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两自由度直驱感应电机磁耦合特性分析与动子设计

王培欣  
【摘要】:两自由度直驱电机能够直接实现旋转、直线与螺旋运动,摒弃传统的中间传动装置,具有体积小、集成度高、控制精度高等优点,在机械制造、机器人手臂、多坐标机床等工业领域具有重要的应用价值,是国内外电机专家与研究学者的研究热点。本文所研究的两自由度直驱感应电机(2DoFDDIM)采用等内外径的双定子空间相对分布,且共用一个实心动子,结构简单,体积小,具有很高的应用与研究价值。本文以2DoFDDIM为对象,研究2DoFDDIM的耦合磁场特性、磁耦合效应以及动子优化设计等一系列的关键理论与技术问题,为该电机的进一步研究和开发应用奠定基础。论文主要进行以下几个方面的研究:1.计算了2DoFDDIM旋转部分耦合磁场的分布,分析了旋转部分耦合磁场的分布与变化规律。由于2DoFDDIM定子铁心的开断结构以及旋转与直线定子的空间安装方式,在工作时会产生复杂的气隙磁场,包括有效磁场、耦合磁场与无效漏磁场,其中耦合磁场是由旋转或直线部分产生的耦合于相对部分的磁场。耦合磁场特性的分析对于2DoFDDIM磁场及其耦合的研究具有重要意义。以旋转耦合磁场为例,本文计算旋转部分耦合磁场的分布,并建立了旋转部分耦合磁场的有限元分析模型,分析了旋转部分耦合磁场的分布与随气隙长度、旋转速度的变化规律。最后建立耦合样机对有限元模型进行了验证。耦合磁场分布与变化规律的研究为2DoFDDIM磁场耦合的研究奠定了基础。2.分析了2DoFDDIM磁耦合效应,包括静态磁耦合与动态磁耦合效应对电机性能的影响。由于2DoFDDIM定子结构及其空间安装方式,2DoFDDIM内部存在着复杂的磁耦合效应,包括静态磁耦合与动态磁耦合效应。静态磁耦合指单自由度运动时通电部分对静态部分(未通电部分)的磁场耦合造成静态部分产生感应电压与电流的现象;动态磁耦合效应指螺旋运动时由于磁场耦合造成的电机性能相比于单自由度运性能的变化。其中,静态磁耦合效应会在相对绕组中产生三相不对称的感应电压、感应电流,耦合强度会随着电源频率、旋转速度的增加而提高;动态磁耦合效应会造成螺旋运动时旋转部分与直线部分相比于单自由度运动时转矩(推力)下降、速度降低、波动增加。同时通过2DoFDDIM样机实验验证了磁耦合效应的存在与三维有限元模型的正确性。3.提出了速度耦合因子来反映耦合磁场对电机速度的影响,并解释了旋转耦合因子与直线耦合因子不同的原因。针对耦合磁场造成的螺旋运动时旋转运动分量与直线运动分量相对于单自由度运动时速的降低,提出了速度耦合因子反映耦合磁场对电机速度的影响,并解释了直线耦合因子大于旋转耦合因子的原因。通过三维有限元法计算可知,旋转耦合因子随旋转速度的降低而增大,直线耦合因子随直线速度基本不变。旋转耦合因子随旋转速度与直线耦合因子随直线速度的变化规律与耦合强度随速度的变化规律相符,说明了耦合磁场强度越大,磁耦合效应对电机性能的影响越大。4.提出一种适用于2DoFDDIM的新型开槽铸铜动子结构,分析动子结构变化对2DoFDDIM特性的影响。针对2DoFDDIM采用光滑覆铜实心动子存在的动子损耗大,温升高,效率低等缺点,提出一种适用于2DoFDDIM的新型开槽铸铜动子结构,沿光滑实心动子表面轴向与周向同时开槽,槽内铸铜。通过齿槽材料磁导率与电导率的不同来改善电机磁场与动子涡流场分布,达到改善电机性能的目的。结果证明,相比于光滑覆铜实心动子,能够有效的降低动子损耗,提高电机出力,减小波动,提高电机性能;同时也验证了通过动子拓扑结构设计改善两自由度感应电机性能的可行性,为两自由度感应电机的优化设计提供新的方向。


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