分段式多自由度永磁球形轮毂电机研究
发布时间：2021-11-16 09:23
球形电机以其集成度高、机械传动简单和动态性能好等优点,在现代工业驱动控制领域具有非常好的应用前景,有望取代传统的多自由度运动系统。将球形电机应用在轮毂电机领域,能够极大程度省却电动车辆传动系统和转向系统复杂的机械结构,起到优化整车布局、提高车辆性能的作用。然而,现有的球形电机通常都存在转矩输出能力不足和控制复杂等问题,严重阻碍了球形电机的实用化发展。为此本文提出了一种新结构原理的分段式多自由度永磁球形轮毂电机（Tiered Type Multi-DOF Permanent Magnet Spherical In-Wheel Motor,T-PMSIWM）,对该电机的设计方法、磁场特性、转矩特性以及转子位置检测方法进行了深入研究,主要研究工作包括以下几个方面:首先,提出一种新型T-PMSIWM的结构方案,阐述其旋转运动和偏转运动的工作原理,并在此基础上建立偏转力等效计算模型。重点研究极槽配合、转子轴向长度、定子轴向位置等关键结构参数对电机多自由度运动性能的影响规律,根据理论分析结果和实际应用需求给出该类电机的设计原则。针对球形电机结构复杂的问题,以提升电机设计效率和提高电机可靠性为目标,...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：155 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
英国谢菲尔德大学汪佳斌教授
第1章绪论-5-a)结构示意图b)样机照片a)Basicstructureb)Photographoftheprototype图1-4美国佐治亚理工学院李国民教授研究团队提出的磁阻型球形步进电机Fig.1-4Thevariable-reluctancetypeshpericalsteppermotorproposedbyKok-MengLeeetal.美国约翰斯·霍普金斯大学学者ChirikjianGS及其研究团队在1999年发表的论文中提出了一种三自由度永磁球形步进电机[22]。电机结构如图1-5所示，定子有16个含铁心的线圈，转子有80个径向充磁方向相同的永磁磁极。针对定子线圈和转子磁极在球面的分布问题，考虑到柏拉图立体只有正四面体、正六面体、正八面体、正十二面体和正二十面体一共五种类型，因此为了增加球形步进电机的运动精度，可以考虑近似规则和均匀的几何分布方式。样机中转子球放置于定子半球壳上，通过多个万向滚珠轴承进行支撑。由于定子覆盖区域不到半球，转子具有非常大的运动范围。图1-5美国约翰斯·霍普金斯大学学者G.S.Chirikjian研究团队提出的永磁球形步进电机Fig.1-5ThepermanentmagnetshpericalsteppermotorproposedbyChirikjianetal.随后，合肥工业大学王群京教授、河北科技大学李争教授及其研究团队对此结构进行了深入研究[23-25]。主要研究内容包括磁场和转矩计算、温度场与散热问题、基于加权无向图的换相策略、转子位置检测方法，以及自适应模糊控制和基于神经网络的控制策略等。
第1章绪论-9-图1-10永磁球形电机转子永磁体简化设计Fig.1-10SimplificationofrotorPMinpermanentmagnetsphericalmotors该研究团队还指出，增加定子线圈数量和转子磁极数量能够有效提高球形电机的运动精度和偏转范围[36]。于是，该研究团队在后续的研究中提出了一种三层定子、单层转子三自由度永磁球形电机[37]。电机转子具有8个永磁磁极，定子具有3层（每层10个）共计30个无铁心线圈。其中，中间层定子线圈专门用于旋转控制，上下两层定子线圈专门用于偏转控制[38]。样机转子外球径为114mm，最大偏转角可达15°，额定转矩为0.8N·m。可见相比之前的双层定子结构，转子的偏转范围确实有所提高。另一方面，为进一步提高球形电机的转矩输出能力，严亮教授及其团队还对一种双转子三自由度永磁球形电机进行了研究[39]。电机结构如图1-11所示，内转子和外转子均具有8个永磁磁极，定子具有2层（每层12个）共计24个线圈。理论上，内转子和外转子都会受到定子磁场的作用而产生转矩，最终形成较大的合成转矩[40,41]。在此基础上，如果在定子线圈中使用导磁铁心，还能继续降低漏磁、提高转矩，不过也会因此引入定位力[42]。a)结构示意图b)样机照片a)Basicstructureb)Photographoftheprototype图1-11北京航空航天大学严亮教授研究团队提出的永磁球形步进电机Fig.1-11ThepermanentmagnetsphericalmotorproposedbyLiangYanetal.
