（电力电子与电力传动专业论文）直线电机系统的研究与开发.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t l i n e a rm o t i o ni sw i d e l yu s e di n i n d u s t r ya u t o m a t i o n w i t h o u ts p e c i a lm e c h a n i c a l a d j u s t m e n t s ，l i n e a rm o t o rg e tl i n e a rm o t i o nd i r e c t l y w i t han u m b e ro f b e n e f i t si n c l u d i n g h i g hs p e e d ，h i 曲p r e c i s i o n ，f a s tr e s p o n s e ，s t i f f n e s s ，a n dz e r ob a c k l a s h e s ，l i n e a rm o t o rw i l l h a v ew i d e a p p l i c a t i o np r o s p e c t a tf i r s t ，w ea n a l y s ea n dc o n c l u d ed i f i e r e n tk i n d so fl i n e a rm o t o r s a n d 也e 1 1 t h e p e r m a n e n tm a g n e tl i n e a rs y n c h r o n o u sm o t o r ，w h i c hi st h em o s ti m p o r t a n tp a r to ft h e d i s s e r t a t i o n ，i sp a r t i c u l a ra n a l y s e d t h ed i s s e r t a t i o nt a k e sa c c o u n ti n t ot h ee n de f f e c ta n dt h e f i e l dh a r m o n i c si nt h ep e r m a n e n t m a g n e tl i n e a rs y n c h r o n o u sm o t o ra n dp r e s e n t st h eo v e r a l l m a t h e m a t i cm o d e lf o rt h es y s t e mb o t hi na b cc o o r d i n a t ea n d d qc o o r d i n a t e t h ed i s s e r t a t i o nd e s c r i b e st h ei n s i d ea n do u t s i d ef a c t o rw h i c hc a nd i s t u r bt h ef o r c eo f t h ep e r m a n e n tm a g n e tl i n e a rs y n c h r o n o u sm o t o r ，b r i n gf o r w a r ds o m em e t h o d st ow e a k e n t h ed i s t u r b a n c e w er e s e a r c ht h ea r m a t u r e w i n d i n g s t r u c t u r eo fl i n e a rs y n c h r o n o u sm o t o l a n a l y z i n g t h eh i g ho r d e rh a r m o n i c so fa i rg a pf l u xd e n s i t ya n dt h ee l e m e n t s a f f e c t i n gm o t o r t h r u s t , s u m m a r i z i n g t h ed e s i g nm e t h o do ft h ea r m a t u r ew i n d i n gs t r u c t u r et oi m p r o v et h e t h r u s tf o r c eo fl i n e a r s y n c h r o n o u s m o t o ri ss u m m a r i z e d w ed i s c u s s t h es t a n d a r d p r o p o r t i o n a li n t e g r a t o rd i f f e r e n t i a l ( p m ) c o n t r o l l e r s f i n a l l y , t h et e s te q u i p m e n tf o el i n e a rm o t o rd