初級永磁直線電機及控制系統(tǒng)研究.pdf

1、初級永磁型直線電機是一種新型永磁直線電機，由于高成本的永磁體和電樞繞組均放在初級短動子，而次級長定子結(jié)構(gòu)簡單，僅由導(dǎo)磁鐵心組成。因此，該類電機不僅具有直線永磁同步電機功率密度高、效率高的優(yōu)點，而且具有直線開關(guān)磁阻電機定子結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性高等優(yōu)點，可為長距離驅(qū)動系統(tǒng)中提供一種高效、低成本的驅(qū)動方案，具有較好的應(yīng)用前景。
　　本文以磁通切換永磁(flux-switchingpermanentmagnet，簡稱FSPM)電機和雙

2、凸極永磁(doublysalientpermanentmagnet，簡稱DSPM)電機為研究對象，提出了磁路互補型、模塊化直線磁通切換永磁電機(complementaryandmodularlinearFSPM，簡稱CMLFSPM電機)和磁路互補型、模塊化直線雙凸極永磁電機（簡稱CMLDSPM電機）。研究了CMLFSPM電機的基本結(jié)構(gòu)、設(shè)計理論、控制策略等關(guān)鍵理論與技術(shù)問題。試制了實驗樣機，進行了實驗分析和驗證，為該電機在如軌道交通、高

3、層樓宇電梯、礦井提升系統(tǒng)、軍事裝備、工廠運輸系統(tǒng)等長距離驅(qū)動系統(tǒng)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，同時也為數(shù)控機床、精密儀器等驅(qū)動系統(tǒng)提供一種低成本、高性能解決方案。
　　論文主要研究成果包括以下幾個方面:
　　1.為克服現(xiàn)有LFSPM電機結(jié)構(gòu)上的缺點，提出了磁路互補型、模塊化直線磁通切換永磁(CMLFSPM)電機結(jié)構(gòu)和設(shè)計原則。在一臺12/14極FSPM電機基礎(chǔ)上，設(shè)計了一臺CMLFSPM電機，利用有限元法分析了該電機的電磁特性并與現(xiàn)有L

4、FSPM電機進行了比較研究。研究結(jié)果表明，該CMLFSPM電機不僅具有傳統(tǒng)LFSPM電機結(jié)構(gòu)上的優(yōu)點，同時還具有如下特點:三相繞組磁路對稱，三相反電動勢正弦且幅值相同，互感小，容錯能力強，定位力小，磁阻推力波動小，生產(chǎn)和加工方便（模塊化結(jié)構(gòu)）。
　　2.提出了滿足“磁通切換”原理、任意初級/次級極距比（τm/τs）單個“E”型模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計的通用原則，在此基礎(chǔ)上提出了兩類模塊化LFSPM(modularLFSPM，簡稱MLFSPM)

5、電機結(jié)構(gòu)設(shè)計的一般方法。所提出的通用原理和研究方法，擺脫了由旋轉(zhuǎn)FSPM電機直接展開來設(shè)計LFSPM電機方法的限制，不僅為設(shè)計任意極距比MLFSPM電機提供了理論依據(jù)，而且有利于理解“磁通切換”電機的本質(zhì)原理，拓寬磁通切換電機的研究范圍。
　　3.基于所提出的MLFSPM電機結(jié)構(gòu)設(shè)計的通用原則和設(shè)計方法，提出了極距比近似為1、不同結(jié)構(gòu)的MLFSPM電機，并比較了其結(jié)構(gòu)和電磁特性，選取了最優(yōu)極距比。研究結(jié)果表明極距比τm/τs=13

6、/12的電機具有較好的電磁特性，為設(shè)計極距比近似為1的最優(yōu)MLFSPM電機提供了參考。
　　4.首次揭示了極距比τm/τs=3的LFSPM電機可由一臺4/6極整距繞組的DSPM電機展開得到，分析了FSPM與DSPM電機的內(nèi)在聯(lián)系，研究結(jié)果不僅便于理解和分析極距比τm/τs=3的LFSPM電機，同時也為研究旋轉(zhuǎn)FSPM電機和DSPM電機提供了分析方法?；谒岢龅耐ㄓ迷瓌t和設(shè)計方法，提出了極距比τm/τs=3不同結(jié)構(gòu)MLFSPM電機

7、并分析比較了其電磁特性，得到了τm/τs=3時的最優(yōu)結(jié)構(gòu)，并與極距比τm/τs=13/12的最優(yōu)結(jié)構(gòu)進行比較，進一步選取了最優(yōu)極距比。研究結(jié)果表明極距比τm/τs=13/12的電機具有較好的電磁特性。所得到研究結(jié)果為根據(jù)不同應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計MLFSPM電機的極距比提供了參考。
　　5.建立了磁路互補型、模塊化直線磁通切換永磁(CMLFSPM)電機的功率尺寸方程，提出了CMLFSPM電機的主要尺寸參數(shù)的通用設(shè)計程序。以一臺τm/τs=1

8、4/12的CMLFSPM電機為例，推導(dǎo)了其輸出功率尺寸方程，并根據(jù)電機的設(shè)計要求，確定了電機的初級、次級主要結(jié)構(gòu)尺寸，永磁體尺寸及電樞繞組參數(shù)，并完成了實驗樣機設(shè)計。
　　6.推導(dǎo)了磁路互補型、模塊化直線磁通切換永磁(CMLFSPM)電機dq坐標系下的數(shù)學(xué)模型，基于MATLAB/Simulink建立了CMLFSPM電機的及驅(qū)動控制系統(tǒng)的仿真模型。在此基礎(chǔ)上分析了該電機的穩(wěn)態(tài)特性，并完成了該CMLFSPM電機在不同負載時的速度閉環(huán)控

9、制、不同位移給定是的位移閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真研究。為分析CMLFSPM電機在不同控制算法下的驅(qū)動控制系統(tǒng)性能提供了良好的仿真平臺。
　　7.構(gòu)建了基于dSPACE的CMLFSPM電機數(shù)字驅(qū)動控制系統(tǒng)。設(shè)計了驅(qū)動電路、保護電路、軟件模塊，為該類電機驅(qū)動控制系統(tǒng)的實驗驗證奠定了軟件和硬件基礎(chǔ)。完成了CMLFSPM電機系統(tǒng)的運行特性測試。對其穩(wěn)態(tài)特性、不同負載時的速度閉環(huán)控制、不同給定位移時的位移閉環(huán)控制實驗研究，實驗結(jié)果與理論分析和仿真計

10、算具有較好的一致性。研究結(jié)果表明，該類電機具有動態(tài)響應(yīng)快，速度波動小，推力及定位力小，位移誤差小，定位精度高等特點，為該類初級永磁型直線電機的進一步研究和實際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
　　8.擺脫了旋轉(zhuǎn)DSPM電機的限制，提出了磁路互補型、模塊化直線雙凸極永磁(CMLDSPM)電機的設(shè)計方法。利用有限元法分析了一臺CMLDSPM電機的電磁特性并與直接將DSPM電機展開得到的直線結(jié)構(gòu)進行了比較研究。研究結(jié)果表明，CMLDSPM電機不僅具有雙