磁阻式直线旋转电机设计及控制系统研究
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1
目 录
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 .......................................................................................................................... 1
§1.1 课题来源..................................................................................................................................1
§1.2 课题背景与意义................................................................................................................... 1
§1.3 国内外发展与研究现状..................................................................................................... 2
§1.4 磁阻式直线旋转电机的优缺点与直线电机的分类................................................ 4
§1.5 主要的研究内容................................................................................................................... 6
第二章 磁阻式直线旋转电机的基本原理 ...................................................................................... 7
§2.1 引言........................................................................................................................................... 7
§2.2 电机的基本结构................................................................................................................... 7
§2.2.1 产生旋转运动力矩的定子段结构............................................................................ 7
§2.2.2 产生直线运动力矩的定子段结构............................................................................ 7
§2.2.3 转子结构及直线运动原理...........................................................................................8
§2.3 磁阻式直线旋转电机数学模型.......................................................................................9
§2.3.1 磁阻式直线旋转电机产生旋转运动部分数学模型........................................ 10
§2.3.2 磁阻式直线旋转电机产生直线运动部分数学模型........................................ 16
§2.4 本章小结............................................................................................................................... 21
第三章 磁阻式直线旋转电机的设计 .......................................................................................... 22
§3.1 引言......................................................................................................................................... 22
§3.2 磁阻式直线旋转电机产生旋转力矩定子段及转子设计.................................... 25
§3.2.1 设计技术指标................................................................................................................ 25
§3.2.2 主要尺寸的确定............................................................................................................26
§3.2.3 电机主要尺寸的确定及电磁计算.......................................................................... 31
§3.3 磁阻式直线旋转电机产生直线运动力矩部分定子段设计............................... 34
§3.4 本章小结............................................................................................................................... 35
第四章 磁阻式直线旋转电机的有限元分析 ................................................................................. 36
§4.1 引言......................................................................................................................................... 36
§4.2 电机电磁场有限元分析...................................................................................................36
2
§4.3 ANSOFT/MAXWELL 软件............................................................................................37