r i v es y s t e mi si n t r o d u c e d ，t h er e s u l t so f s i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a t i o na p p r o v et h em a t h e m a t i cm o d e la n dt h ec o n t r o ls t r a t e g i e s k e yw o r d s ：p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u s m o t o r , c u g i u as i g n a lp r o c e s s o r ， a r m a t u r ew i n d i n g , s e r v o s y s t e m ，e n de f f e c t ，t h r u s tf l u c t u a t i o n ， d e c o u p l i n g c o n t r o l i l 独创性声盟 搴入声赘蘑璧交懿学瞧谚文跫我个人骞导辨撂警下避霉亍辩研究王 终及取褥豹研究残暴。爨我新躲，除文孛蠢经耩秘写 鬻籍蠹窖井，零 论文不包含任筒英袍个人域集体己经发表或撰蜀邈的研究成果。对本 文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 宪全意识到本声明的法簿结果皮_ 本人承担。 学毽论文作者签褒：佥颗建 交婶毒笨多秀8 舀 学位论文版权使用授权书 。 保密口，在年解密詹适甩本授权书。 笨论文属子 僦龇摊蝴?、础 学位论文律翥签名：企颖肖 指导教师签密； 7 二饧害易 斟搀毒年5 胃8 曩雳炉争攀f 鼹毽基 华中科技大学硕士学位论文 。 谍趱的凳酌被意擞 缮谂 农诲茹工攮领域率，被控瓣黎瓣运韵褥径禳往燕奁拽形式。谶雉，避杂国予畿线 遴蘩鞣麓躲没毒褥蘩蹇势熟发矮，妖麓竣袭季黎幂 瓣| 予壤冀逢潞楗魏旋转运囊，麓 上掇缓变换醛繁聪获褥最终黪蠢绒逐璐，熬然，遮释获襻赢缓运灏鼢方贰最霄“鲻接” 泌牲矮。黼 冀电磁原骥王俘豹务釉形斌熟鬣线瑰机魁提供大功率、嶷掇力的生要执行 嚣箨，潦予京斋豢接产奎将续鼙稻袋往蠹短帮箨绱煮线辘械运韵，丽零鬻审溺杭褴传 旗燮爨装凝，委瓣雀鬻惑缝济器拿部门熬盛蘑藜祭越寒熬广瓣。 数捺撬藤戆意缓交溅耩溅黍巯是誊绫迤程最热蓬煎枣庭惑寨舔a 拳争整爨骥 采，数投机床的避绘驱动拨术虽然历缎变化，傻长期以来，綦举的健动彤戏仍然是“旋 转窀橇滚珠篓程0 褥避中多颦来，戳薅效攀辩离鞲壤涛墓零符衽携离遽藏王技术 邈速蠛鼹，势或秘鋈今裁溉鳖不麟霉涟翁撵逡潮逑技术乏，疆辫耩密黼涟技术黼羧 控筏零蒜纛逶黎逡搜零麓壤震；薄嚣襄、离蘩霉、熹蕤襄黢螽麓藩数接裁褒藩豪麓方 魁，这就澍离速机床的避皴系统拖出了熨懿的要浓【i j ，即； l 。褰避藩邃蹇，爨夹遴蹬速庹运舞国：黼喇溺露。 2 。藏瀚速度，疑穴翔遮凄达猢l o g 。 3 ，离赫囊。 对予传绞的擞线避融逃绘隽试邑经搬难遥虑这楼的黼要浓，擞要熄襻凌下避映 燕 在髓缆懿“瓣裾毫褫斗滚臻熬越”搦赧遗蓊方武串，魄税输出韵旋转邂韵，搿经 遗系舞串簿装秘黎变巍臻繁骧授镤纛聱交撵，孝燮舞鼓控嚣蒙翡囊装蒜漤。蠹予孛 越襻在麓遮耱形式变抉环麓，导敬了一系溯不嶷麓鬈。酋娆馊传熟系绫的鲤发降艇， ；l 起孛鬻颦：节兹弹缝变形，搜霉蓉绽熬黔援变鬻，飘嚣系统黪磐掺捷器鬣，爨羧噬憝 1 下洚，释校变形戮是数控飘床产嫩梳械谐糠韵稚深；其次，牢间祷渤环节酾存在，增 熬了运凄绺蕊囊爨，奁不瓒麓系缀熬太蘩辩靛蘩嚣下会整装绞黪逮度、夔黪璃痿变攫， 蝗漕般救犬倍数又会馒累筑熬稳窀性交差，较大静放大倍数可艇搜燕统不稳患；幽予 制渣覆笈瓣鼹割，中勰传动环节举霹避免鼬受到嬲骧瑟髫、瘴攘以及弹投黪璃，缆系 统簿线德灏豢蹭魏，使避痧提蕊系统韵耩度交褥很困难+ 另豁，辩前礴虢翁传动方 华中科技欠学磺士学位论文 式所麓逮越黪畿舞避绘逮篷餮辫漶囊瞧麓麓蔫逮糍王筑鬻袋趱麓菸运m 受了壤狡上述难巷+ 潦惩超离逮勰王嚣嚣簧，孳豫审耀嚣节爱变获臻节蠢蔗势在 必挂。遮藏傻搭静崭灏的避给传动方式蛊线倒暇电桃挖制系缭应运麟生，它嫩用 豢疲惫稳畿按繇韵系统，漱溃丁瓤奄撬戮王豫螽之褥静弼孛辩转凄耀节，愁秘窳逐 鲶捷耪镳豹长霾缩短舞零，嚣蠢 ：运释传秘方式被称豫“蕊接驱动”d i r e c td r i v e ， 黧连瞧蠢a 髂之蔻8 零囊戆”器 。箕稳熹最；2 l 。篡蠢姥馋燧旋转电机大褥多鲍速发摊宓珏速度。矬蜜嬲鳆线或躺躁鹘糕瓷搬工孵， 菇透囊辘滚蕤爨蛮楚藤遮瓣鞍藏翡瓣、减遥凄；豢舞蠢逸1 0 9 ，煮稼绫麓转晦蕊瓣 蛰 3 0 嵇，激予翔藏遂菠大，靛率蒜，窝际谶褥鹣辙菇逮赛瓣遮2 ( r ) m m i n 。 2 。罴垮耀镄璐繇蕊，不毒巍黪擦豢臻、笈爨游菰等斑鞭，缳轳鬻攀，鬻黎控莓& 寒念长。 3 ，戮瞧好，璐恣特经好，簧褥蕊耪蘩赛穰建敲耱赛懿褥舞了箍惑。 4 ，嚣程鬣魔举受隈涮，并霹糕个莲予程全长上蜜装穗鞴多个工襻台。 1 + 2 墓线照魏触发袋橼况翱越势 赘器上逡嚣熊转强辊嚣不久，旒滋璃了赢绫魄梳酌缀繇。