直線同步電機(jī)畢業(yè)論文

1、<p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1課題研究的目的和意義</p><p>　　直線電機(jī)是20世紀(jì)下半葉電工領(lǐng)域中出現(xiàn)的具有新原理、新理論、新技術(shù)的裝置。它是一種可以將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械能，而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)裝置，具有起動(dòng)推力大、傳動(dòng)剛度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、定位精度高、行程長(zhǎng)度不受限制等優(yōu)點(diǎn)。它突出的優(yōu)勢(shì)不僅越來

2、越引起人們的重視，而且被廣泛地應(yīng)用于郵電、航天、運(yùn)輸、電力等諸多領(lǐng)域[1]。</p><p>　　但永磁直線電機(jī)的鐵心是長(zhǎng)直、兩端斷開的, 而且繞組兩端也不連續(xù), 這就使得直線電機(jī)的磁場(chǎng)和電流在縱向和橫向上產(chǎn)生畸變。因而在電機(jī)運(yùn)行過程中產(chǎn)生推力波動(dòng)，而推力波動(dòng)又是影響電機(jī)動(dòng)態(tài)性能的重要因素。因此，對(duì)電機(jī)磁場(chǎng)的分析和運(yùn)行過程中電機(jī)空載、負(fù)載推力波動(dòng)的分析變得尤為重要。</p><p>　　本

3、文分析了永磁直線電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能。針對(duì)永磁直線電機(jī)的推力波動(dòng)進(jìn)行分析，基于電磁場(chǎng)理論研究了永磁直線電機(jī)的磁場(chǎng)分布，并將Halbach磁體結(jié)構(gòu)用于永磁直線電機(jī)，改變了電機(jī)磁體結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改善了電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能。</p><p>　　1.2課題研究的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　直線電機(jī)是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能的動(dòng)力裝置，一改以往以鏈條、鋼絲繩、傳送帶、齒條絲杠和蝸輪蝸桿等傳統(tǒng)的

4、中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，克服了傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)鏈長(zhǎng)、體積大、效率低、響應(yīng)慢、精度低等缺陷。正是由于直線電機(jī)的最大優(yōu)點(diǎn)是取消了從電機(jī)到工作臺(tái)之間的一切中間環(huán)節(jié)，把工作臺(tái)進(jìn)給傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度縮短為零，因此稱為“零傳動(dòng)”或“直接驅(qū)動(dòng)”技術(shù)。直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)是20世紀(jì)下半葉出現(xiàn)的具有新理論、新原理的新技術(shù)，它將和計(jì)算機(jī)技術(shù)一樣在工業(yè)、軍事、民用等領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用[2]。</p><p>　　1.2.1直線電機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用

5、現(xiàn)狀</p><p>　　在世界上出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)電機(jī)后不久，就出現(xiàn)了直線電機(jī)的雛形，但直線電機(jī)的發(fā)展過程是曲折的。1840年英國(guó)人惠斯頓(CharlesWheatatone)發(fā)明了世界上第一臺(tái)直線電機(jī)，但這種直線電機(jī)由于氣隙過大而導(dǎo)致效率很低，未獲成功。到20世紀(jì)中葉，隨著控制、電子、材料等技術(shù)的發(fā)展，為直線電機(jī)的開發(fā)提供了理論和技術(shù)上的支持，直線電機(jī)開始進(jìn)入新的發(fā)展階段。英國(guó)的E.R.Laithwaite教授是現(xiàn)代直

6、線電機(jī)發(fā)展的先驅(qū)者，他強(qiáng)調(diào)直線電機(jī)的基礎(chǔ)研究，以他為首的研究小組取得了不少重要的成果。20世紀(jì)70年代以后，直線電機(jī)應(yīng)用的領(lǐng)域更加廣泛，如自動(dòng)繪圖儀、液態(tài)金屬泵(MHD) 。電磁錘、輕工機(jī)械、家電、空氣壓縮機(jī)和半導(dǎo)體制造裝置等。90年代以后，隨著高速加工概念的提出，直線電機(jī)開始作為進(jìn)給系統(tǒng)出現(xiàn)在加工中心中。由于直接驅(qū)動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)具有傳統(tǒng)進(jìn)給系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)和潛力，再次受到各國(guó)的重視[2]。</p><p>　　早

7、期的直線電機(jī)以感應(yīng)電機(jī)為主[3]，但在上世紀(jì)90年代以來，隨著永磁材料性能的不斷提高和完善，特別是釹鐵硼永磁材料的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性的改善、價(jià)格的逐步下降以及電力電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)旋轉(zhuǎn)永磁電機(jī)研究開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的逐步成熟，永磁直線電機(jī)得到了大量的研究開發(fā)與應(yīng)用，形成了直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)伺服單元以直線感應(yīng)電機(jī)和永磁直線電機(jī)為主的局面。</p><p>　　我國(guó)直線電機(jī)的研究與應(yīng)用是70年代開始的，開展直線電機(jī)應(yīng)用研究

8、的主要有中科院電工所、清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、沈陽工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)、太原工業(yè)大學(xué)、河南理工大學(xué)（原焦作工學(xué)院）等。直線電機(jī)作為制造裝備或加工中心進(jìn)給系統(tǒng)研究的主要有以下幾所大學(xué)：廣東工業(yè)大學(xué)成立了“超高速加工與機(jī)床研究室”主要研究和開發(fā)“超高速電主軸”和“直線電機(jī)高速進(jìn)給單元”， 研究的重點(diǎn)是直線感應(yīng)電機(jī)[4]；沈陽工業(yè)大學(xué)對(duì)永磁直線同步電機(jī)進(jìn)行研究，并制造了推力為100N的樣機(jī)，研究的另一重點(diǎn)是電機(jī)的控制方式及伺服系統(tǒng)，并就此發(fā)表了

9、多篇論文與專著[5,6]；清華大學(xué)精密儀器與機(jī)械學(xué)系制造工程研究所研制了高頻響直流直線電機(jī)，現(xiàn)正在進(jìn)行研究的是長(zhǎng)行程永磁直線伺服單元[7,8]；浙江大學(xué)研制的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的沖壓機(jī)，它取消了傳統(tǒng)沖壓機(jī)的各種大小皮帶輪、齒輪、飛輪、曲軸、聯(lián)桿等，從而使新的沖壓機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、噪聲極小、節(jié)能、智能化程度高。焦作工學(xué)院1998年年底建成高3m的永磁直線同步電動(dòng)機(jī)礦井提升系統(tǒng)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?shí)現(xiàn)了將電機(jī)豎立起來做垂直運(yùn)動(dòng)的設(shè)想[9]。<

10、;/p><p>　　直線電機(jī)不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)、軍事裝備業(yè)，而且也逐漸進(jìn)入到人們的日常生活中。例如:磁懸浮列車就是直線電機(jī)在交通運(yùn)輸業(yè)中的典型應(yīng)用；在軍事上，人們利用直線電機(jī)制成了各種電磁炮；并試圖將直線電機(jī)用于導(dǎo)彈、火箭的發(fā)射；在工業(yè)領(lǐng)域，如用于冶金工業(yè)中的電磁泵、液態(tài)金屬攪拌器；在紡織工業(yè)中，直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電梭子、割麻裝置以及各種自動(dòng)化儀表和電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)；在物料輸送與搬運(yùn)方面，在垂直輸送方面有直線電機(jī)