§4.4 ANSOFT 软件基本原理.................................................................................................. 38
§4.5 ANSOFT/MAXWELL 2D 有限元分析...................................................................... 41
§4.5.1 二维瞬态分析理论.......................................................................................................42
§4.5.2 磁阻式直线旋转电机旋转运动的二维有限元分析........................................ 44
§4.5.3 磁阻式直线旋转电机旋转运动的三维有限元分析........................................ 48
§4.5.4 磁阻式直线旋转电机直线运动的二维有限元分析........................................ 52
§4.5.5 磁阻式直线旋转电机直线运动的三维有限元分析........................................ 53
§4.6 本章小结............................................................................................................................... 57
第五章 磁阻式直线旋转电机关键技术 ....................................................................................... 58
§5.1 引言......................................................................................................................................... 58
§5.2 产生直线运动力矩的轴向定、转子齿槽参数优化..............................................58
§5.3 磁阻式直线旋转电机的热性能分析...........................................................................59
§5.4 磁阻式直线旋转电机的自振荡的影响与改进措施..............................................60
§5.5 磁阻式直线旋转电机直线运动时漏磁的影响....................................................... 61
§5.6 本章小结............................................................................................................................... 62
第六章 样机及实验系统研究 ................................................................................................... 63
§6.1 引言......................................................................................................................................... 63
§6.2 样机制作............................................................................................................................... 63
§6.2.1 电机的材料特性............................................................................................................63
§6.2.2 电机的基本数据............................................................................................................64
§6.2.3 磁阻式直线旋转电机试制........................................................................................ 67
§6.3 样机系统组成......................................................................................................................69
§6.3.1 电机驱动控制器的构成............................................................................................. 69
§6.3.2 电机驱动控制器的研制............................................................................................. 70
§6.4 本章小结............................................................................................................................... 75
第七章 总结与展望 .......................................................................................................76
§7.1 本论文研究工作总结....................................................................................................... 76
§7.2 下一步工作展望................................................................................................................. 76
§7.2.1 磁阻式直线旋转电机直线运动定子段及转子的制作....................................76
§7.2.2 磁阻式直线旋转电机的改进和优化..................................................................... 76
3
§7.2.3 磁阻式直线旋转电机螺旋运动状态..................................................................... 78