箕激翠可秘邋獭辩1 8 4 0 帮w h e a l s t o n e 麟掇凑骜粼露瓣醛爨箍澎蕊簿琴袋穗懿童线露甄。蘸黪鼗囊今，鑫露遴 1 6 0 每瓣发震历史。褒线壤辍躺袋袋臻袅丈鼗磷激努垮馘下三令瓣段辩 ： 1 2 ，l 攥豢谶疆靛疆( t 8 4 0 1 9 5 5 肇 筑t 8 4 0 攀裂1 9 5 5 攀懿t 1 6 攀辫瓣，壹缝惑撬鼹浚罄戮实验嚣錾鼯分实验瞧纛鬻， 缀魇了令幂颟撩素、溪遴失效瓣潦秘。1 8 9 0 箨，焚瓣嚣鼗餐意搿嫒癸确避疆穗了畿 黢感糗致疑惑鲍专靛卜游豢缝懿敬攫曼l 农织零裁瓣攘子主，程羟滚鼗蟥襞缓2 蛰爹攀 抟颟强努力蓐，最褥箱米黼获褥成功，不过，辩帮黎为了获褥彀梭子应耀褥甄妙构思 鹣详多番释黟式勰黢臻巍髓，帮强藤繁将崧羲癍溺裂簇窀璐客羹建了基骥，爨细瞧磁 炼熬戮爨秘窝逮麓攀麓穗瓣簿。献1 8 4 0 津粼1 9 3 0 率蔫繇，怒盎缄穰蓼i 孕育帮凑芽辩 黔羧t 这个黪段，鼹然太躺煮诲多辩懿设想，簌瓒谂主t g 激了诲拳深远，整盎予竣霄 歇窿疆上去论证这一弼蘧谂，；l 至予漪不少矗缄嘏辍方谣瀚掇壤瀚浚骞囊燕滚清楚， 诲多好静设想帮没溅纣诸嶷撩。 获i 嬲蛰霉餮1 9 4 0 棼麟瓣，蕊藏窀辍潦a 了察骚辩究除段，森滤伞除莰审，辩礴 ： 华中科技大学硕士学位论文 人员埋头致力于将直线电机理论及各种设想模型予阻证实的工作，并获取了大量的实 验数据，从而对已有理论有了更深一层的认识，奠定了直线电机在今后的应用基础。 从1 9 4 0 年到1 9 5 5 年期间，世界上一些发达国家的科研人员在实验的基础上， 又进行了一些实验应用工作。如美国西屋电气公司研制成功了电力牵引飞机弹射器： 美国制成了用作抽吸液态金属的电磁泵等。 1 8 4 0 年到1 9 5 5 年是直线电机探索实验和部分实验应用阶段，在直线电机与旋转 电机的相互竞争中，由于直线电机的成本和效率方面没有能够战胜旋转电机，以及直 线电机在设计方面也没有突破性的成功，所以，直线电机在这一时期始终未能得到真 正的应用。 1 2 2 开发应用阶段( 1 9 5 6 1 9 7 0 年) 自1 9 5 5 年以来，直线电机进入了全面的开发阶段。这个时期，可以说是直线电 机的“文艺复兴时期”。特别是该时期的控制技术和材料的惊人发展，更加助长了这 种势头。在这段时期中，申请直线电机专利的件数也开始急速增加，直线电机专利的 增长率超过了所有其它技术领域的平均增长率。 到了1 9 6 5 年以后，随着控制技术和材料性能的显著提高，应用直线电机的实用 设备被逐步开发出来。例如采用直线电机的m h d 泵，自动绘图仪磁头定位驱动装 置、电唱机、缝纫机、空气压缩机、输送装置等。 1 2 3 实用商品阶段( 1 9 7 1 年至今) 从1 9 7 1 年开始到目前的这个阶段，直线电机终于进入了独立的应用阶段，在这 个时期，各类直线电机的应用得到了迅速的推广，制成了许多具有实用价值的装置和 产品，例如直线电机驱动的钢管输送机、运煤机、起重机、空压机、冲压机、拉伸机、 各种电动门、电动窗、电动编织机等等。 在这个时期，直线电机领域的研究人员通过对直线电机在历史发展中多次起落的 分析，终于找到了一条适合直线电机自身发展的道路，直线电机的开发和应用趋向成 熟。同时，随着直线电机的迅速发展，对直线电机技术人员的需求大大增加，也促使 了世界各国越来越重视直线电机人才的培养和教育，在德国、法国、英国甚至瑞士、 瑞典的大学里，都设有直线电机专业课和直线电机研究室。 3 华中科技大学硕士学位论文 1 2 4 国内外直线电机技术发展状况 目前，直线电机及其驱动器的生产技术和应用技术在工业发达国家正处于发展阶 段，并作为一种崭新的进给方式呈现出极大的生命力，西方国家已有十多个著名的公 司生产不同种类和型号的直线电机及驱动器。 美国a n o m d 公司是国际上最大的直线电机供应商之一，从8 0 年代初开始自行研 制直线电机，主导产品是正弦波永磁交流直线电机和方波无刷直流直线电机，其应用 的典型实例是2 0 世纪9 0 年代为美国i n g e r s o l l 铣床公司生产的高速卧式加工中心 h v m 8 0 0 和x ，y ，z 轴均采用永磁式同步直线伺服电动机驱动的h v m 6 0 0 。其最大 进给速度为7 6 2 m m i n ，加速度a - ( 1 1 5 ) g 。这轰动了当时的国际机床界，被誉为是 世界机床技术的新高峰。 美国的k o l l m o r g e n 公司是世界上著名的工业运动控制厂家，其提供的永磁式直线 伺服电机有两大类型。一种是动子无铁心结构，具有极高的动态性能，在速度低于 6 0 p a n m i n 时仍能平滑运动。另一种是动子有铁心结构，可获得高达8 0 0 0 n 推力。由 于永磁体采用了模块化设计，定子的长度可根据用户需要加长，可达到1 0 0 0 m m 以上， 最高速度可达3 0 0 m r a i n 。 日本三井精机公司生产的高速工具磨床，采用直线电机驱动z 轴，其上下移动的 频率可达4 0 0 次m i n ( 行程为2 5 m m ) ，最高加速度为2 3 9 。 