11、電梯、升降機(jī)，在平面輸送方面有直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的郵政包件分揀輸送線、行李分揀輸送線、鋼材生產(chǎn)輸送線、電氣、電子、機(jī)械加工生產(chǎn)線、食品加工線、制藥生產(chǎn)線等各種工業(yè)加工線、裝配線、檢測(cè)線，商場(chǎng)、醫(yī)院等場(chǎng)合的物料輸送及立體倉(cāng)庫的搬運(yùn)、立體汽車庫的調(diào)度等；在民用與建筑業(yè)用，直線電機(jī)還被用于門、窗、電梯等民用裝置上。當(dāng)前制造業(yè)向著高速度、高精度方向發(fā)展，如電子制造工藝(硅微細(xì)加工工藝)和微系統(tǒng)制造技術(shù)(如MEMS微制造、微流控芯片微制造等)需要亞微米

12、級(jí)的精度；在納米技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用方面，納米級(jí)、亞納米級(jí)的定位精度迫在眉睫。直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)正是適應(yīng)了上述需要在高速高精度的機(jī)械制造裝備與大行程超高精密的電子制</p><p>　　永磁電機(jī)的發(fā)展與永磁材料的發(fā)展密切相關(guān)，永磁材料主要包括鋁鎳鈷、鐵氧體、稀土永磁材料三大類。稀土永磁是稀土元素與鐵族元素的金屬間化合物。第一代、第二代稀土永磁材料性能優(yōu)異，但其中的鈷與釤價(jià)格昂貴，限制了它們的應(yīng)用。1983年，日本住友

13、特殊金屬公司與美國(guó)通用汽車公司各自研制成功釹鐵硼(NdFeB)第三代稀土永磁。釹鐵硼永磁材料具有線性去磁曲線、其去磁曲線與回復(fù)曲線基本重合、內(nèi)稟矯頑力高、內(nèi)稟特性硬、抗去磁能力強(qiáng)等優(yōu)異的磁性能；同時(shí)由于釹資源豐富，又以廉價(jià)的鐵代替鈷，價(jià)格相對(duì)低廉，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)，便于推廣應(yīng)用。釹鐵硼永磁的問世被列為1983年世界十大重要科技成果之一。進(jìn)入90年代以來，隨著永磁材料性能的不斷提高和完善，特別是釹鐵硼永磁的熱穩(wěn)定性與耐腐蝕性的逐步改善與價(jià)格的

14、逐步下降，以釹鐵硼為主的稀土永磁電機(jī)越來越獲得廣泛的研究開發(fā)與應(yīng)用[10]。</p><p>　　稀土永磁直線電機(jī)具有永磁電機(jī)及直線電機(jī)的優(yōu)異性能于一體。一方面，作為永磁電機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠；體積小，重量輕；損耗小、效率高；電機(jī)的形狀和尺寸可以靈活多樣等諸多優(yōu)點(diǎn)。另一方面，作為直線電機(jī)，具有“直接驅(qū)動(dòng)”的性能。正因如此，永磁直線電機(jī)滿足了制造裝備業(yè)向著高速化、高精密化、微型化的發(fā)展需求，在高效、高精密的電

15、子工業(yè)專用裝備與高速高精密機(jī)械制造裝備中得到了廣泛的研究及開發(fā)應(yīng)用。</p><p>　　1.2.2直線電機(jī)動(dòng)態(tài)性能研究現(xiàn)狀</p><p>　　當(dāng)前所采用的永磁電機(jī)的性能分析方法有等效磁路法、磁網(wǎng)絡(luò)法、場(chǎng)路結(jié)合分析法、電磁場(chǎng)解析分析法和電磁場(chǎng)數(shù)值分析法。</p><p><b>　　1)等效磁路法</b></p><p&g

16、t;　　是傳統(tǒng)的電機(jī)分析方法，將永磁體處理成磁勢(shì)源或磁通源，其余按照通常的電機(jī)的磁路計(jì)算來進(jìn)行。其優(yōu)點(diǎn)是形象、直觀、計(jì)算量小。但由于永磁電機(jī)磁場(chǎng)分布復(fù)雜，僅依靠少量集中參數(shù)結(jié)構(gòu)的等效磁路模型難以描述磁場(chǎng)的真實(shí)情況，使得一些關(guān)鍵系數(shù)如極弧系數(shù)、漏磁系數(shù)等，只能借助于經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)或曲線，而此類數(shù)據(jù)或曲線大都是針對(duì)特定結(jié)構(gòu)尺寸和特定永磁材料的，通用性較差。因此磁路計(jì)算只適用于方案的估算、初始方案設(shè)計(jì)和類似方案比較，要得到高精度的結(jié)果必須采用其它的

17、分析方法。</p><p><b>　　2)等效磁網(wǎng)絡(luò)法</b></p><p>　　等效磁網(wǎng)絡(luò)法[11、12]早在上世紀(jì)60年代就被有關(guān)學(xué)者提出，但由于受當(dāng)時(shí)計(jì)算條件的限制，未能加以推廣。等效磁網(wǎng)絡(luò)法根據(jù)電機(jī)的幾何結(jié)構(gòu)和預(yù)測(cè)的磁通走向，把磁場(chǎng)區(qū)域分為若干串連或并聯(lián)支路，每條支路由磁導(dǎo)或者磁勢(shì)源等單元組成，單元之間通過節(jié)點(diǎn)相聯(lián)，構(gòu)成磁網(wǎng)絡(luò)。該方法是一種介于等效磁路法和

18、有限元法之間的分析方法，原理簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便，計(jì)算精度高于等效磁路法，所需計(jì)算機(jī)內(nèi)存容量及CPU時(shí)間比有限元法要少。但是在建立磁網(wǎng)絡(luò)時(shí)，電機(jī)結(jié)構(gòu)要做一定的簡(jiǎn)化，而且磁網(wǎng)絡(luò)模型是建立在磁場(chǎng)預(yù)測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)之上，難免帶來一定的誤差，尤其是對(duì)永磁電機(jī)復(fù)雜的電磁結(jié)構(gòu)誤差更大。 </p><p>　　3)場(chǎng)路結(jié)合分析方法</p><

19、;p>　　這里提到的場(chǎng)路結(jié)合是指磁場(chǎng)和磁路的結(jié)合。利用電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算求出計(jì)算極弧系數(shù)、漏磁系數(shù)、電樞有效長(zhǎng)度以及機(jī)殼有效長(zhǎng)度的磁路法計(jì)算中不易準(zhǔn)確計(jì)算的一些參數(shù)，然后將這些參數(shù)結(jié)合到磁路法的計(jì)算中，這樣可以提高磁路法計(jì)算的準(zhǔn)確性。目前，經(jīng)過電機(jī)學(xué)術(shù)界的努力，已逐步形成了適用于計(jì)算機(jī)求解的以等效磁路解析求解為主，用電磁場(chǎng)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出的各種系數(shù)進(jìn)行修正的一整套分析計(jì)算方法和計(jì)算輔助軟件。</p><p>