§7.2.4 磁阻式直线旋转电机的系统级仿真..................................................................... 78
附录 .................................................................................................................................80
参考文献 .........................................................................................................................84
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ....................................................................87
致 谢 ................................................................................................................................. 88
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 课题来源
本课题的来源是基于上海市研究生创新基金项目《双径向磁场直线旋转步进
电机驱动器研究》（项目号JWCXSL0902），和国家专利双径向磁场磁阻式直线旋
转步进电机(专利号：2008100427463)的后续研究开发。
§1.2 课题背景与意义
（1）直流、交流电机
20 世纪 60 年代以前，在可逆、可调速与高性能的电气传动技术领域中，直流
调速系统一直占领统治地位。但是自 60 年代以后，随着电力电子技术、微电子技
术以及现代控制理论的发展，交流电气传动技术发生了日新月异的变化，尤其是
异步电动机矢量控制和直接转矩控制理论的产生及应用，使得异步电动机变频调
速系统具有了宽调速范围、高稳态精度、快速动态响应等良好的技术性能，于是
出现了交流传动取代直流传动的趋势。但是，异步电动机变频调速系统也有一些
未尽如人意之处。
（2）开关磁阻电机
正是在电气传动技术得到迅猛发展的背景下，
20 世纪 80 年代国际上产生了一
种新型交流电动机调速系统——开关磁阻电动机调速系统。它融合了新的电动机
结构——开关磁阻电动机(Switched Reluctance Motor，简称 SR 电动机)与现代电力
电子技术、现代控制技术为一体，兼有异步电动机变频调速和直流电动机调速系
统的优点，已成为现代电气传动的热门课题之一。应当指出的是，传统的 SR 电动
机作为一种新型调速系统，兼有交流、直流调速的优点，无疑具有广阔的市场前
景，但是由于异步电动机变频传动系统等经过多年的发展，占有了相当的市场份
额，已经有了极广泛的应用，加之 SR 本身也存在着诸如转矩脉动、噪音等问题，
SR 电动机要进入调速市场并占据较大市场份额，还得尚需时日。本文所设计的电
机在旋转运动及直线运动时都利用了反应式磁阻原理。
（3）步进电机
步进电机最早在 1902 年由英国人开发的。它的原始模型起源 1803 年至 1806
年间，1870 年前后开始以控制为目的的尝试应用于氢弧灯的电极输送机构中，这
被认为是最初的步进电动机。在近 30 年间，步进电动机迅速地发展并成熟起来，
从发展趋势来讲，步进电动机已经能与直流电动机、异步电动机以及同步电动机
磁阻式直线旋转电机设计及控制系统研究
2
并列，成为电动机的一种基本类型。
步进电机作为另一种数字控制系统的执行元件，应用非常广泛。近四十年来
发展十分迅速。其实这种电机从机电能量转换的物理本质来看，与普通的交流或
直流电机是一致的。但是，由于步进电机的结构和运行上的特点，使得它与一般
的交流、直流比较起来在，在分析方法、运行性能及设计计算等方面，都有不少
特殊性。本文设计的电机就是利用了反应式步进电机的原理，在电机旋转运动时，
与反应式步进电机的运行特性相似。
（4）直线电机
直线电机是一种将电能直接转化为直线运动，而不需要通过任何中间转换机
构的一种新颖结构电机。它具有广阔的市场应用和发展前景。直线电机既可以采
用交流电源，也可以采用直流电源或脉冲电源等各种电源进行工作。
直线电机的发展历史最早可追溯到 160 多年前，1840 年惠斯顿(Wheatstone)
开始提出和制作了略具雏形但并不成功的直线电机。在其后的一段时间里，由于
电机理论、工艺技术、控制技术以及应用领域等多方面的制约因素，直线电机的
发展出现了停滞。但自 1971 年以来，随着在上述制约因素领域里取得了巨大的进
步，直线电机进入了全面的开发应用阶段。这一时期世界各国出现了许多直线电
机的产品，例如前苏联生产的液态金属电磁泵。美国 Xynetics 公司生产的自动绘
图仪、法国生产的直线电机记录仪、Edwards of Enfield 公司生产的铝和有色金属
工业用的新型挤拉机。本文所设计的磁阻式直线旋转电机可以进行直线步进运动，
与直线步进电机的运动特性相似。但是，一般的直线步进电机是轴向磁场产生的
力矩，而磁阻式直线旋转电机是由径向磁场产生的电磁力。
磁阻式直线旋转电机将机械结构简单化，电气控制复杂化，符合了现代机电
技术的发展趋势。传统的滚珠丝杆给进系统由于本身结构的限制，难以满足以上
要求。它的最大特点是满足了人们对电机的多自由度运动性能提出了更高要求：
由于在直线与旋转两种运动都是步进的形式，所以有很高的驱动能力、快速进给
速度和极高的快速定位精度。
§1.3 国内外发展与研究现状
（1）步进电机
我国步进电动机的研究及制造起始于本世纪 50 年代后期。从 50 年代后期到
60 年代后期，主要是高等院校和科研机构为研究一些装置而使用或开发少量产品。
这些产品以多段结构三相反应式步进电动机为主。70 年代初期，步进电动机的生
产和研究有所突破。除反映在驱动器设计方面的长足进步外，对反应式步进电动
第一章 绪论
3
机本体的设计研究发展到一个较高水平。70 年代中期至 80 年代中期为成品发展阶
段，新品种高性能电动机不断被开发。自 50 年代中期以来，由于对步进电动机精
确模型做了大量研究工作，各种反应式及混合式步进电动机及驱动器作为产品广
泛利用。
（2）直线步进电机
我国步进电机的研究及制造起始于上世纪 05 年代后期。上世纪 07 年代以来，
直线步进电机的研究发展较快，中国科学院电工研究所、上海工业大学、西安交
通大学、浙江大学、太原理工大学等高等学校对直线步进电机进行理论研究，并
取得了许多成果。在直线步进电机应用方面成果丰富，如煤矿井口推车机、电动
门、浮法玻璃搅拌机等都获得到推广应用加。可见，直线步进电机是一种很有发
展前途的高科技直线运动驱动装置。如：叶云岳等研制了一种由直线电机直接带
动的冲压机，并已完成了 5kN、10kN、31.5kN、50kN、63kN、l00kN 几种规格样
机的研制工作，部分己投入小批量生产，效果较好。
近几年，直线电机发展十分迅速，在国外相继出现了许多直线电机研究室和
研究人员。国际上许多电气企业均在研究和开发相关产品，如美国的Koll-morgen
公司和Westinghouse公司，日本三井精机公司、松下和德国的SIEMENS公司等。随
着各种技术的进步和研究的展开，诸多高质量的直线电机产品和科研成果纷纷出
现。
1958 年，美国 Ingersol 铣床公司生产了采用永磁同步直线电机的 HVM600 高
速加工中心，最大进给速度达 76.2m/min，加速度达 l至1.5g。在 1993 年10.EMO