日本s o d i e k 公司将直线电机应用于电火花机床，推出了装配直线电机的a q 系列 电火花成形机和线切割。可在o 0 0 0 1 m m 的控制当量的条件下将轴的运动速度提高到 3 6 m r a i n ，最大加速度达到1 2 9 。这样的技术指标使得新一代的电火花成形机兼具了 高速度和精加工的综合条件，使电火花成形加工的性能有了较大的提高，在电加工界 引起了很大反响。 德国s i e m e n s 公司的永磁式直线同步电机最大移动速度可达2 0 0 m m i n ，最大推力 可达6 6 0 0 n ，最大位移5 0 4 m m ，适用对象为高速铣床、曲轴车床、超精密车床、磨床、 激光车床等。 其它生产厂家还有l n d r a m a t ，a e r o t e c h 和f a n u c 等。 总的来说，作为高速加工中心的新一代的直线电机伺服技术，在国外已进入工业 应用阶段。但国内直线电机的研究和应用尚处于起步阶段，大多数研究停留在仿真和 试验阶段，试验数据非常有限，缺乏对比资料和生产经验，与国外相比差距很大【3 】【4 l 【5 。 一些大专院校和科研院所，如沈阳工业大学、清华大学、广东工业大学、华中科技大 学等都在开展直线电机相关基础技术的研究。 华中科技大学硕士学位论文 3 盔线毫橇伺骚驱动系绫麓发震概嚣和趁势 直线呶机伺服驱动系统包括功率部分、控制部分和检测部分，其发展主要依赖于 微处理器、电力电子器件、检测元件和控制域论的发展。 徽楚瑷器静发震佼驱动器实现交流诧、数字纯、软俘仡帮智钷纯，把饲辙驱动器 雄自数字化发震毂裁除段，馒饲鼹系统控毒嚣豹实现手段发生了搬誊蠼的交织。第一 代微处理器始予i n t e l s 0 8 0 系列，后来随实时控制需求的增长，又出现了诸如8 0 5 l 和 8 0 9 6 系列微处理器。近年来，一大批高耥微处理器已经被开发出来，包括数字信号处 瑾器、简张指令系统计算箍理器等等。与传统镦楚理器褶眈，新一代徽处理器酌性能 大大提嵩了，它翅熬主要特薤楚：多蓉线系绞提裹了黉输速发；撂令穰数嚣嵩逮缓净 奄存器适予流水线作业；简单攒令系统有助于岗效编译。d s p 是种高速的微处理器， 熟最大特点是运算速度快，其黼速处理能力可以满足电流环实时控制的要求，并且可 以采用先进的现代控制策路，获得受高的控制性能，更完善的功能。d s p 的品种主要 商曩公司靛t m s 3 2 0 系列，a d 公镯熬a d s p 2 1 0 0 系列，m o t o r o l a 公蠲翡d s p 5 6 0 0 0 祭歹4 釉a t & t 公司的d s p 3 2 系列【7 j 。 电力电子器件是组成大功攀电予装置的核心，对整个装黉的性能、体积、质摄和 价格都有裰大的影响。从6 0 年代末晶闸管( s c r ) 出现开始，静种不同功能和种类的电 力电予器移不精推出，铡鲡控栽极胃关载晶鬻管( g t o ) ，双微登大功率器俸蓉( b j t ) ， 功率m o s 场效废最然管( m o s f e t ) ，绝缘搬双极型晶体管( i g b t ) ，静态感纛燕髂警， 静态感应晶闸管等。而新一代的智能功率模块( 口m ) 是集功率器件i g b t 、驱动电路、 枪测电路和保护电路于一体，实现过流、短路、过热、欠压保护，从而使装麓体积缩 小，帮靠搜提高潮。 衣饲照系统中，舞要实时的对崴滚、速度与位爨进抒检测，霉将检测篷送行误差 校正或供给反馈校正，其梭测的精确度直接影响着系统的精度和性能，因此对检测元 件要求；工作可靠，抗干扰性强，使用维护方便，适应工作环境，满足测量精度和响 寝速度的要求，：箨置成本低。 壹线电规饲受驱动系绞兹控割方法多转多样，霹鞋嘏据实际系统静簧求鞠条件逮 行选择，主要可分为：传统控制方法( p i d 控制、s m i t h 预估控露方法、解耦控制等) ， 现代控制方法( 模型参考囱适应控制、滑模变结构控制、鲁棒控制、预见控制等) ， 戳及最新的h 。控箭和智能控帝等弼。 5 华中科技大学硕士学位论文 1 4 本文的主要研究内容 本文的主要研究内容如下 ( 1 ) 对各种直线电机的分类和特点进行了归纳和分析，并重点对永磁同步直线 电机进行了较为详细的分析，在考虑端部效应等非理想条件的状况下，建立了在a b c 坐标系和d q 坐标系下的数学模型。 ( 2 ) 根据直线电机的控制特点和要求，对比分析了几种常用解耦控制方法和电 流控制p w m 调制技术。 ( 3 ) 在电机设计方面，研究了直线电机初级绕组，给出了削弱电机空间谐波和 齿谐波的绕组设计方法，并对直线电机的动子铁芯和长次级的设计进行了探讨。归纳 分析了永磁同步直线电机产生推力波动的内部和外部因素，提出了从电机设计和电机 控制两方面进行改善的方法。在电机控制方面，分析了p i d 调节器的优缺点，并简要 介绍了两种常用的控制方法。 ( 4 ) 最后得出实验结果和分析，并对研究内容加以总结。 - 一-一 6 华中科技大学项士学位论文 2 直线电机 本章主要介绍了直线电机的结构、分类和特点，并以永磁同步直线电机( p m l s m ) 为例，分析介绍了其基本工作原理和结构特点。 