20、　　4)電磁場(chǎng)解析分析法</p><p>　　電磁場(chǎng)解析分析法具有很長(zhǎng)的歷史，在早期就有很多文獻(xiàn)論述電磁場(chǎng)解析分析永磁電機(jī)的磁場(chǎng)參數(shù)以及性能。Gu Qishan 等發(fā)表了采用解析方法計(jì)算永磁電機(jī)電磁場(chǎng)的文章，對(duì)永磁電機(jī)氣隙磁場(chǎng)、永磁體邊緣效應(yīng)及開槽效應(yīng)進(jìn)行了研究，為永磁電機(jī)磁場(chǎng)解析分析奠定了基礎(chǔ)。Zhu Z. Q. 等在IEEE上發(fā)表了一系列文章[11]，采用解析方法對(duì)永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的空載磁場(chǎng)、電樞磁場(chǎng)、開槽

21、效應(yīng)以及負(fù)載磁場(chǎng)進(jìn)行了全面的研究，是運(yùn)用解析法研究永磁電機(jī)最具有代表性的研究成果，對(duì)解析計(jì)算向工程應(yīng)用邁進(jìn)作出了巨大的貢獻(xiàn)。但是由于解析法不能處理復(fù)雜的電機(jī)結(jié)構(gòu)，對(duì)磁場(chǎng)飽和不能夠有效處理，而電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算是進(jìn)行精確性能分析的有效途徑。</p><p>　　5)電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算法</p><p>　　電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算方法包括有限差分法，有限元法、積分方程法和邊界元法四種基本類型，以及近年來發(fā)展的

22、有限元法和邊界元法相結(jié)合的混合法。其中有限元法適應(yīng)了當(dāng)今工程電磁問題分析的需要，已獲得了廣泛的應(yīng)用[12]。</p><p>　　綜上所述，永磁直線電機(jī)幾種性能分析方法各有特點(diǎn)，也有著各自應(yīng)用場(chǎng)合。在精確分析性能方面電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算有著絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，而有限元法在應(yīng)用方面又優(yōu)于其它數(shù)值計(jì)算方法，所以本文采用有限元數(shù)值計(jì)算方法對(duì)永磁直線電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行深入地研究。</p><p>　　有限元是一

23、種離散化的數(shù)值方法。離散后的單元與單元間只通過節(jié)點(diǎn)相聯(lián)系, 所有力和位移都通過節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。對(duì)每個(gè)單元選取適當(dāng)?shù)牟逯岛瘮?shù),使得該函數(shù)在子域內(nèi)部、子域分界面(內(nèi)部邊界) 以及子域與外界分界面(外部邊界)上都滿足一定的條件。然后把所有單元的方程組合起來, 就得到了整個(gè)結(jié)構(gòu)的方程。求解該方程，就可以得到結(jié)構(gòu)的近似解[13]。</p><p>　　近30年來，在力學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)軟件以及結(jié)構(gòu)分析工作者的共同努力下，有限元

24、方法研究取得了巨大的進(jìn)展。大批優(yōu)秀的計(jì)算方法相繼問世，許多通用和專用的分析軟件不斷投入使用，使得有限元方法已經(jīng)成為工程數(shù)值分析的有利工具，廣泛應(yīng)用于電機(jī)、電子、電力電子、交直流傳動(dòng)、電源、電力系統(tǒng)、汽車、航空、航天、汽車、船舶、生物醫(yī)學(xué)、石油化工、國(guó)防軍工等領(lǐng)域，已經(jīng)在很多知名企業(yè)和機(jī)構(gòu)得到廣泛應(yīng)用和驗(yàn)證[13]。</p><p>　　有限元法最主要的特點(diǎn)是根據(jù)該方法編制的軟件系統(tǒng)對(duì)各種各樣的電磁計(jì)算問題具有較強(qiáng)

25、的適應(yīng)性，通過前處理過程能有效地形成方程并求解。它能方便的處理非線性介質(zhì)特性，如鐵磁飽和特性等。它所形成的代數(shù)方程具有系數(shù)矩陣對(duì)稱、正定、稀疏等特點(diǎn)，所以求解容易，收斂性好，占用計(jì)算機(jī)內(nèi)存量也較少。這些正是有限元法能成為電氣設(shè)備計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)核心模塊的優(yōu)勢(shì)所在。工程設(shè)計(jì)和科學(xué)研究對(duì)電磁計(jì)算精確度要求的不斷提高，促進(jìn)了有限元法的發(fā)展及在電氣工程方面的廣泛應(yīng)用。</p><p>　　傳統(tǒng)上對(duì)電機(jī)性能的計(jì)算方法，可稱之

26、為等效電路――磁路法，數(shù)學(xué)模型的框架主要建立在等效電路的基礎(chǔ)上，等效電路中的參數(shù)采用磁路的方法求得，或是在假設(shè)前提下根據(jù)電磁場(chǎng)方程用解析法求得。其缺點(diǎn)是鐵磁材料的飽和效應(yīng)、齒槽效應(yīng)、集膚效應(yīng)等難以得到精確的考慮，不能準(zhǔn)確計(jì)算出電機(jī)中的電流、磁場(chǎng)、轉(zhuǎn)矩等物理量隨時(shí)間變化的實(shí)際波形[15]。</p><p>　　計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展導(dǎo)致了電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算的發(fā)現(xiàn)與發(fā)展，其中有限元法在數(shù)值計(jì)算方法中具有極為重要的地位。有限元法

27、在電機(jī)中的應(yīng)用可劃分為兩個(gè)階段：第一階段為等效電路――電磁場(chǎng)法，數(shù)學(xué)模型的框架仍建立在等效電路的基礎(chǔ)上，等效電路中的參數(shù)采用電磁場(chǎng)計(jì)算的方法求得，在電磁場(chǎng)計(jì)算時(shí)根據(jù)已知的電流分布求出磁場(chǎng)分布，主要采用恒定場(chǎng)模型和正弦穩(wěn)態(tài)場(chǎng)模型。近年來，隨著有限元算法程序的積累與進(jìn)步，電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算發(fā)展到第二個(gè)階段，它在電機(jī)中的應(yīng)用也越來越廣泛，不僅能計(jì)算電磁場(chǎng)分布和電磁力，還可以計(jì)算變形、轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)、動(dòng)態(tài)變化以及與電力電子裝置相結(jié)合等情況下的特性預(yù)測(cè)及電

28、機(jī)參數(shù)的計(jì)算等。與傳統(tǒng)方法有了根本的不同，電機(jī)與外部連接的部分根據(jù)基爾霍夫定律建立電壓平衡方程和電流平衡方程，電機(jī)內(nèi)部直接根據(jù)麥克斯韋方程建立電磁場(chǎng)方程。當(dāng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)時(shí)，將轉(zhuǎn)矩平衡方程考慮進(jìn)去，這些方程耦合在一起，組成了系統(tǒng)的基本方程組，利用數(shù)值方法離散后聯(lián)立求解，在外加源給定的情況下，可以直接計(jì)算出電流、磁通密度等電磁量隨時(shí)間變化的實(shí)際波形[14]。</p><p>　　這些新技術(shù)的取得離不開有限元方法中關(guān)鍵技術(shù)

