《永磁直线同步电机设计研究》硕士论文

在传统的直线驱动场合,都是由旋转电机提供原动力,再由丝杠、丝杆、齿条等中间机构转换为直线运动。这样的设置,不仅在中间传动过程中消耗了大量的能量,而且摩擦产生的噪声也非常明显,同时也给系统的维护工作带来了麻烦。直线电机的出现可以使上述问题得到解决,由于具备直接将电能转化为直线运动的能力,直线电机已经在机床驱动、集成电路组装等场合逐渐取代了传统的旋转电机的位置。自19世纪中期直线电机的概念被首次提出以来,经过孕育、实验、开发和实用这四个阶段的发展,并借助于电力电子技术,以及日渐成熟的直线电机控制技术,直线电机已经广泛应用到了制造业、交通运输业等各个方面。与旋转电机类似,按工作原理的不同,直线电机也有着各种类型,应用较多的是直线步进电机、直线同步电机和直线感应电机。其中直线步进电机更多的是应用在需要精确定位的场合,比如半导体工业;后两者则被应用在需要连续和大推力的场合,比如机床。而直线同步电机,尤其是永磁直线同步电机,凭借更大的单位面积推力、更高的效率等优点受到了更多的青睐,与此同时,由于没有了励磁绕组,电机的整个结构也得以简化。另一方面,我国丰富的稀土资源也为这种电机的发展提供了广泛空间。作为一种较为新颖的电机,目前国内仍缺乏系统化的永磁直线同步电机设计方案,尤其是电枢绕组部分。常用的方法仍是基于传统的旋转电机,例如使用双层叠绕组方案。通过对实际电机的软件模拟,我们发现这样的设计思路的表现并不能令人满意,比如造成了动子线圈槽满率过大,电机设计难以形成系列化等缺点,而电机本身输出推力的波动也较大。针对传统方案的一系列缺点,本文提出了一种新的永磁直线同步电机设计方案。该方案基于“单元电机”的概念,使用单层同心式线圈。当目标推力要求变化时,只需改变“单元电机”的数目和排列组合的方式,就可以达到改变的目的。而每个单元中的绕组连接方式则不需要改变,由此避免了繁琐而复杂的绕组设计,这就给电机的系列化设计带来了便捷。同时,单层绕组的使用也更方便嵌线,也更有利于降低铜耗,提高效率。在完成单元电机设计任务的基础上,本文利用加拿大Infolytica公司出品的电磁场有限元分析软件MagNet对电机的运行进行了模拟,并得到了电机的额定输出推力曲线和反电动势曲线,输出推力曲线较之传统方案也更平稳。体现了该设计方案的优越性。

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