2 1 直线电机的分类及特点 直线电机是直接产生直线运动的电磁装置。它可以看成是从旋转电机演化而来 的，设想把图2 1 中的旋转电机沿径向剖开，并将圆周展开成直线，就得到了图2 2 中的直线电机。 r 囡园困围困团f 二二二二二耍三二二二= 图2 - - 2 圈2 一l 图2 1 旋转电机图图2 2 直线电机示意图 旋转电机的径向、周向和轴向，在直线电机中对应地称为法向、纵向和横向。旋 转电机的定子和转子，在直线电机中称为初级和次级。直线电机按初级与次级之间的 相对长度来分，可分为短初级和短次级；按是初级运动还是次级运动来分，可分为动 初级和动次级。次级一侧安放初级的，称为单边型，次级两侧都安放初级的，称为双 边型。 直线电机按其结构形式主要可分为扁平型、圆筒型( 或管型) 、圆盘型和圆弧型 四种，此外，还有一些特殊结构。 扁平型直线电机为扁平的矩形结构，是直线电机中最基本的结构，应用也最广泛。 把扁平型横向卷起来，就得到了圆筒型，其优点是没有绕组端部，不存在横向边缘效 应，初级的支承也比较方便，缺点是铁心必须沿周向叠片，才能阻挡由交变磁通在铁 华中科技大学硕士学位论文 心中感应的涡流，这在工艺上比较复杂，散热条件也比较差。 所谓圆盘型直线电机，即该电机的次级是一个圆盘，不同型式的初级驱动圆盘次 级做圆周运动；所谓圆弧型直线电机，就是将扁平型直线电机的初级沿运动方向改成 圆弧形，并安放于圆柱形次级的柱面外侧。圆盘型和圆弧型的运动形式与旋转电机非 常接近，但是具有下述优点：力矩与旋转速度可以通过多台初级组合的方式或通过初 级在圆盘上的径向位置来调节：无需通过齿轮减速箱就能得到较低的转速，因而电机 噪声和震动很小。 直线电动机按工作原理分类，可以分为交流直线感应电机( l i n e a ri n d u c t i o nm o t o r s l i m ) 、交流直线同步电机( l i n e a rs y n c h r o n o u sm o t o r s l s m ) 、直线直流电机( l i n e a r d c m o t o r l d 岣和直线步进( 脉冲) 电机( l i n e a rs t e p p e r ( p u l s e ) m o t o r s l p h d 、混合 式直线电机( l i n e a r h y b r i dm o t o r s l h m ) 等，图2 3 表示了其分类【4 】。 图2 3 直线电机的分类 一_ 8 华中科技大学硕士学位论文 直线伺服系统中的驱动电机以永磁直线电机和直线感应电机为主。 永磁直线电机和直线感应电机各有其优缺点。永磁直线电机的优势在于：每单位 尺寸更大的出力；发热少，冷却要求低，长次级不需冷却。缺点在于：永磁体产生的 强磁场使其安装和操作较困难；永磁磁场吸引铁屑，实际加工时排屑困难，电机必须 加密封以防止铁屑阻塞气隙或进入运动副中；需通过位置传感器对电机进行电流换向 控制：永磁体有可能退磁。直线感应电机的优势在于；其次级结构简单，安装、维修 和除屑容易。因为不使用昂贵的永磁体，在长行程( 如传送装置) 的应用场合有降低 成本的可能性。缺点是采用电激磁，因此效率低，发热大，次级也需要冷却；气隙公 差严格，通常只有o 1 m m ，工艺性差，加工成本高：需要复杂的矢量变换技术，控制 算法远比直线永磁电机的控制算法复杂川。 虽然直线永磁电机和直线感应电机各有优缺点，但目前看来，永磁直线电机的优 点更多。特别是随着钕铁硼( n d f e b ) 等高磁能积、高矫顽力磁性材料的出现，直线永 磁电机的优点更加明显。所以永磁直线电机更适合用于直线伺服单元驱动，下面就以 永磁同步直线电机( p m l s m ) 为例，说明其结构和基本工作原理。 2 2 永磁同步直线电机的结构和基本工作原理 永磁同步直线电机( p m l s m ) 是在定子( 即次级) 上，沿全行程方向的一条直 线上，一块接一块交替的安装n 、s 永磁体( 永磁材料为n d f e b 钕铁硼) ，而动子( 即 初级) 下方的全长上，对应的都安装上含铁心的电枢绕组( 永磁同步旋转电机则是转 子上安装永磁体，而定子中含有电枢绕组) 。动子带电缆一起运动，光栅尺安装在定 子上。如图2 4 所示 d 佃叫口 电枢 iaa66coaabdccj i 冈冈冈冈冈冈冈冈冈冈冈冈i i 铁轭 、啄d体j 图2 4 永磁同步直线电机结构图 直线电机不仅在结构上与旋转电机相类似，而且工作原理也是相似的。如图2 5 所示为永磁同步直线电机工作原理示意图。 9 华中科技大学硕士学位论文 j _ 图2 5 永磁同步直线电机工作原理示意图 在这台直线电机动子的三相绕组中通入三相对称正弦电流后，同样会产生气隙磁 场。当不考虑由于铁心两端开断而引起的纵向端部效应时，这个气隙磁场的分布情况 与旋转电机相似，即可以看成沿展开的直线方向呈正弦分布。当三相电流随时间变化 时，气隙磁场将按a 、b 、c 相序沿直线运动。这个原理与旋转电机的相似，但二者 的差异是：直线电机的气隙磁场是沿直线方向平移的，而不是旋转的，因此，该磁场 称为行波磁场。