两自由度直驱感应电机特性研究与优化设计

发布时间：2017-10-06 11:18

  本文关键词：两自由度直驱感应电机特性研究与优化设计

  更多相关文章： 两自由度感应电机 等效电路 耦合效应 等效电磁极距 有限元法 优化设计 特性研究

【摘要】：目前的两自由度驱动装置大多通过两个或多个传统电机和复杂的中间传动装置来实现,使得驱动装置结构复杂,成本较高。具有新型结构的两自由度电机不需中间传动机构,能大大减小设备体积和维护成本,显著提高工作效率。在需要复杂运动的动力系统中具有广阔的应用前景。本文提出一种两自由度直驱感应电机(2-DOF DDIM)结构,该电机主要由旋转运动部分弧形定子、直线运动部分弧形定子及共用的镀铜铁磁空心动子构成。动子可直接驱动负载做直线、旋转或螺旋运动。主要研究内容包括如下:针对该电机镀铜铁磁空心动子特殊结构及多运动形式等因素加剧转子电磁场分析的复杂性,采用简化处理的等效平板模型,利用Maxwell方程组对分层模型进行三维电磁场计算,结合等效复数磁导率考虑铁磁材料非线性磁化影响和介质表面阻抗计算电机转子参数,并建立了电机单相等效电路模型。由于在忽略耦合影响的条件下建立的等效电路具有一定的误差,依据Maxwell方程组建立了电机二维磁场端部效应分析模型和三维运动耦合分析模型。为较精确考虑运动耦合、磁场耦合和端部效应等影响,建立了2-DOF DDIM的三维有限元参数化模型。针对该电机进行空载仿真时出现的空载速度超过所谓的同步速度,本文以电机二维磁场端部效应分析模型计算考虑动态纵向端部效应影响下电机气隙磁场和端部磁场分布;提出了考虑纵向端部效应的新物理量“等效电磁极距”,并给出不同极数时机械极距(同步速度)的修正系数。通过对比二维、三维有限元模型仿真计算和部分样机试验结果,表明该电机采用等效平板模型简化分析的可行性以及等效电路的合理性;该电机的旋转运动和直线运动部分存在一定程度的磁场耦合和运动耦合效应;空载速度并未超过由等效电磁极距计算而得的同步速度,只是超过由机械极距计算而得的同步速度。在保持一定参数不变的情况下,结合电机的运行速度、电磁转矩及损耗情况,采用有限元法对旋转运动部分定子绕组形式、气隙厚度、铜层厚度、钢层厚度进行优化。对于今后该类电机的理论研究和应用具有一定的参考价值。
【关键词】：两自由度感应电机 等效电路 耦合效应 等效电磁极距 有限元法 优化设计 特性研究
【学位授予单位】：河南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM346
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 1 绪论10-22
• 1.1 选题背景及意义10-11
• 1.1.1 选题背景10
• 1.1.2 选题意义10-11
• 1.2 2-DOF电机国内外研究现状11-20
• 1.2.1 单电枢结构形式11-13
• 1.2.2 双绕组结构形式13-15
• 1.2.3 双电枢结构形式15-17
• 1.2.4 多电枢结构形式17-18
• 1.2.5 其他结构形式18-20
• 1.3 本文主要研究内容20-22
• 2 2-DOF DDIM结构与工作机理分析22-28
• 2.1 2-DOF DDIM的基本结构22-23
• 2.2 2-DOF DDIM的工作机理23-24
• 2.3 2-DOF DDIM的设计要求和技术参数24-25
• 2.4 2-DOF DDIM的有限元模型25-26
• 2.5 结论26-28
• 3 2-DOF DDIM等效电路参数计算28-42
• 3.1 三维电磁场计算28-32
• 3.1.1 基本假设和分层模型28-29
• 3.1.2 电磁场方程与求解29-32
• 3.2 等效电路的建立32-37
• 3.2.1 等效复数磁导率的概念33
• 3.2.2 钢层和铜层等效阻抗33-35
• 3.2.3 等效电路模型35-37
• 3.3 等效电路与有限元法的分析结果对比37-39
• 3.4 结论39-42
• 4 2-DOF DDIM耦合效应分析42-56
• 4.1 耦合效应解析分析42-48
• 4.1.1 二维端部磁场分析42-44
• 4.1.2 三维运动耦合效应分析44-48
• 4.2 三维有限元分析48-53
• 4.2.1 磁场耦合有限元分析48-51
• 4.2.2 运动耦合有限元分析51-53
• 4.3 样机试验验证53-54
• 4.4 结论54-56
• 5 2-DOF DDIM空载速度特性分析56-66
• 5.1 特殊空载速度特性的提出56-58
• 5.2 “等效电磁极距”的概念58-61
• 5.3 有限元仿真验证61-64
• 5.4 结论64-66
• 6 2-DOF DDIM的优化设计66-80
• 6.1 定子绕组的优化66-71
• 6.2 气隙厚度对电机性能的影响71-76
• 6.3 转子各层厚度对电机性能的影响76-79
• 6.4 结论79-80
• 7 结论80-82
• 7.1 总结80
• 7.2 后续工作80-82
• 参考文献82-86
• 作者简历86-88
• 学位论文数据集88

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本文编号：982483