双转子平动式啮合电机设计与特性分析

【摘要】： 平动式啮合电动机是一种通过定转子间磁阻的变化将电能转化为机械能,在平行四边形结构的约束下使转子绕定子作圆周平动,进而可直接由转子带动内啮合传动机构,利用啮合传动机构的减速作用输出大扭矩的高集成度电动机。由于该电机通过磁极直接驱动齿轮啮合机构输出转矩,提高了电机的加速度性能,同时由于齿轮啮合传动平稳、摩擦损失小,因此具有更高的使用寿命。本文针对当前已有的几种类型的平动式啮合电机中存在的问题,提出了一种新型的双转子平动式啮合电机,对其运行机理、设计特点、磁场分布、动态特性进行了系统的理论分析；给出了控制方法；设计制造了物理样机并进行了样机试验。 本文在仔细分析平动式啮合电机的结构特点和运行原理的基础上将平动式啮合电机设计内容分成磁极结构、平动约束机构和内啮合齿廓设计三大部分。列举了三大机构的实用及演化结构,并进行了结构间的性能比较。最终确定了由内、外双转子的磁极结构、偏心轴平动约束机构和渐开线内啮合齿轮机构构成的新型平动式啮合电机-双转子平动式啮合电机。 建立了新型双转子平动式啮合电机的等效磁路结构模型。根据建立的磁路模型,探讨了电机的气隙长度、磁极和绕组体积等结构参数对电机性能的影响,给出了它们之间的关系模型。利用该模型,本文首次提出了双转子平动式啮合电机优化设计方法,该方法可作为平动式电机优化设计的理论指导。 采用有限元方法建立了双转子平动式啮合电机的三维有限元磁场模型,对电机磁场分布和磁路特性进行了分析。通过获得的不同转角下的磁化曲线簇和磁场力特性,建立了磁参数库；并利用获得的磁参数库,建立了双转子平动式啮合电机的非线性动态分析模型。 为了满足实时控制的需要,在建立的等效磁路模型基础上,采用解析方法,分析双转子平动式啮合电机的动态转矩特性,建立了输出转矩与输入电压的关系模型。本文首次提出了平动式啮合电机恒转矩控制方法,采用动力学软件和控制软件对所推导的恒转矩控制方法进行了仿真分析,结果表明恒转矩控制方法能够有效的减小转矩脉动和电机的振动。 在理论分析和优化设计获得的参数基础上,研制了双转子平动式啮合电机的物理样机；设计制作了专用的驱动控制系统,可实现样机转子位置和电流的测量；并进行了双转子平动式啮合电机的加载实验。样机实验证明新型双转子平动式啮合电机的输出转矩、功率、效率和运行稳定性都较先前的平动式电机有着较大提升,为平动式啮合电机的提供了一种实用结构。