显然，行波磁场的移动速度与旋转磁场在定子内圆表面上的线速度是 一样的，即为v s ( m s ) ，称为同步速度，且有v s = 2f x 。对于永磁同步直线电机来说， 永磁体的励磁磁场与行波磁场相互作用便会产生电磁推力。在这个电磁推力的作用 下，由于定子固定不动，那么动子( 即初级) 就会沿行波磁场相反方向作直线运动， 其速度为v ，。 2 3 直线电机的边端效应 直线电机与旋转电机虽然有许多相似之处，但在结构上有相当大的差别，前者的 铁心不像后者那样具有闭合圆环的形状，而是长直的、两端开断的铁心，由于铁心及 安置在其槽中的绕组在两端不连续，所以各相之间的互感就不相等。这种现象称之为 直线电机的端部效应 4 j 【8 】。 端部效应又可分为纵向端部效应和横向端部效应，纵向端部效应又可细分为静态 端部效应和动态端部效应。 静态端部效应是由于铁心开断及各相绕组互感不对称所引起的：动态端部效应是 由于直线电机初级和次级之间有相对运动而产生的。因为动态端部效应使气隙磁密的 分布发生畸变，从而引起磁链更加不对称，使静态端部效应加强。此外，端部效应还 会引起电机附加损耗，降低电机效率和输出推力。由于纵向端部效应的影响，使直线 电机的磁场不是纯粹前行的行波磁场，而是具有前进、后退、脉动3 个分量，这种影 华中科技大学硕士学位论文 响导致电动机工作特性的恶化。 横向端部效应是由于边缘磁通端部、连接磁通和次级纵向电流分量相互作用产生 的。其主要影响是：使等值的次级电阻率增加：产生侧向不稳定的偏心力作用 在次级上。 2 4 直线电机的品质因数 对于一台普通旋转电机，我们常拿效率、功率因数、输出功率重量比或损耗等参 数，来评价该电机“性能好坏”的指标。但对于直线电机，特别是力电机，传统的评 价旋转电机“性能好坏”的标准不完全适合于它，应该有直线电机自己的衡量标准， 这就是由莱斯韦特( l a i t h w a i t e ) 提出的品质因数，它对衡量直线电机的品质是一个方便 的方法，有若干种方法来定义品质因数g 【9 】 1 0 1 。 其中一种品质因数定义为 g ：益 r 2 式中x 。为激磁电抗，r 2 为次级电阻。 2 5 直线电机与旋转电机的参数与公式的比较 旋转感应电机直线电机 转速n = ( 1 一s ) n ，速度v = ( 1 5 ) v ； 同步转速 ，= f p同步速度匕= 2 r f 转差率s = ( h ，一n ) n ，转差率5 = ( v ；一v ：) v 。 转矩r牵引力f n t 一特性曲线v - f - 特性曲线 最大力矩 。最大牵引力e 电压u v 电流， 功率因数c o s p c o s o 效率口 刁 功率p = 丁 p = f v 嘉径d长度l 。= 2 尸r 极数2 p 2 口0 l 华中科技大学硕士学位论文 3 永磁同步直线电机数学模型 直线电机的运行原理与旋转电机一样，都是利用导电体在磁场中受到电磁力的作 用这一基本原理，这样，直线电机的运行速度、运行距离分别与旋转电机的转速、角 位移相对应，而旋转电机的旋转磁场、转矩在直线电机中分别变成了平移磁场和推 ( 拉) 力，因此，在分析直线电机时，可以利用现有的对旋转电机的研究成果，将直 线电机的一些物理量“折合”到旋转电机的方程中去。 为了简化分析，我们现作如下假设：( 1 ) 磁场沿气隙正弦分布；( 2 ) 磁饱和效应 和涡流损耗、磁滞损耗可忽略不计：( 3 ) 不考虑温度和频率变化对电机的影响。 3 1 永磁同步直线电机的电枢磁链方程 设直线电机三相绕组的电流和磁链分别为i 。，i b ，i 。和i f 。，v 。，三相绕组 的自感系数和互感系数分别为l 。，l 砧，l 。和m 曲，m 。，mb 。，m b c ，m 。，m 曲；永磁体 的等效电流为if ；三相绕组与励磁绕组之间的互感系数为m l f ，m b f ，m c f 。不考虑阻尼 绕组时，赢线电机三相绕组的磁链方程为【l l j ： 针隧纠 i ； + m m h m d ( 3 1 ) 1 当考虑端部效应，直线电机三相绕组之间的自感系数和互感系数以及与励磁绕 组之间的互感系数均不对称时。 三相绕组的自感系数为【1 2 】f 1 3 】； f k = k o + 乞2 c o s 2 上= l o + l b b 2 c o s 2 e 2 ( 3 2 ) 【k = k o + k 2c o s 2 8 3 三相绕组的互感系数为： m 曲= m 铀= 一m 曲b + m 曲2 c o s 2 e 3 m 如= m 曲= 一 f 6 曲+ m 6 。2 c o s 2 0 ( 3 _ 3 ) m 。= m 。= 一m 。o + m 。2 c o s 2 0 2 三相绕组与励磁绕组之间的互感系数为： 1 2 华中科技大学硕士学位论文 i m 矿= m 扣= m 口，o c o s 目 屹= m p = m y o c o s 岛 ( 3 4 ) i m 盯= m 自= m 矿o c o s 0 3 式中，e 为d 轴与a 轴的夹角，如图3 1 所示，假设6 为d 轴与a 轴的初始夹角。 a 为a 、b 两相绕组轴线间的电气角，b 为a 、c 两相绕组轴线间的电气角，再将行 波磁场的直线速度“折合”为旋转磁场的角速度，m ，为折合的。