29、的發(fā)展，如自適應(yīng)網(wǎng)格剖分、場(chǎng)域內(nèi)介質(zhì)間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的問題等。網(wǎng)格剖分與加密是有限元方法發(fā)展的“瓶頸”問題之一，目前所采用的自適應(yīng)剖分及加密技術(shù)較好的解決了這一問題，它的基本思想是首先根據(jù)電機(jī)的結(jié)構(gòu)、邊界條件及激勵(lì)條件選擇基本網(wǎng)格（初始網(wǎng)格）進(jìn)行有限元運(yùn)算，然后對(duì)運(yùn)算的結(jié)果作誤差分析，若計(jì)算精度足夠則停止計(jì)算；若計(jì)算精度不夠，則對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密改進(jìn)，再進(jìn)行計(jì)算，循環(huán)進(jìn)行上述過程，直到得到滿意的精度結(jié)果。時(shí)步有限元方法可通過計(jì)算電機(jī)內(nèi)部的磁場(chǎng)，

30、比較準(zhǔn)確地分析電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。為進(jìn)一步深入研究直線電機(jī)暫態(tài)過程中的運(yùn)行特性提供了分析工具。</p><p>　　第2章 直線電機(jī)原理與有限元分析基礎(chǔ)</p><p>　　2.1永磁直線電機(jī)基本原理</p><p>　　永磁直線電機(jī)從工作原理上講，與旋轉(zhuǎn)電機(jī)是一致的。它相當(dāng)于把旋轉(zhuǎn)電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子沿圓柱面展開，得到直線電機(jī)的定子和動(dòng)子，如圖2.1所示：</p&g

31、t;<p>　　圖2.1 直線電機(jī)演化示意圖</p><p>　　當(dāng)在旋轉(zhuǎn)電機(jī)定子的三相對(duì)稱繞組中通入三相對(duì)稱正弦電流后，便會(huì)在氣隙中產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。它可看成沿氣隙圓周呈正弦分布，電流變化一個(gè)周期，磁場(chǎng)轉(zhuǎn)過一對(duì)極。其旋轉(zhuǎn)速度稱為同步速度，用表示，它與電流的頻率成正比，與電機(jī)的極對(duì)數(shù)成反比。它與轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)相互作用，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子最終以同步速轉(zhuǎn)動(dòng)。</p><p><b>

32、;　　(2.1)</b></p><p>　　如用v表示在定子內(nèi)圓表面上磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的線速度，則有</p><p><b>　　(2.2)</b></p><p>　　式中：－交流電源頻率；－極距。</p><p>　　永磁直線電機(jī)可以認(rèn)為是旋轉(zhuǎn)電機(jī)在結(jié)構(gòu)方面的變形。當(dāng)在直線電機(jī)的初級(jí)繞組中通入三相對(duì)稱電流時(shí)，便

33、會(huì)在氣隙中產(chǎn)生磁場(chǎng)，當(dāng)不考慮由于鐵心兩端開斷而引起的縱向邊緣效應(yīng)時(shí)，這個(gè)氣隙磁場(chǎng)的分布情況與旋轉(zhuǎn)電機(jī)的相似，即可看成沿展開的直線方向呈正弦分布。當(dāng)三相電流隨時(shí)間變化時(shí)，氣隙磁場(chǎng)沿直線移動(dòng)，這種磁場(chǎng)稱為“行波磁場(chǎng)”。顯然，行波磁場(chǎng)的移動(dòng)速度與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在定子內(nèi)圓表面上的線速度是一樣的，即為：</p><p><b>　　(2.3)</b></p><p>　　它與次級(jí)的永

34、磁磁場(chǎng)作用，最終帶動(dòng)次級(jí)沿行波磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)方向作直線運(yùn)動(dòng)。</p><p>　　2.2永磁直線電機(jī)結(jié)構(gòu)類型</p><p>　　永磁直線同步電機(jī)(PMLSM：Permanent Magnet Linear Synchronous Motors)按動(dòng)子結(jié)構(gòu)形狀可以分為單邊、雙邊、圓柱永磁直線同步電機(jī)；按輸入電流可分為矩形波與正弦波永磁直線同步電機(jī)；按動(dòng)子磁阻特性可分為凸極型與隱極型永磁同步電機(jī)

35、。圖2.2所示的為單邊扁平鐵心齒槽結(jié)構(gòu)的永磁直線同步電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。</p><p>　　圖2.2永磁直線同步電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　永磁直線同步電機(jī)按結(jié)構(gòu)與性能特點(diǎn)主要分為以下幾類[15]：:鐵心齒槽直線電機(jī)(Ironcore Linear Motors)、空心直線電機(jī)(lronless Linear Motors )、無槽直線電機(jī)(SlotlessL

36、inear Motors)三類。</p><p>　　鐵心齒槽永磁直線電機(jī)結(jié)構(gòu)原理如圖2.3所示，繞組按一定規(guī)律固定在疊層鐵心上。該類結(jié)構(gòu)永磁電機(jī)的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下幾方面：(1)由于鐵心的聚磁作用，氣隙磁密較大，產(chǎn)生的推力密度比較大；(2)散熱性能比較好；(3)動(dòng)子剛度比較高。不足之處在于：(1)法向吸力比較大；(2)動(dòng)子質(zhì)量大；(3)齒槽效應(yīng)引起推力波動(dòng)；(4)鐵心的磁飽和問題等。</p><

37、p>　　圖2.3鐵心永磁直線電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　空芯動(dòng)圈式直線永磁同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單，共有兩個(gè)組件構(gòu)成(如圖2.3)：</p><p>　　1)定子組件(magnet way)沿全行程方向的直線交替安裝N, S永磁磁極；</p><p>　　2)動(dòng)子(mover)為空芯通電繞組。空芯動(dòng)圈式直線永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子組件通常采用稀土永磁磁極，

38、可以一側(cè)布置也可以雙側(cè)布置。減小氣隙可以增加氣隙磁密，為充分利用磁場(chǎng)空間，通常電機(jī)的空芯動(dòng)子部分采用單層同心式繞阻，可以是三相繞組，也可以是多相繞組。</p><p>　　1-無鐵心轉(zhuǎn)子繞組；2-永磁體；3-定子軛鐵</p><p>　　圖2.4無芯動(dòng)圈式直線永磁同步電動(dòng)機(jī)</p><p>　　無槽永磁直線電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2.5所示。與鐵心齒槽直線電機(jī)相比，去除繞組鐵心

39、，采用非鐵磁材料如聚合物等固定安裝繞組即轉(zhuǎn)換為無槽永磁直線電機(jī)。無槽永磁直線電機(jī)的等效氣隙相應(yīng)變大，相同情況下氣隙密度變低，力密度比鐵心永磁直線同步電機(jī)要低；由于去除了繞組鐵心，動(dòng)子質(zhì)量變輕，同時(shí)無齒槽效應(yīng)問題，磁飽和現(xiàn)象相對(duì)較弱，法向吸力一定程度上減小，由于背鐵的作用，依然保持較好結(jié)構(gòu)剛度與散熱性能。</p><p>　　圖2.5無槽永磁直線電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　如果將無槽

40、永磁直線電機(jī)的繞組背鐵去除即轉(zhuǎn)換為空心永磁直線電機(jī)。去除繞組背鐵，動(dòng)子質(zhì)量進(jìn)一步降低，氣隙磁密進(jìn)一步降低，力密度相應(yīng)更低，相應(yīng)電流峰值密度比較高；同時(shí)散熱性能下降，動(dòng)子剛度降低；同樣不存在齒槽效應(yīng)問題，完全無磁飽和現(xiàn)象。</p><p>　　2.3有限元方法磁場(chǎng)分析</p><p>　　2.3.1有限元法磁場(chǎng)分析計(jì)算</p><p>　　基于麥克斯韋方程組的電磁場(chǎng)基

