動鐵式磁浮平面電機建模分析和電磁設計研究.pdf

1、磁浮平面電機通過磁場懸浮實現(xiàn)無接觸、無磨損的平面運動。與傳統(tǒng)的由直線導軌正交組合的平面運動結構相比，磁浮平面電機無需導軌支撐，機構簡單，可實現(xiàn)輕量化，實現(xiàn)高速、高加速精密運動，在高精度光刻機等高速精密裝備方面具有重要應用前景。對于動鐵式磁浮平面電機，由于線圈陣列布置于定子上，動子不存在電氣連線與冷卻管線妨礙運動的情況，電機熱量也較易散發(fā)，利于系統(tǒng)運動性能的提高。然而，動鐵式電機動子端部磁場非線性嚴重，難于精確控制計算，其實用化有待進一步

2、研究。本文對動鐵式磁浮平面電機的永磁陣列和線圈結構、力和力矩精確計算、旋轉(zhuǎn)運動控制和線圈解耦控制等方面展開研究。
　　進行了一種二維Halbach永磁陣列結構的分析設計，分析Halbach永磁陣列分段構成的特點，以永磁體尺寸和磁化方向為參數(shù)，推導了每極不同副永磁體數(shù)二維Halbach永磁陣列磁感應強度的統(tǒng)一諧波模型。提出了一種以磁感應強度z向分量基波幅值最大的方法進行永磁陣列結構設計，得到了增大推力和懸浮力并降低質(zhì)量的動鐵式磁浮平

3、面電機永磁陣列結構，降低了平面電機的功耗。分析了永磁陣列的端部磁場分布。
　　提出了使用磁感應強度諧波模型計算力和力矩的模型，推導了解析表達式，并通過分析三次諧波占總諧波的比率進行簡化。對比不同計算模型的力和力矩誤差，三次諧波主要影響力矩的精度。根據(jù)電磁力的誤差呈正弦波形變化，提出了以線圈體模型長寬尺寸為變量的優(yōu)化方法降低電磁力誤差，得到了精確、可用于實時控制的力和力矩計算模型。使用了等效磁荷模型計算力和力矩，驗證了諧波模型，分析

4、了線圈在端部磁場力和力矩的變化。
　　目前磁浮平面電機的電磁力計算均限定動子只做平面內(nèi)沿坐標軸方向的二維直線運動，而未考慮旋轉(zhuǎn)運動，其應用范圍受到限制。對此，提出了一種電機動子繞z軸旋轉(zhuǎn)的力和力矩計算模型，推導了解析表達式，對比不同旋轉(zhuǎn)角度在不同路徑的力和力矩誤差，驗證了旋轉(zhuǎn)計算模型的精度。得到的旋轉(zhuǎn)計算模型可以用于電機的實時控制，該算法為電機實現(xiàn)繞z軸旋轉(zhuǎn)運動控制提供基礎，由此擴展平面電機應用范圍。
　　分析了組成電機解耦

5、的直接解耦方法和線圈控制方法。由于磁浮動子為6自由度懸浮運動，常規(guī)dq0變換不能完全消除旋轉(zhuǎn)力矩。對此，研究了將線圈作為獨立驅(qū)動單元的直接解耦方法。由于動子陣列端部磁場非線性嚴重，為避免端部磁場影響，分析了驅(qū)動線圈的控制方法。針對現(xiàn)有控制方法未能充分利用線圈的問題，提出了對長邊方向不同的兩類線圈分別控制的方法，改進了線圈控制矩陣。新的控制方法充分利用了線圈，降低了功耗。
　　使用了永磁陣列和線圈分別優(yōu)化的方法，以提高單個線圈的效率