“机械角速度”，有 。r _ v t ，；为折合同步“角速度”，有；- n p ，r 为极距，则有，e = u 。t + 6 ，02 = e q ，03 - 0 + 1 3 。 a b e 坐标系到d q 坐标系的p a r k 变换1 1 4 ，按幅值不变原理得： y i d q 0 = k ( e ) v 曲c ( 3 5 ) k ( 口) ：2 c o s 口 一s i n 口 c o s 良 一s i n 良 l 2 c o s 良 一s i n 反 ( 3 6 ) 式中，。= 阮妒。y 。】r ，。= 砂。y 。y 。r ， 1 王，d 、vq 、k 0 0 和1 王，a 、l i ，b 、 t l s 。分别为d q 0 和a b e 坐标系下的磁链分量。 a 图3 1d q 轴与a b c 轴夹角示意图 从d q 0 坐标系到a b e 坐标系的逆变换为： i a b c 2 k “( e ) i d q o( 3 7 ) r c o s s i n p 1 k 1 ( 护) = fc o s 0 2 一s i n 臼2 1 f ( 3 8 ) l c o s 岛一s i n 0 31 j 一一_ l3 华中科技大学硕士学位论文 式孛，k 。蠡t f ，i 。，i 。藩龇坐标蓉下秘电溅分量，? 婶x ki 。奄f ， i d ，i 。，i 。为d q o 坐标系下的电流分鬃e 将式( 3 1 ) 昶式( 3 7 ) 代入式( 3 5 ) ，褥： 矿d 妒p 将式( 3 6 ) h 麓列m ，k m i 弋根叫 = 联8 ) la 屯* ，“圆。枣( 移x ll蚝kll ( 3 ，9 ) 置悔拳牛k 铲翻 强t o ， 置( 8 l l 岛女a 炙 t “ 挣) i 却。一l ，。h ? | ( 3 ) l 蚝掰拈k | 。”。 其中，a 和d 分别为d 糖靼q 轴购自感蓉数，b 翔c 癸别为d 糖秘q 辘匏互感系 a = 焉c o s 毂。十焉c o s 2 ( 0 + 敬2 ) + 五c o s 4 ( 0 + 敬4 ) ( 3 。1 1 ) 嚣= 岛s i n o b o + 墩s i n 2 ( o + 以2 ) 十b 4s i n 4 ( 0 + 以4 ) ( 3 。1 2 ) c = gs i n 。+ gs i n 2 ( 0 + 是2 ) + os i n 4 ( 6 + 如4 ) ( 3 i 3 ) 移= 甄c o s 牛逸c o s 2 ( 8 + & 2 ) + 马c o s 4 ( 8 + ( 3 | t 4 ) 澍理，罐褥： 删阱钳， 式中，e 和f 分辅为翩磁绕组麓d 轴和q 轴的甄感系数： e ；岛s i n + 毛s i n 2 ( 0 + 壤2 ) + 毛s i n 秽牛壤4 ) ( 3 1 5 ) ( 3 1 6 ) f 。曩s i n & 。五s i n 2 ( 8 + 颤2 ) + 曩s i n 4 ( 0 + s 4 ) ( 3 。1 7 ) 豳此，得到绕缎不对称时的永磁同步直线电机的磁链方糕为： 阱墨北 十 舢 式皆，a i ，趣，c l ，珐，琏，f i 帮ea lo 戳，8 鞭，8d ；，8 i ，8 斑毙浚谐滚瓣 1 4 ，；， 衙鼬鳓 华中科技大学硕士学位论文 幅值和初始相位，由相应的自感系数、互感系数、磁场的谐波成分及其不对称程度决 定，i = o ，2 ，4 。 式( 3 1 8 ) 说明，当直线电机三相绕组不对称时，d 轴和。轴的自感系数和互感系 数不再是常数，含有谐波分量，并且d 轴和口轴之间存在耦合 2 当三相绕组完全对称时，有q = 1 3 = 1 2 0 。 由于直线电机三相绕组之间的自感系数，互感系数以及三相绕组与励磁绕组之间 的互感系数对称【12 1 ，有： 将其代入化简，得： 上埘o = l b = 上o 上瑚2 = l b b 2 = l 2 m = 气o = m 。o( 3 1 9 ) 朋： 2 = m k 2 = m 。2 m i o = m 矿o = 蚴o i a = l e 涩： 【d = l q x e 2 m 可o i f 【 f = 0 式中，l d 和l q 为是通常的d 轴和q 轴电感，为常数。 将式( 3 2 0 ) 和( 3 2 1 ) 代入式( 3 1 8 ) 得三相绕组完全对称情况下， 机的磁链方程： 阱 l 黜 + 。 3 2 永磁同步直线电机的电压方程 ( 3 2 0 ) ( 3 2 1 ) 永磁同步直线电 ( 3 2 2 ) 正方向规定为：电压正方向为电压降低方向：电流正方向为高电压流入，低电压 流出方向；磁势和磁链正方向与电流正方向符合右手螺旋定则；电压与电流正方向一 致。则直线电机的电压方程为1 5 】【1 6 】d 7 1 ： “m 。= r i o b 。+ p 。( 3 2 3 ) 一- 1 5 华中科技大学硕士学位论文 式中，“。= k 。r ，。= 阮虬】，p - - - - d d t ，为微分算子。 a b c 坐标系下的电压方程，经p a r k 变换，得到d q 坐标系下的电压方程： j2 - = r i d + p 一q y 9 ( 3 2 4 ) 【。