41、本理論，結(jié)合電機(jī)的實(shí)際情況，可以推導(dǎo)出用于描述電機(jī)內(nèi)電磁場(chǎng)的各場(chǎng)量所滿足的偏微分方程。</p><p><b>　　麥克斯韋方程組為：</b></p><p>　　法拉第電磁感應(yīng)定律 (2.4)</p><p>　　麥克斯韋-安培定律

42、 (2.5)</p><p>　　高斯電通定律 (2.6)</p><p>　　高斯磁通定律 (2.7)</p><p>　　電荷守恒定律

43、 (2.8)</p><p>　　現(xiàn)以二維場(chǎng)為例，設(shè)待求場(chǎng)量為 。概述一階有限元法的基本應(yīng)用原理如下：</p><p>　　1）等價(jià)變分問題的構(gòu)造</p><p>　　設(shè)待求微分方程型的數(shù)學(xué)模型為</p><p><b>　　(2.9)</b>&l

44、t;/p><p><b>　　其等價(jià)變分問題為</b></p><p><b>　　(2.10)</b></p><p>　　圖2.6場(chǎng)域 D的三角剖分示意圖</p><p><b>　　2）剖分與插值 </b></p><p>　　采用最常用的三角剖分（圖

45、2.6）和相應(yīng)的三頂點(diǎn)線性插值。 設(shè)剖分的離散節(jié)點(diǎn)總量為n0 ，三角元總量為e0 。定義三角元e內(nèi)的插值函數(shù)為 </p><p><b>　　(2.11)</b></p><p>　　式中稱為三角元e上的線性插值的基函數(shù)（亦稱形狀函數(shù)），它取決于單元的形狀及其相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的配置。</p><p>　　3）變分問題的離散化</p>&l

46、t;p>　　首先，實(shí)施單元分析，得</p><p><b>　　(2.12)</b></p><p>　　其次進(jìn)行總體合成，即在分別擴(kuò)充各列向量和方陣的基礎(chǔ)上，實(shí)施相應(yīng)列向量和方陣求和的運(yùn)算，導(dǎo)出</p><p><b>　　(2.13)</b></p><p><b>　　4）有限

47、元方程 </b></p><p>　　根據(jù)函數(shù)極值理論，應(yīng)有。從而得出</p><p><b>　　(2.14)</b></p><p>　　上式再經(jīng)強(qiáng)加條件(2.10)處理后，最終構(gòu)成對(duì)應(yīng)于原邊值問題式(2.9)的有限元方程解上述方程即得待求場(chǎng)量的離散量。</p><p>　　根據(jù)電機(jī)結(jié)構(gòu)，所要求的電機(jī)中氣

48、隙磁場(chǎng)的解，在電磁場(chǎng)理論中屬于恒定磁場(chǎng)的計(jì)算問題，求解恒定磁場(chǎng)實(shí)質(zhì)是求解滿足特定邊界條件的泊松問題。</p><p><b>　　(2.15)</b></p><p>　　在二維磁場(chǎng)中： (2.16)</p><p>　　在完成A 的求解后，便可根據(jù)電磁場(chǎng)基本方程求出其它的場(chǎng)量。求解此

49、方程可以用解析法、數(shù)值法等。有限元法就是在數(shù)值解法中占有重要地位的方法，從數(shù)學(xué)的角度說，有限元法是從變分原理出發(fā)，通過區(qū)域剖分和分片插值，把二次泛函數(shù)的極值問題化為普通多元二次函數(shù)的極值問題，后者又等價(jià)于一組多元線性代數(shù)方程的求解。</p><p>　　2.3.2時(shí)步有限元法的瞬態(tài)磁場(chǎng)分析計(jì)算</p><p>　　電機(jī)起動(dòng)性能的準(zhǔn)確分析和計(jì)算對(duì)于高性能電機(jī)的開發(fā)和研制有著重要的意義，傳統(tǒng)的

50、分析方法，如基于集中參數(shù)和狀態(tài)方程的數(shù)字仿真技術(shù)，以及基于時(shí)域的似穩(wěn)態(tài)電磁場(chǎng)分析法，不能合理的考慮起動(dòng)過程中復(fù)雜的電磁物理現(xiàn)象。而采用場(chǎng)－路－機(jī)械方程相組合的時(shí)步有限元法是分析電機(jī)暫態(tài)過程的一種有力工具，它把外電路方程和電磁場(chǎng)方程結(jié)合在一起，直接求解定轉(zhuǎn)子電流和電機(jī)轉(zhuǎn)矩等物理量；結(jié)合機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程，可以對(duì)整個(gè)起動(dòng)過程進(jìn)行仿真。在時(shí)步有限元法的計(jì)算過程中，可以考慮如下因素，鐵磁材料的飽和、轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中的渦流、電磁諧波和齒槽效應(yīng)等，計(jì)算精度高于

51、其它方法。運(yùn)用時(shí)步有限元方法進(jìn)行電機(jī)設(shè)計(jì)與分析是近年來的研究重點(diǎn)。</p><p>　　實(shí)際電磁場(chǎng)問題中，常常會(huì)碰到電壓、電流源為非正弦激勵(lì)的情況，或者模型中的物體處于平動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)的情況，磁場(chǎng)、能量、力、功率損耗、速度等物理量是時(shí)間的函數(shù)。在這種情況下靜態(tài)場(chǎng)求解器在分析與時(shí)間有關(guān)的物體過程無能為力，因此需要進(jìn)行瞬態(tài)分析。</p><p>　　麥克斯韋方程的微分形式為</p>

52、<p><b>　　(2.17)</b></p><p>　　式中，是永磁體的矯頑力；v是運(yùn)動(dòng)物體的速度；A是磁矢量；是電流密度。</p><p>　　瞬態(tài)求解使用一個(gè)參考框架，固定在模型某一部分使速度v=0。運(yùn)動(dòng)物體固定在自身坐標(biāo)系，偏時(shí)間導(dǎo)數(shù)A的全時(shí)間導(dǎo)數(shù)，因而運(yùn)動(dòng)方程變?yōu)?lt;/p><p><b>　　(2.18)&l

53、t;/b></p><p>　　從而在每一時(shí)間段有限元模型中每一點(diǎn)都可以獲得。</p><p>　　第3章永磁直線同步電機(jī)的推力特性研究</p><p>　　3.1 永磁直線同步電機(jī)推力特性</p><p>　　3.1.1永磁直線同步電機(jī)的電磁力</p><p>　　使用永磁直線同步電機(jī)，就是期望獲得所需的推力、

54、設(shè)定的速度和一定的定位精度，而速度與推力密不可分。因此，永磁直線同步電機(jī)力的推力特性是永磁直線同步電機(jī)的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容之一。 </p><p>　　圖3.1永磁直線同步電動(dòng)機(jī)力的示意圖</p><p>　　如圖3.1所示為永磁直線同步電機(jī)的力的示意圖，忽略Z方向的非對(duì)稱因素，永磁直線同步電機(jī)產(chǎn)生X方向的水平推力Fx與Y方向的法向吸力Fy。一般情況下，水平推力是我們所需求的，法向吸力在多數(shù)情況

