交替极定子两自由度直线旋转电机设计与电磁特性分析
发布时间：2020-12-21 15:08
两自由度直线旋转电机（Two-degree-of-freedom linear and rotary motor,2-DOF LRM）是一种不需要机械传动装置就可以实现直线、旋转以及二者结合的螺旋运动的新型电机,是典型的机电一体化装置。采用一台2-DOF LRM来代替传统的多个旋转电机及传动装置,具有体积小、成本低、效率高的优点。因此开展对于2-DOF LRM的研究具有重要的理论意义和实用价值。本文提出一种新型有限转角交替极2-DOF LRM,采用由局部到整体的研究方法,对其运行机理、参数设计、电磁特性等方面进行研究,主要包括:（1）基于不同原理对国内外已有的2-DOF LRM结构特点进行分析对比,提出一种新型2-DOF LRM,该电机巧妙地将交替极旋转永磁电机和高动态响应的音圈电机相融合,两部分共用同一交替极永磁定子,可以实现有限转角的旋转运动和直线运动。（2）对所提出的2-DOF LRM运行原理进行分析,分别建立了旋转驱动单元和直线驱动单元的数学模型。分析了该电机两部分驱动单元与传统永磁同步电机、音圈电机的设计方法的差异,在此基础上,归纳出交替极永磁定子2-DOF LRM的基本结构...
【文章来源】：沈阳工业大学辽宁省
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
轴向双定子单转子感应式LRMFig.1.1Inductionmotorwithdouble-winding
第1章绪论3式以及其他新型混合结构电机原理区别为纵线，同时对基于每种不同电机原理的2-DOFLRM的不同结构做横向比较，以期更加丰富、详实、准确的描述2-DOFLRM相关课题的研究状况和最新进展。1.2.1感应式在感应式2-DOFLRM领域的研究发展中，主要的结构类型可以归纳为：轴向双定子单转子结构、单定子单转子复合结构以及组合单定子结构。轴向双定子单转子结构感应式2-DOFLRM相当于轴向串联的感应电机和直线感应电机共用同一转子，上文提到的波兰学者E.A.Mendrela在1976年所提出的2-DOFLRM即为此种结构。相对于其他结构，这种电机因其结构简单而且定子以及气隙的旋转磁场与直线行波磁场耦合程度更低，所以这种结构电机在设计和驱动控制上都较容易实施，其一般结构如图1.1所示。图1.1轴向双定子单转子感应式LRMFig.1.1Inductionmotorwithdouble-winding美国的路易斯安那州立大学学者EbrahimAmiri提出一种轴向双定子串联结构2-DOFLRM，具体结构如图1.2所示[15-16]，该电机的电枢部分由一个旋转感应电机子和直线感应电机定子串联而成，两部分电枢共用一个镀铜空心动子。动子可以分别实现直线运动、旋转运动或两部分结合的螺旋运动，主要应用领域包括石油钻探、煤炭开采等。图1.2双定子串联式2-DOFLRMFig.1.2Inductionmotorwithdouble-winding单定子单转子耦合式2-DOFLRM即在电机两套不同的定子槽中分别放置轴向绕组和径向绕组，通入电流以产生对应的行波磁场和旋转磁场驱动电机在两个自由度上运动，其基本结构如图1.3[17]。采用这种结构的转子磁场由于存在更严重的电磁耦合，
沈阳工业大学硕士学位论文4电机的转矩和推理特性比较复杂，对直线运动和旋转运动的精确控制难度较大。图1.3双电枢耦合式2-DOFLRMFig.1.32-DOFLRMwithtwin-armature文献[18]提出了一种定子采用螺旋形三相绕组的2-DOFLRM，其电枢绕组结构如图1.4所示。该电机电枢绕组通电后产生螺旋磁场，使动子同时受到轴向、周向两个自由度的驱动力，但是两个方向的力解耦困难。图1.4螺旋运动感应电机电枢绕组Fig.1.4Armaturewindingofaspiralmotioninductionmotor河南理工大学的司纪凯教授团队设计了一种新型感应式2-DOFLRM，并对该结构电机的设计、优化以及静态耦合特性等问题进行了深入研究。该电机采用组合单定子结构，其定子结构如图1.5所示[19-21]。图1.5组合式单定子结构Fig.1.52-DOFlinear-rotaryinductionmotorwithcombinedsinglestator基于感应式的2-DOFLRM动子结构简单，可自起动且成本较低，但由于采用具有一定厚度的铜套筒结构动子，增大了动子的涡流损耗，针对控制精度以及力能指标要求较高的场合有待进一步研究探索。