r i q + p + 皱 当直线电机三相绕组不对称时，适用方程式( 3 1 8 ) ，将式( 3 1 8 ) 代入式( 3 2 4 ) ， 得到永磁同步直线电机的电压方程为： f = r i d + p 陋( 工) i f + ( z ) + b ( x ) 。卜织【c ( x ) + d ( x ) + f ( x ) i f i “。= r i q + p 【c ( x ) + d ( z ) 。i q + f ( 工) 0 j + q 陋( 工) i f + 爿( 工) i d + b ( 工) + i q j ( 3 2 5 ) 式( 3 2 5 ) 说明，直线电机d 轴和q 轴之间存在强耦合。 当直线电机三相绕组对称时，适用方程式( 3 2 2 ) ，将式( 3 2 2 ) 代入式( 3 2 4 ) ， 得到永磁同步直线电机的电压方程为： 髂u a = 太r i , f + p ( g f i q + p c l q + i q 墨笛麓j g z s ， 【“g = 太) + 皑( y ，+ 厶) 在d q 坐标系上的三相永磁同步直线电机的矢量图为： 图3 2 三相永磁同步直线电机的矢量图 1 6 华中科技大学硕士学位论文 3 3 永磁同步直线电机的电磁力和运动方程 永磁同步直线电机的输入总功率在a b c 和d q 坐标系下为： p = u a 4 - u b i b + z i c = - 三( u d 4 - “。i q ) ( 3 2 7 ) 电机的电磁力为： 三3 。3 n p 麓z ；磐i ：z ! 嚣1 2 i a i q 2 c s 瑚， = ( 厅r ) 矿矿g + ( 岛一上q ) 。 式中，f 为电磁力，m 为极对数，t 为极距。 在理想情况下，即直线电机三相绕组对称，气隙磁场均匀分布，感应反电势呈正 弦波时，可以认为d - q 轴电感相同( 厶= 乞) ，则式( 3 2 8 ) 可以化简为： f = 专i i n ，q ( 3 2 9 ) 电机的机械运动方程为： f = 兀+ 鼠v4 - 埘p v ( 3 3 0 ) 式中，f l 为负载摩擦力，v 为机械运动速度，b ，为与速度有关的阻尼系数，1 1 1 为 运动部分的质量，p 为微分算子。 一 l7 华中科技大学硕士学位论文 4 直线电机绕组设计 旋转电机的定子为直线电机的初级，在永磁同步直线电机中为带绕组的动子；旋 转电机的转子为直线电机的次级，在永磁同步直线电机中为安装永磁体的定子。直线 电机的绕组同旋转型交流电机的绕组一样，按相数可分为单相绕组、两相绕组、三相 绕组和多相绕组；按槽内安放元件数可分为单层绕组、双层绕组和单双层绕组；按每 极每相所占槽数可分为整数槽绕组、分数槽绕组l l 。 在旋转型的交流电机中，对于每极每相整数槽绕组和部分的每极每相分数槽绕 组，只要性能上能满足要求，都可以由单层绕组来构成，工艺上也不会存在什么问题。 但是在直线电机中，情况就不一样。因为直线电机的铁心不像旋转电机那样是一个闭 合的圆环，而是长直的两端是开断的铁心，对于每极每相整数槽绕组和部分的每极每 相分数槽绕组虽可以由单层绕组来构成，但绝大部分绕组存在着工艺性较差，沿铁心 长度上绕组端部分布不均匀等缺点。这既不利于绕组端部的散热，也不利于各相绕组 阻抗的对称性。 单层绕组的优点是铁心利用率好，两头的绕组不会产生附加的高次谐波。然而一 般的单层绕组高次谐波含量较大，故往往采用双层绕组，但对于双层绕组来说，由于 直线电机的铁心是长直的，两头必备有y j 个槽( y l 为绕组节距) 为单层。这单层的出 现不仅降低了铁心的利用率，而且使两头的单层绕组出现了附加的偶次谐波和分数次 谐波。为了提高铁心的利用率和削弱半槽绕组产生的附加谐波的影响，一般在半槽中 安置补偿绕组。下面讨论直线电机的设计方法。 4 1 动子铁芯设计 从理论上，把一台旋转型的永磁同步伺服电机的定子铁芯，沿着某一个齿的中心 线切开，然后把铁芯展开拉直，就可以构成一台短初级长次级的单边型的永磁同步直 线电机的动子铁芯，但是，在实际中制造一台短初级长次级的单边型永磁同步直线电 机的动子铁芯，还有以下许多特殊的问题要加以考虑和处理。 ( 1 ) 在旋转电机设计中，极距用长度单位来表示时为f = z d 2 p ，其中的d 为 定子内径，它是一个重要的参数，但是在直线电机中却没有。 ( 2 ) 在旋转电机中，电机的极数必为偶数，而在直线电机中极数可以为奇数， 华中科技大学硕士学位论文 只要构成的三相绕组能够对称就可以了。 ( 3 ) 在旋转电机中，等元件的双层绕组每槽导体数必定相等，非等元件的三相 绕组每槽导体数必定周期性有规律的分布。而在采用双层绕组的直线电机中，绕组必 须处于槽中且必须连续，因此，元件数与槽数不能像旋转型的电机那样是一一对应的。 ( 4 ) 在旋转电机中，槽数z 、相数m 、电机的极数2 p 和每极每相槽数q 之间有 严格的关系式来保证，即有z = 2 p - m - q ，但在直线电机中，只有在极个别的情况下 此关系式才能得到满足。 ( 5 ) 在旋转电机设计中，齿宽与槽宽之比有一个选择最佳值的问题，轭的高度 主要是满足轭部磁密在