55、下(磁懸浮應(yīng)用系統(tǒng)除外)是不期望的。水平推力包括電磁推力、由邊端效應(yīng)與齒槽效應(yīng)引起的磁阻力組成。法向力一般都要比水平推力大一個(gè)數(shù)量級(jí)。</p><p>　　推力波動(dòng)產(chǎn)生的原因：1）永磁直線同步電機(jī)開路磁場(chǎng)引起的邊端效應(yīng)，設(shè)計(jì)不當(dāng)，會(huì)產(chǎn)生較大的邊端力；2）永磁直線同步電機(jī)極距相對(duì)較小，每極每相槽數(shù)q不可能很大，否則在一極距上的總槽數(shù)較多，制造困難。若q取較小整數(shù)，就不能充分利用分布繞組來削弱磁場(chǎng)的諧波分量，產(chǎn)生較大

56、齒槽力；3）永磁直線同步電機(jī)存在較大的法向吸力，從而產(chǎn)生額外摩擦阻力。這些推力波動(dòng)是產(chǎn)生永磁直線同步電機(jī)振動(dòng)與噪聲的主要原因，會(huì)惡化其伺服運(yùn)行特性；尤其應(yīng)用在要求精密定位的場(chǎng)合，永磁直線同步電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)在制動(dòng)瞬間，這些擾動(dòng)力的存在會(huì)使進(jìn)給系統(tǒng)偏離目標(biāo)位置，降低加工精度，甚至產(chǎn)生震蕩及不穩(wěn)定，降低電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電子元器件的工作壽命。</p><p>　　3.1.2永磁直線同步電機(jī)推力數(shù)值計(jì)算</p>&l

57、t;p>　　上一章已經(jīng)對(duì)兩種永磁直線同步電機(jī)進(jìn)行了電磁場(chǎng)分析，在此基礎(chǔ)上研究電機(jī)產(chǎn)生的推力。</p><p>　　麥克斯韋應(yīng)力張量法適合于計(jì)算電工設(shè)備中的鐵磁材料在磁場(chǎng)中的受力情況。該方法指出，作用在鐵磁材料磁質(zhì)上的總合力可用磁場(chǎng)的張力張量的面積分來計(jì)算。也就是說作用于任意區(qū)域上的體積力可以歸結(jié)為求解該區(qū)域表面所受的張力。即：</p><p><b>　　(3.1)<

58、/b></p><p>　　式中，為鐵磁材料受力；為磁場(chǎng)張力張量；是體電流密度；，分別為包圍磁質(zhì)的封閉曲面和相應(yīng)的體積。</p><p>　　具體在二維平行平面磁場(chǎng)分析中，式(3.1)將變成，</p><p><b>　　(3.2)</b></p><p>　　因此，推力和法向力表達(dá)式分別為</p>

59、<p><b>　　(3.3)</b></p><p>　　有限元分析中的離散表達(dá)式為</p><p><b>　　(3.4)</b></p><p>　　式中，為積分路徑經(jīng)過的單元總數(shù)；為每個(gè)單元中積分路徑長(zhǎng)度；和分別為線段的單位法矢量。</p><p>　　3.1.3永磁直線同步電機(jī)空

60、載、負(fù)載推力特性分析</p><p>　　對(duì)兩種永磁直線同步電機(jī)進(jìn)行分析，得到兩種直線電機(jī)從起動(dòng)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過程的空載、負(fù)載推力曲線。如圖3.2所示為永磁直線同步電機(jī)I的推力曲線。圖3.5和圖3.6為L(zhǎng)D－125型永磁直線同步電機(jī)的推力曲線。</p><p><b>　　空載運(yùn)行</b></p><p><b>　　b）負(fù)載運(yùn)行<

61、/b></p><p>　　圖3.2永磁直線同步電機(jī)I動(dòng)態(tài)響應(yīng)推力曲線</p><p>　　a)空載運(yùn)行 b)負(fù)載運(yùn)行</p><p>　　圖3.3永磁直線同步電機(jī)I穩(wěn)態(tài)運(yùn)行推力曲線</p><p>　　在通入相同的三相電源情況下，從圖3.2直線電機(jī)的空載和負(fù)載推力曲線上可以

62、看出，直線電機(jī)從靜止起動(dòng)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)間很短，在0.25秒后，直線電機(jī)達(dá)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。如圖3.3a所示，空載穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，電機(jī)推力在0N附近波動(dòng)，推力波動(dòng)范圍平均在-14N到17N之間。由于電機(jī)所加負(fù)載100N，如圖3.3b所示，負(fù)載穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，直線電機(jī)推力在100N附近波動(dòng)，推力波動(dòng)范圍平均在80N到115N之間?？梢娫谥本€電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，直線電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)推力波動(dòng)比空載時(shí)推力波動(dòng)大一些。</p><p>　　a)空

63、載運(yùn)行 b)負(fù)載運(yùn)行</p><p>　　圖3.4永磁直線同步電機(jī)I法向力曲線</p><p>　　圖3.4a、b所示是永磁直線電機(jī)I法向力曲線。分別與圖3.3永磁直線同步電機(jī)I穩(wěn)態(tài)運(yùn)行推力曲線相比，法向力絕對(duì)值比推力大1個(gè)數(shù)量級(jí)。可見永磁直線同步電機(jī)存在較大的法向吸力，從而產(chǎn)生額外摩擦阻力，使電機(jī)產(chǎn)生推力波動(dòng)。</p&g

64、t;<p>　　圖3.5 LD-125型永磁直線同步電機(jī)空載推力曲線</p><p>　　圖3.6 LD-125型永磁直線同步電機(jī)負(fù)載推力曲線</p><p>　　a）空載運(yùn)行 b）負(fù)載運(yùn)行</p><p>　　圖3.7 LD-125型永磁直線同步電機(jī)法向力曲線</p><

65、;p>　　同樣，對(duì)于LD-125型永磁直線電機(jī)加上100N負(fù)載后進(jìn)行瞬態(tài)仿真，如圖3.5和圖3.6所示，直線電機(jī)起動(dòng)時(shí)間很短，僅在直線電機(jī)起動(dòng)運(yùn)行到0.1秒后便達(dá)到穩(wěn)態(tài)，直線電機(jī)負(fù)載穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)推力在100N附近波動(dòng)，波動(dòng)的范圍也要比空載時(shí)直線電機(jī)的推力波動(dòng)范圍大一些。</p><p>　　圖3.7a、b所示為L(zhǎng)D-125型永磁直線同步電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)法向力曲線，分別與圖3.5和圖3.6相比較，同樣直線電機(jī)穩(wěn)態(tài)

66、運(yùn)行時(shí)法向力比推力大很多。從而產(chǎn)生額外摩擦阻力，產(chǎn)生推力波動(dòng)。</p><p>　　3.2 兩種不同結(jié)構(gòu)永磁直線同步電機(jī)的推力特性對(duì)比</p><p>　　前面已經(jīng)對(duì)兩種永磁直線電機(jī)分別進(jìn)行了時(shí)步有限元分析，得出其推力曲線，并對(duì)其動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行分析。這一小節(jié)中將同時(shí)對(duì)兩種永磁直線同步電機(jī)推力特性進(jìn)行比較分析。</p><p>　　在加載相同三相電壓源情況下，從圖3.2