展览会上，仅德国 EX-Cel-O 公司一家展出直线电机产品。而在 1997 年，汉诺威
12.EMO 展览会上有 20 多家公司展出了直线电机传动装置，如德国 Trumpf 公司的
激光机床、法国 Re-naultautomation 公司的加工中心等，展出的直线电机最大速度
达150 至200m/min，加速度达 50
2
/m s
。
这些被称为最有前途的展品表明，在高速度机床的进给机构中愈来愈多的采
用直线电机。新型磁性材料和控制技术、冷却方法的出现，为应用经济高速高动
力直线电机创造了条件。如In-dramat公司研制了最完整系列的直线电机，包括无
罩壳同步直线电机，无罩壳异步直线电机和封闭式异步直线电机。直线电机的控
制系统有标准接口，可保证与各种改型的数字变换器和程序控制器的兼容性。
（3）直线开关磁阻电机
直线开关磁阻电动机（LIM）与旋转开关磁阻电动机是相对应的，可以实现高
精度、快响应、高效率以及高输出的性能指标。直线开关磁阻电机是单边激磁，
次级上没有激磁绕组，因而具有结构简单，费用较低的特点，可以通过合适的控
磁阻式直线旋转电机设计及控制系统研究
4
制策略来提供满意的电机性能。
直线开关磁阻电机系统能够产生牵引力，也能产生法向力，这两个力是互相
垂直的。直线开关磁阻电机的牵引力与旋转开关磁阻电机由于凸极效应而产生转
矩的原理类似，它的功率因数较低，效率比直线感应电动机要高，但比直线同步
电动机要低。就目前而言，直线感应电动机和同步直线电动机推进系统是正在进
入实用阶段的磁悬浮列车所普遍采用的推进系统，而直线开关磁阻电动机推进系
统由于其自身的优点，也逐渐受到各国专家的重视。
在驱动车辆的直线电机方面，尽管 LIM 发展多年，在技术上相对成熟，目前
已被多数国家在磁悬浮、地铁与轻轨车辆中采用，但是其功率因数与效率低的问
题至今难以解决。目前，虽然对于横向磁场直线磁阻电机（TFLSRM）的研究尚处
于起步阶段，但是 TFLSRM 的出现突破了传统电机设计思想，开辟了一个新的领
域。从已有的结论来看，TFLSRM 已显示了较好的前景，同时还有许多领域有待
探索。我国北京交通大学的葛宝明教授已研制出 TFLSRM 的样机。
图1-1 TFLSRM 和位置传感器 图 1-2 TFLSRM 控制器
由于本文所研究的磁阻式直线旋转电机申请了专利，国内外还鲜有研究出现。
§1.4 磁阻式直线旋转电机的优缺点与直线电机的分类
磁阻直线旋转电机结合了步进电动机和直线电动机的优点，是它们的有力竞
争者，其主要优点如下：
（1）有较大的电机利用系数，可以是感应电动机利用系数的 1.2～1.4 倍。
（2）电动机的结构简单，转子上没有任何形式的绕组；定子上只有简单的集
中绕组，端部较短，没有相间跨接线。因此，具有制造工序少、成本低、工作可
靠、维修量小等特点。
（3）转矩与电流极性无关，只需要单向的电流激励。在理论上功率变换电路
第一章 绪论
5
每相可以只用一个开关元件，而且每个开关元件都与电动机绕组串联，不会出现
像 PWM 逆变器那样电源有通过两个开关元件直通的危险。所以，其线路简单，可
靠性高，成本低于 PWM 交流调速系统。
（4）转子的结构形式对转速限制小，可制成高转速电动机。而且转子转动惯
量小，在电流每次换向时又可以随时改变相应转矩的大小和方向，因而系统有良
好的动态响应。
（5）可以通过对电流的导通、断开和幅值的控制，得到满足不同负载要求的
机械特性，易于实现系统的软起动和四象限运行等功能，控制灵活。
（6）由于采用了独特的结构和设计方法以及相应的控制技巧，它的效率和功
率密度在宽广的速度和负载范围内都可维持在较高水平。
目前已经得到应用的直线电机包括直线感应电动机(Linear Induction Motor
LIM)和直线同步电动机(LSM)，直线开关磁阻电机(LSRM)仍处于研究阶段。
直线感应电动机技术相对最为成熟，因其结构简单，单边激励，成本较小而
应用范围最广。目前广州地铁的四、五号线采用的也是直线感应电机驱动系统。
最常见的是平板型单侧定子结构，将定子部分(初级)装载车体之上，以轨道本身
作为转子(次级)。
直线感应电机具有以下优缺点：①具有较大的起动力矩而不需要附加的起动
设备，并可实现大范围的加速和减速；②具有较大的气隙(一般比普通的感应电动
机的气隙约大 10 倍)，推力随着气隙的增大而减小，功率因数和效率都比较低，
一般的功率因数在 0.5--0.6 左右，效率也只有 50%-60%，；③直线感应电动机具有
端部效应，其端部效应包括纵向效应和横向效应，特别在高速区域其端部效应特
别明显，并起到减少推力的作用；④应用直线感应电动机的磁悬浮列车需要辅助
的悬浮系统；⑤由于存在向车体的引流问题，所以不适宜应用在高速磁悬浮系统。
（a） （b）
图1-3 直线电机
磁阻式直线旋转电机设计及控制系统研究
6
直线同步电机，同步运行方式所具有的优点，逐渐引起了国内外学者对直线
同步电机的重视。同步直线电动机具有这样的一些特点：（1）采用直流励磁绕组，
具有较高的功率因数，使得激磁损耗大大减少，特别是超导磁体的应用使这一特
点更为突出；（2）对于常规的同步直线电动机，三相交流绕组铺设在地面上使得
轨道价格较高，但是降低了运行车辆的重量；（3）需要一个完整的控制系统使得
同步直线电动机在所有的速度下都能够保持同步运行；（4）同步直线电动机系统
的效率相比直线感应电动机系统要高，一般可以达到 90%以上。
从磁通方向与电机运动方向的关系上来分，直线开关磁阻电机可以有径向磁
场直线开关磁阻电机和横向磁场直线开关磁阻电机两大类。
§1.5 主要的研究内容
本文在研究了普通的磁阻式旋转电机、反应式步进电机、直线步进电机与横
向磁场直线磁阻电机的基础上，提出了磁阻式直线旋转电机的结构，并在此基础
上进行相应的研究，具体的研究内容为：
（1）基于磁阻式直线旋转电机的结构，计及磁饱和与边界条件，研究其旋转部
分数学模型，重点研究产生直线推力部分解析数学模型，确定牵引力、法向力、
电感与电机绕组电流及初级位置间的解析对应关系。
（2）参照步进电机、直线电机、磁阻电机的设计理论，提出一种磁阻式直线旋
转电机的设计方法，给出具体的设计步骤，总结电机的设计规律，并且通过
UG/NX4 软件平台设计出电机样机模型。
（3）通过 ANSOFT 软件平台，计算分析了磁阻式直线旋转电机分别在旋转、
直线两种运动形式下，电机在不同定子、转子位置下以及不同气隙下电机的磁场
分布、电机的牵引力和法向力以及电感参数的大小，并且得到了一系列的磁化曲
线，通过软件的仿真对设计的电机参数进行了校验和优化。
（4）提出了基于磁阻电机的关键技术研究，包括轴向电机齿槽比等。
（5）通过磁阻式直线旋转电机的样机及其驱动系统，验证了理论分析模型、电
机的设计方案的正确性与准确性。
摘要：
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1目录摘要ABSTRACT第一章绪论..........................................................................................................................1§1.1课题来源..................................................................................................................................1§1.2课题背景与意义............
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2025-01-09 21
作者：牛悦
分类：高等教育资料
价格：15积分
属性：88 页
大小：10.69MB
格式：PDF
时间：2024-11-19