【参考文献】：
期刊论文
[1]线控转向系统的前轮转角跟踪策略研究[J]. 罗建南,朱光钰,杨浩瀚,喻凡,陈俐. 机械工程学报. 2019(22)
[2]轮毂驱动电动汽车差动助力转向变论域模糊PID控制[J]. 张志勇,唐磊,郝威,袁泉. 汽车安全与节能学报. 2019(02)
[3]液质悬浮式三自由度电机电磁特性的计算分析[J]. 李争,聂雅盟,薛增涛,王群京. 电机与控制学报. 2017(04)
[4]永磁转子偏转式三自由度电机电磁系统的建模与分析[J]. 李争,薛增涛,孙克军,王群京,张玥. 电机与控制学报. 2015(07)
[5]Analysis and Control of Novel Deflection-Type PM Multi-DOF Actuator[J]. Zheng Li. Journal of Harbin Institute of Technology. 2013(02)
[6]基于机器视觉的永磁球形步进电动机转子位置检测方法[J]. 王群京,钱喆,李争,倪有源,鞠鲁峰. 中国电机工程学报. 2008(36)
[7]永磁球形步进电机转子位置检测的全局优化[J]. 王群京,雍爱霞,张胜虎. 中国电机工程学报. 2007(33)
[8]机器人关节用三自由度球形直流伺服电机[J]. 苏仲飞,刘昌旭,韦平顺,高维彦,申存,郑春萍. 高技术通讯. 1994(08)
[9]三自由度球形电机的发展[J]. 黄声华,陶醒世,林金铭. 电工电能新技术. 1989(01)
博士论文
[1]永磁电机无位置传感器控制及在线参数辨识研究[D]. 王彤.浙江大学 2019
[2]基于支持向量机建模的永磁球形电机的优化设计研究[D]. 鞠鲁峰.合肥工业大学 2015
[3]Halbach阵列永磁球形电动机三维磁场分析[D]. 李洪凤.天津大学 2008
[4]仿人机器人关节用永磁球形步进电机的转子位置检测及控制策略[D]. 雍爱霞.合肥工业大学 2007
[5]新型仿人机器人关节用永磁球形步进电机控制算法及驱动器研究[D]. 夏鲲.合肥工业大学 2007
[6]仿人机器人关节用永磁球形步进电动机的基础研究[D]. 李争.合肥工业大学 2007
本文编号：3498595
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：155 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
英国谢菲尔德大学汪佳斌教授
第1章绪论-5-a)结构示意图b)样机照片a)Basicstructureb)Photographoftheprototype图1-4美国佐治亚理工学院李国民教授研究团队提出的磁阻型球形步进电机Fig.1-4Thevariable-reluctancetypeshpericalsteppermotorproposedbyKok-MengLeeetal.美国约翰斯·霍普金斯大学学者ChirikjianGS及其研究团队在1999年发表的论文中提出了一种三自由度永磁球形步进电机[22]。电机结构如图1-5所示，定子有16个含铁心的线圈，转子有80个径向充磁方向相同的永磁磁极。针对定子线圈和转子磁极在球面的分布问题，考虑到柏拉图立体只有正四面体、正六面体、正八面体、正十二面体和正二十面体一共五种类型，因此为了增加球形步进电机的运动精度，可以考虑近似规则和均匀的几何分布方式。样机中转子球放置于定子半球壳上，通过多个万向滚珠轴承进行支撑。由于定子覆盖区域不到半球，转子具有非常大的运动范围。图1-5美国约翰斯·霍普金斯大学学者G.S.Chirikjian研究团队提出的永磁球形步进电机Fig.1-5ThepermanentmagnetshpericalsteppermotorproposedbyChirikjianetal.随后，合肥工业大学王群京教授、河北科技大学李争教授及其研究团队对此结构进行了深入研究[23-25]。主要研究内容包括磁场和转矩计算、温度场与散热问题、基于加权无向图的换相策略、转子位置检测方法，以及自适应模糊控制和基于神经网络的控制策略等。
