的永磁同步电机控制研究[D]. 钱苗旺.中国矿业大学 2013
[4]永磁同步直线电机推力波动的优化设计研究[D]. 程远雄.华中科技大学 2011
[5]空心式永磁直线伺服电机及其驱动控制系统研究[D]. 刘晓.浙江大学 2008
硕士论文
[1]车用永磁同步电机模型预测直接转矩控制系统研究[D]. 沈忱.江苏大学 2019
[2]基于模型预测控制的电动汽车用永磁同步电机直接转矩控制系统研究[D]. 师浩浩.长安大学 2019
[3]永磁同步电机模型预测直接转矩优化控制策略研究[D]. 樊昱琨.西安理工大学 2018
[4]矩阵变换器驱动的永磁同步电机模型预测转矩控制系统研究[D]. 陆畅.兰州交通大学 2018
[5]无铁芯永磁同步直线电机的设计和优化分析[D]. 张家祯.河北科技大学 2018
[6]基于预测控制的永磁同步电机位置控制策略[D]. 马云飞.燕山大学 2018
[7]电动汽车永磁同步电机驱动系统的预测控制方法[D]. 郭婷婷.哈尔滨工业大学 2017
[8]永磁电机无传感器控制系统低速动态性能提升策略[D]. 袁碧荷.哈尔滨工业大学 2017
[9]永磁直线同步电机直接转矩控制系统的研究与实现[D]. 李月凡.上海电机学院 2016
[10]高性能无铁芯永磁同步直线电机电磁耦合分析与研究[D]. 苗万涛.合肥工业大学 2016
本文编号：2907868
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