67、永磁直線電機(jī)I的空載和負(fù)載推力曲線上可以看出，直線電機(jī)從靜止起動(dòng)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)間很短，在0.25秒后，直線電機(jī)達(dá)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。而圖3.5和圖3.6所示的LD-125型永磁直線同步電機(jī)從靜止起動(dòng)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)間更短，運(yùn)行到0.1秒后直線電機(jī)便達(dá)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。對(duì)于這兩種直線電機(jī)來說，在加載相同三相電源情況下，LD-125型永磁直線電機(jī)的起動(dòng)時(shí)間更短。</p><p>　　a) 永磁直線同步電機(jī)I

68、 b）LD-125型永磁直線同步電機(jī)</p><p>　　圖3.8兩種永磁直線同步電機(jī)空載、穩(wěn)態(tài)推力曲線</p><p>　　a) 永磁直線同步電機(jī)I b）LD-125型永磁直線同步電機(jī)</p><p>　　圖3.9兩種永磁直線同步電機(jī)負(fù)載、穩(wěn)態(tài)推力曲線</p><p>　　如圖3.8a、b所

69、示是兩種永磁直線同步電機(jī)空載、穩(wěn)態(tài)時(shí)穩(wěn)態(tài)推力曲線?？梢钥闯鲇来胖本€電機(jī)I的推力波動(dòng)較小。圖3.9a、b所示為兩臺(tái)電機(jī)負(fù)載時(shí)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行推力曲線，可見永磁直線電機(jī)I的推力波動(dòng)較小。因此在所加負(fù)載相同的情況下，LD-125型永磁直線同步電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)推力波動(dòng)要比永磁直線同步電機(jī)I穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)推力波動(dòng)大。</p><p>　　影響直線同步電機(jī)起動(dòng)性能的因素有很多。在電機(jī)的眾多參數(shù)中電感對(duì)永磁直線同步電機(jī)的起動(dòng)性能有一定的影

70、響。如圖3.10所示為改變電感對(duì)永磁直線同步電機(jī)的起動(dòng)特性的影響。</p><p><b>　　a)</b></p><p><b>　　b)</b></p><p><b>　　c)</b></p><p><b>　　d)</b></p>

71、<p>　　圖3.10 不同電感永磁直線同步電機(jī)的起動(dòng)特性</p><p>　　由于 、 ，電感變化，時(shí)間常數(shù)隨之變化，從而起動(dòng)過程中電流發(fā)生變化，因此起動(dòng)推力發(fā)生變化，可見電感越大，起動(dòng)響應(yīng)的時(shí)間越長(zhǎng)；電感越大，電流越小，起動(dòng)推力越小。因此電感對(duì)永磁直線同步電機(jī)的起動(dòng)性能有著較大的影響。</p><p><b>　　3.3 本章小結(jié)</b></p&

72、gt;<p>　　對(duì)兩種永磁直線同步電機(jī)進(jìn)行分析，得到兩種直線電機(jī)從起動(dòng)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過程的空載、負(fù)載推力曲線。永磁直線電機(jī)I在運(yùn)行0.25秒后達(dá)到穩(wěn)態(tài)，LD-125型直線電機(jī)在運(yùn)行到0.1秒后達(dá)到穩(wěn)態(tài)，兩種直線電機(jī)起動(dòng)時(shí)間都很快，并且LD-125型永磁直線電機(jī)起動(dòng)時(shí)間較短。</p><p>　　兩臺(tái)直線電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，負(fù)載時(shí)推力波動(dòng)均比空載時(shí)推力波動(dòng)大一些。</p><p>　

73、　永磁直線同步電機(jī)存在較大的法向吸力，摩擦阻力增大，是直線電機(jī)產(chǎn)生推力波動(dòng)原因之一。</p><p>　　由于LD-125型永磁直線電機(jī)是集中繞組，不能充分利用分布繞組來削弱磁場(chǎng)的諧波分量，會(huì)產(chǎn)生較大齒槽力，引起推力波動(dòng)。雖然集中繞組式永磁直線電機(jī)在結(jié)構(gòu)上簡(jiǎn)單，但在影響電機(jī)動(dòng)態(tài)性能之一的推力波動(dòng)上還存在著問題，有待于進(jìn)一步的優(yōu)化改進(jìn)。</p><p>　　永磁直線電機(jī)I在空載穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的推

74、力波動(dòng)較小，LD-125型直線電機(jī)空載穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)推力波動(dòng)較大。在所加負(fù)載相同的情況下， LD-125型永磁直線同步電機(jī)負(fù)載時(shí)推力波動(dòng)要比永磁直線同步電機(jī)I負(fù)載時(shí)推力波動(dòng)大。</p><p>　　電感對(duì)永磁直線同步電機(jī)的起動(dòng)性能有著較大的影響。電感越大，起動(dòng)響應(yīng)的時(shí)間越長(zhǎng)、電流越小、起動(dòng)推力越小。</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><

75、p>　　1)對(duì)兩種永磁直線同步電機(jī)進(jìn)行分析，得到兩種直線電機(jī)從起動(dòng)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過程的空載、負(fù)載推力特性曲線。兩種直線電機(jī)起動(dòng)時(shí)間都很短，永磁直線電機(jī)I動(dòng)態(tài)相應(yīng)0.25秒后達(dá)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，LD-125型永磁直線電機(jī)動(dòng)態(tài)相應(yīng)0.1秒后達(dá)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。電感對(duì)永磁直線同步電機(jī)的起動(dòng)性能有著較大的影響。電感越大，起動(dòng)響應(yīng)的時(shí)間越長(zhǎng)、電流越小、起動(dòng)推力越小。</p><p>　　2)兩臺(tái)直線電機(jī)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，負(fù)載時(shí)推力波動(dòng)均

76、比空載時(shí)推力波動(dòng)大一些。永磁直線電機(jī)I在空載穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的推力波動(dòng)較小，LD-125型直線電機(jī)空載穩(wěn)態(tài)運(yùn)行推力波動(dòng)較大。在所加負(fù)載相同的情況下，LD-125型永磁直線同步電機(jī)負(fù)載時(shí)推力波動(dòng)要比永磁直線同步電機(jī)I負(fù)載時(shí)推力波動(dòng)大。</p><p>　　3)永磁直線同步電機(jī)存在較大的法向吸力，摩擦阻力增大，是直線電機(jī)產(chǎn)生推力波動(dòng)原因之一。</p><p>　　4)由于LD-125型永磁直線電機(jī)是

77、集中繞組，不能充分利用分布繞組來削弱磁場(chǎng)的諧波分量，會(huì)產(chǎn)生較大齒槽力，引起推力波動(dòng)。雖然集中繞組式永磁直線電機(jī)在結(jié)構(gòu)上簡(jiǎn)單，但在影響電機(jī)動(dòng)態(tài)性能之一的推力波動(dòng)上還存在著問題，有待于進(jìn)一步的優(yōu)化改進(jìn)。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　值此論文脫稿之際，我謹(jǐn)向多年來所有給予我?guī)椭膸熼L(zhǎng)、好友及同窗學(xué)友致以最誠(chéng)摯的謝意！</p>