第1章绪论-9-图1-10永磁球形电机转子永磁体简化设计Fig.1-10SimplificationofrotorPMinpermanentmagnetsphericalmotors该研究团队还指出，增加定子线圈数量和转子磁极数量能够有效提高球形电机的运动精度和偏转范围[36]。于是，该研究团队在后续的研究中提出了一种三层定子、单层转子三自由度永磁球形电机[37]。电机转子具有8个永磁磁极，定子具有3层（每层10个）共计30个无铁心线圈。其中，中间层定子线圈专门用于旋转控制，上下两层定子线圈专门用于偏转控制[38]。样机转子外球径为114mm，最大偏转角可达15°，额定转矩为0.8N·m。可见相比之前的双层定子结构，转子的偏转范围确实有所提高。另一方面，为进一步提高球形电机的转矩输出能力，严亮教授及其团队还对一种双转子三自由度永磁球形电机进行了研究[39]。电机结构如图1-11所示，内转子和外转子均具有8个永磁磁极，定子具有2层（每层12个）共计24个线圈。理论上，内转子和外转子都会受到定子磁场的作用而产生转矩，最终形成较大的合成转矩[40,41]。在此基础上，如果在定子线圈中使用导磁铁心，还能继续降低漏磁、提高转矩，不过也会因此引入定位力[42]。a)结构示意图b)样机照片a)Basicstructureb)Photographoftheprototype图1-11北京航空航天大学严亮教授研究团队提出的永磁球形步进电机Fig.1-11ThepermanentmagnetsphericalmotorproposedbyLiangYanetal.
【参考文献】：
期刊论文
[1]线控转向系统的前轮转角跟踪策略研究[J]. 罗建南,朱光钰,杨浩瀚,喻凡,陈俐. 机械工程学报. 2019(22)
[2]轮毂驱动电动汽车差动助力转向变论域模糊PID控制[J]. 张志勇,唐磊,郝威,袁泉. 汽车安全与节能学报. 2019(02)
[3]液质悬浮式三自由度电机电磁特性的计算分析[J]. 李争,聂雅盟,薛增涛,王群京. 电机与控制学报. 2017(04)
[4]永磁转子偏转式三自由度电机电磁系统的建模与分析[J]. 李争,薛增涛,孙克军,王群京,张玥. 电机与控制学报. 2015(07)
[5]Analysis and Control of Novel Deflection-Type PM Multi-DOF Actuator[J]. Zheng Li. Journal of Harbin Institute of Technology. 2013(02)
[6]基于机器视觉的永磁球形步进电动机转子位置检测方法[J]. 王群京,钱喆,李争,倪有源,鞠鲁峰. 中国电机工程学报. 2008(36)
[7]永磁球形步进电机转子位置检测的全局优化[J]. 王群京,雍爱霞,张胜虎. 中国电机工程学报. 2007(33)
[8]机器人关节用三自由度球形直流伺服电机[J]. 苏仲飞,刘昌旭,韦平顺,高维彦,申存,郑春萍. 高技术通讯. 1994(08)
[9]三自由度球形电机的发展[J]. 黄声华,陶醒世,林金铭. 电工电能新技术. 1989(01)
博士论文
[1]永磁电机无位置传感器控制及在线参数辨识研究[D]. 王彤.浙江大学 2019
[2]基于支持向量机建模的永磁球形电机的优化设计研究[D]. 鞠鲁峰.合肥工业大学 2015
[3]Halbach阵列永磁球形电动机三维磁场分析[D]. 李洪凤.天津大学 2008
[4]仿人机器人关节用永磁球形步进电机的转子位置检测及控制策略[D]. 雍爱霞.合肥工业大学 2007
[5]新型仿人机器人关节用永磁球形步进电机控制算法及驱动器研究[D]. 夏鲲.合肥工业大学 2007
[6]仿人机器人关节用永磁球形步进电动机的基础研究[D]. 李争.合肥工业大学 2007
本文编号：3498595
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