【参考文献】：
期刊论文
[1]双定子直线旋转永磁电机特性分析与实验研究[J]. 徐磊,林明耀,付兴贺. 中国电机工程学报. 2017(16)
[2]轴向永磁电机及其研究发展综述[J]. 黄允凯,周涛,董剑宁,郭保成,张莉. 中国电机工程学报. 2015(01)
[3]永磁球形电机的支持向量机模型的参数寻优[J]. 鞠鲁峰,王群京,李国丽,胡存刚,钱喆. 电工技术学报. 2014(01)
[4]双定子锥形永磁同步电机的弱磁研究[J]. 柴凤,欧景,裴宇龙. 电工技术学报. 2013(07)
[5]基于解析模型的永磁球形电机永磁体优化设计[J]. 信建国,夏长亮,李洪凤,史婷娜. 电工技术学报. 2013(07)
[6]三自由度永磁球形电机的建模和电压控制[J]. 刘敬猛,孟艳艳,陈伟海,吴星明. 吉林大学学报(工学版). 2014(02)
[7]旋转-直线电机技术发展现状分析[J]. 欧景,柴凤,毕云龙. 微电机. 2013(04)
[8]两自由度直驱电机的研究现状及发展[J]. 司纪凯,司萌,封海潮,许孝卓. 电工技术学报. 2013(02)
[9]无轴承交替极永磁电机空载气隙磁场全局解析模型[J]. 李琛,章跃进,仇志坚. 电工技术学报. 2012(11)
[10]定子槽口系数对永磁无刷直流电动机转矩波动的影响[J]. 张晓宇. 防爆电机. 2012(06)
博士论文
[1]永磁同步电动机设计关键技术与方法研究[D]. 冯垚径.华中科技大学 2012
硕士论文
[1]双定子两自由度旋转直线永磁电机研究[D]. 苏迎宾.哈尔滨工业大学 2017
[2]新型直线旋转两自由度双定子永磁电机设计及静态特性分析[D]. 李红艳.东南大学 2015
[3]电动汽车用永磁电机及驱动控制研究[D]. 崔薇佳.南京航空航天大学 2015
[4]永磁同步电动机弱磁性能分析与控制策略研究[D]. 孙文娇.湖南大学 2011
[5]交替极无轴承永磁电机的关键技术研究[D]. 黄燕.南京航空航天大学 2008
本文编号：2930035
【文章来源】：沈阳工业大学辽宁省
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
轴向双定子单转子感应式LRMFig.1.1Inductionmotorwithdouble-winding
第1章绪论3式以及其他新型混合结构电机原理区别为纵线，同时对基于每种不同电机原理的2-DOFLRM的不同结构做横向比较，以期更加丰富、详实、准确的描述2-DOFLRM相关课题的研究状况和最新进展。1.2.1感应式在感应式2-DOFLRM领域的研究发展中，主要的结构类型可以归纳为：轴向双定子单转子结构、单定子单转子复合结构以及组合单定子结构。轴向双定子单转子结构感应式2-DOFLRM相当于轴向串联的感应电机和直线感应电机共用同一转子，上文提到的波兰学者E.A.Mendrela在1976年所提出的2-DOFLRM即为此种结构。相对于其他结构，这种电机因其结构简单而且定子以及气隙的旋转磁场与直线行波磁场耦合程度更低，所以这种结构电机在设计和驱动控制上都较容易实施，其一般结构如图1.1所示。图1.1轴向双定子单转子感应式LRMFig.1.1Inductionmotorwithdouble-winding美国的路易斯安那州立大学学者EbrahimAmiri提出一种轴向双定子串联结构2-DOFLRM，具体结构如图1.2所示[15-16]，该电机的电枢部分由一个旋转感应电机子和直线感应电机定子串联而成，两部分电枢共用一个镀铜空心动子。