78、<p>　　首先，我要深深地感謝***老師等老師在學(xué)術(shù)上的指導(dǎo)和生活上的關(guān)懷。四年來，老師們的學(xué)識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、敏銳的洞察力和永遠(yuǎn)開拓進(jìn)取的工作作風(fēng)，給我留下了深刻的印象。在學(xué)習(xí)和生活中，給予了學(xué)生很多的關(guān)懷和照顧，使我能夠克服許多方面的困難，順利地完成課題工作。在此，特向***老師表示深深的謝意和崇高的敬意！</p><p>　　最后，在論文撰寫過程中得到各位同學(xué)的大力幫助，在此向他們表示誠(chéng)摯的謝

79、意！</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 郭慶鼎,王成元,周美文,孫延玉.直線交流伺服系統(tǒng)的精密控制技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社.2000.</p><p>　　[2] 葉云岳．直線電機(jī)原理與應(yīng)用．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000</p><p>　　[3] 葉云岳．國(guó)內(nèi)外直線電機(jī)技術(shù)的發(fā)展與

80、應(yīng)用綜述．2002年全國(guó)直線電機(jī)學(xué)術(shù)年會(huì)，中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)，2002</p><p>　　[4] 張伯霖，潘珊珊，于兆勤等．直線電機(jī)及其在超高速機(jī)床上的應(yīng)用．中國(guó)機(jī)械工程，1997．8(4):85-88.</p><p>　　[5] 石麗梅，郭慶鼎，孫宜標(biāo)．采用滑模觀測(cè)器的交流水磁直線伺服電機(jī)無傳感器控制．電氣傳動(dòng)，1997, 27(4):7-12．</p><p>

81、;　　[6] 郭慶鼎，王成元，周美文等．直線交流伺服系統(tǒng)的精密控制技術(shù)．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001</p><p>　　[7] 李慶雷．長(zhǎng)行程水磁直線電機(jī)伺服單元的研究．北京：清華大學(xué)出版社，2000</p><p>　　[8] Z.Q.Zhu and D. Howe.Instantaneous magnetic field distribution in brushless perm

82、anent magnet dc motor, Part I open-circuit field. IEEE transactiona on Magnetics. 1993,Vol.29,No.1:124-135</p><p>　　[9] Z.Q.Zhu and D. Howe.Instantaneous magnetic field distribution in brushless permanent ma

83、gnet dc motor, Part II Armature-reaction field,IEEE transactiona on Magnetics.1993,Vol.29,No.1:136-142</p><p>　　[10] Z.Q.Zhu and D. Howe.Instantaneous magnetic field distribution in brushless permanent mag

84、net dc motor, Part III effect of stator slotting, IEEE transactiona on Magnetics.1993,Vol.29,No.1:143-151</p><p>　　[11] Z.Q.Zhu and D. Howe.Instantaneous magnetic field distribution in brushless permanent ma

85、gnet dc motor, Part IV Magnetic field on load. IEEE transactiona on Magnetics.1993,Vol.29,No.1:152-158</p><p>　　[12] Atallah K,Zhu Z.Q.Curvature effect in radial permanent machines. Electric Machines and Pow

86、er systems.1994,(22):511-520</p><p>　　[13] 張榴晨，徐松.有限元法在電磁計(jì)算忠的應(yīng)用.北京：中國(guó)鐵道出版社，1996</p><p>　　[14] 程建鋼，李明瑞，黃文彬.有限元分析的并行計(jì)算方法.1995-2005</p><p>　　[15] 傅為農(nóng)，江建中.異步電機(jī)時(shí)步法有限元軟件的研制.微特電機(jī)，1998，（5）:

87、5-6</p><p>　　[16] Ferenc Toth. Finite-element analysis of linear synchronous motors with different pole configuration. Journal of Electrical Engineering, 2003,3(1):11-20</p><p><b>　　附錄A<

88、;/b></p><p>　　Research on Linear Motor Driving System</p><p>　　Based on Wavelet Transform</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　end-effect is a main reason o

89、f influence on the characteristic of linear motor driving system, its direct impact is nonstable and undulate edges magnetic field. the wavelet transform is applied to analyze the linear motor driving system performance

90、in this paper. The improving thrust response system has been presented based on choice wavelet function and wavelet transform. Simulation results indicate that the proposed control strategy can abate the thrust ripple pr

91、oblem caused by end effect in l</p><p>　　Keywords wavelet transform; Linear motor; End effect； Direct thrust control system </p><p>　　Introduction</p><p>　　France physicist Morlet f

92、irst applied the wavelet to analyzing the partial characteristic of earthquake wave in 1984. Because wavelet transform is a kind of analysis method for time-scale (frequency) signal, in time-domain and frequency-domain,

93、which has the ability of exploring signal features with partial characteristic. Therefore, in the last years, the special analysis method has made itself theories rapid development and extensive application, especially i

94、n the aspects of signal analyzing a</p><p>　　Linear motor has longitudinal edge and transverse edge, for this reason the linear motor exist special end-effect. Longitudinal end-effect is caused by finite len

95、gth primary iron-core. Transverse end-effect is caused by finite width of primary and secondary, secondary current and secondary plates affecting the air-gap magnetic field. This is the main difference between the linear

96、 motor and the rotating machine. Longitudinal end-effect not only causes motor losses, lower electric efficiency and t</p><p>　　Traditional analysis method, Fourier transform, has localization contradiction

97、of time-domain and frequency-domain, some messages while analyzing nonstable signal will be usually lost. Therefore, it is necessary to research a new method that can solve this problem reasonably and effectively so as t

98、o improve linear motor driving system performance.</p><p>　　Single dimension continuous wavelet transform has higher sensitivity, stronger ability of denoising and lower demand of the input signal, and doesn

99、’t need objects mathematic model. The single dimension continuous wavelet transform is used for analysis the performance of linear motor driving system.</p><p>　　single dimension continuous wavelet transform

100、</p><p>　　The continuous wavelet sequence can be described as, </p><p><b>　　(1)</b></p><p>　　where is scale parameter， is shift parameter. The square-integrable fun

101、ction is called Mother Wavelet. A wavelet sequence can be obtained by dilation and shift transformation of the mother wavelet. The continuous wavelet transform of arbitrary function is expressed by (2).</p><p

102、><b>　　(2)</b></p><p>　　the mother wavelet formed wavelet sequence has an observable window function, so should satisfy following constraint condition:</p><p><b>　　(3)</

103、b></p><p>　　is a continuous function which must be zero at the initial point for satisfying (2), then,</p><p><b>　　(4)</b></p><p>　　And its Fourier transform is , whe

104、n fulfills the admissible condition: </p><p><b>　　(5)</b></p><p>　　It is shown that single dimension continuous wavelet transform uses both scale dilations and time shifts to ana

105、lyze the signal. The signal is expanded in window area []*[], where and represent the time-span and the frequent-span of window respectively. The time-frequency analysis is multi-resolution if varying the window area. T

106、he high frequency signal is suitably analyzed by the gradually exquisite time step, and the low frequent signal is finely analyzed by the exquisite frequency step. Th</p><p>　　Conclusions</p><p>

107、;　　Comparing with the Fourier transform analysis method, the wavelet transform technique has the characteristics that it analyzes the signal combining time domain with frequency domain together, for this reason it can ef

108、fectively solve the problem of time-domain and frequency-domain limitation. It is important to search a new method that can solve the problem in linear motor driving system so as to improve linear motor servo characteris