磁悬浮永磁直线电动机研究

【摘要】摩擦阻力是制约数控机床直线驱动系统性能的重要因素，将磁悬浮永磁直线电动机应用于数控机床系统中，既省去了中间机械传动机构，又能够有效解决削弱高精高速数控机床摩擦阻力的问题，同时具有低功耗、装置简单、体积小重量轻等优势。本文在国家自然科学基金项目(50975181)的资助下，以磁悬浮永磁直线电动机为研究对象，针对其关键技术问题开展以下工作：针对削弱直线电机数控机床摩擦阻力的要求，提出了一种具有两套绕组的磁悬浮永磁直线电动机结构。在分析该电机运行机理的基础上，讨论了电枢绕组及定子的结构形式和特点。根据磁力线不能交叉及最小磁阻路径原理，依据电机尺寸确定各漏磁通的存在条件和积分区域，建立了该电机极间漏磁解析计算模型，通过解析计算与有限元计算的比较验证了理论推导的有效性。磁悬浮永磁直线电动机具有直线进给和垂直悬浮的复合运动形式，由于两套绕组产生的磁场共用一个磁路，推力与悬浮力之间存在耦合，基于以上特点并为了更加直观地对电磁力进行描述，在对几种数学建模方法比较的基础上，从气隙磁场能量的观点建立了电机的数学模型。针对推力与悬浮力的解耦问题，提出推力绕组采用id0，悬浮绕组采用iq0的控制方式，详细分析了该电机的解耦特征。基于磁悬浮永磁直线电动机内不同磁场互相耦合、动子需要同时实现进给和悬浮运行的特点，提出了该种电机的电磁设计思路和原则。采用有限元法对电机进行性能分析，考察了悬浮绕组及推力绕组电流对气隙磁场的影响，重点分析了参数对该电机性能的影响，确定了优选参数。并深入分析了电机的电感参数。一方面验证了电机设计方法的正确性，另一方面为样机的设计与研制提供必要的参考数据和技术依据。为了使推力、悬浮力获得更好的平稳性，计算了推力与悬浮力的波动力并进行了分量分离，获取了产生波动力的主要因素。采用优化动子铁心长度的方法削弱边缘效应引起的波动。基于毕奥-萨伐尔定理和虚位移法推导出电机悬浮力波动的表达式，证明改变永磁体结构形式可以减小悬浮力的波动，进而采用斜极的方法削弱由齿槽效应引起的波动。针对该电机悬浮子系统的控制问题进行研究，首先建立了悬浮子系统的数学模型，为了提高系统对输入信号跟踪特性以及对于负载扰动的鲁棒性，提出一种非线性H∞鲁棒控制策略。通过构造存储函数的方法直接推导描述悬浮系统非线性H∞鲁棒控制的控制律。仿真结果表明，控制系统跟踪给定信号的能力以及抑制扰动的能力均良好，系统具有较强的鲁棒性。最后，在上述理论研究的基础上制作了一台样机，搭建了系统的实验平台并对样机进行了实验。实验结果证明了电机具有较为良好的性能，验证了本文所提出的理论分析和设计方法的正确性，为进一步深入研究该种电机及其控制方法奠定了理论和技术基础。
【作者】张武；
【导师】张凤阁；蓝益鹏；
【作者基本信息】沈阳工业大学，电机与电器，2013，博士
【关键词】磁悬浮；永磁直线电动机；电磁力；电机设计；非线性H∞；

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