动子可以分别实现直线运动、旋转运动或两部分结合的螺旋运动，主要应用领域包括石油钻探、煤炭开采等。图1.2双定子串联式2-DOFLRMFig.1.2Inductionmotorwithdouble-winding单定子单转子耦合式2-DOFLRM即在电机两套不同的定子槽中分别放置轴向绕组和径向绕组，通入电流以产生对应的行波磁场和旋转磁场驱动电机在两个自由度上运动，其基本结构如图1.3[17]。采用这种结构的转子磁场由于存在更严重的电磁耦合，
沈阳工业大学硕士学位论文4电机的转矩和推理特性比较复杂，对直线运动和旋转运动的精确控制难度较大。图1.3双电枢耦合式2-DOFLRMFig.1.32-DOFLRMwithtwin-armature文献[18]提出了一种定子采用螺旋形三相绕组的2-DOFLRM，其电枢绕组结构如图1.4所示。该电机电枢绕组通电后产生螺旋磁场，使动子同时受到轴向、周向两个自由度的驱动力，但是两个方向的力解耦困难。图1.4螺旋运动感应电机电枢绕组Fig.1.4Armaturewindingofaspiralmotioninductionmotor河南理工大学的司纪凯教授团队设计了一种新型感应式2-DOFLRM，并对该结构电机的设计、优化以及静态耦合特性等问题进行了深入研究。该电机采用组合单定子结构，其定子结构如图1.5所示[19-21]。图1.5组合式单定子结构Fig.1.52-DOFlinear-rotaryinductionmotorwithcombinedsinglestator基于感应式的2-DOFLRM动子结构简单，可自起动且成本较低，但由于采用具有一定厚度的铜套筒结构动子，增大了动子的涡流损耗，针对控制精度以及力能指标要求较高的场合有待进一步研究探索。
【参考文献】：
期刊论文
[1]双定子直线旋转永磁电机特性分析与实验研究[J]. 徐磊,林明耀,付兴贺. 中国电机工程学报. 2017(16)
[2]轴向永磁电机及其研究发展综述[J]. 黄允凯,周涛,董剑宁,郭保成,张莉. 中国电机工程学报. 2015(01)
[3]永磁球形电机的支持向量机模型的参数寻优[J]. 鞠鲁峰,王群京,李国丽,胡存刚,钱喆. 电工技术学报. 2014(01)
[4]双定子锥形永磁同步电机的弱磁研究[J]. 柴凤,欧景,裴宇龙. 电工技术学报. 2013(07)
[5]基于解析模型的永磁球形电机永磁体优化设计[J]. 信建国,夏长亮,李洪凤,史婷娜. 电工技术学报. 2013(07)
[6]三自由度永磁球形电机的建模和电压控制[J]. 刘敬猛,孟艳艳,陈伟海,吴星明. 吉林大学学报(工学版). 2014(02)
[7]旋转-直线电机技术发展现状分析[J]. 欧景,柴凤,毕云龙. 微电机. 2013(04)
[8]两自由度直驱电机的研究现状及发展[J]. 司纪凯,司萌,封海潮,许孝卓. 电工技术学报. 2013(02)
[9]无轴承交替极永磁电机空载气隙磁场全局解析模型[J]. 李琛,章跃进,仇志坚. 电工技术学报. 2012(11)
[10]定子槽口系数对永磁无刷直流电动机转矩波动的影响[J]. 张晓宇. 防爆电机. 2012(06)
博士论文
[1]永磁同步电动机设计关键技术与方法研究[D]. 冯垚径.华中科技大学 2012
硕士论文
[1]双定子两自由度旋转直线永磁电机研究[D]. 苏迎宾.哈尔滨工业大学 2017
[2]新型直线旋转两自由度双定子永磁电机设计及静态特性分析[D]. 李红艳.东南大学 2015
[3]电动汽车用永磁电机及驱动控制研究[D]. 崔薇佳.南京航空航天大学 2015
[4]永磁同步电动机弱磁性能分析与控制策略研究[D]. 孙文娇.湖南大学 2011
[5]交替极无轴承永磁电机的关键技术研究[D]. 黄燕.南京航空航天大学 2008
本文编号：2930035
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