（电机与电器专业论文）混合励磁式直线同步电动机及其驱动系统的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t f u r t h e rs t u d yo nh y b r i de x c i t a t i o nl i n e a rs y n c h r o n o u sm o t o r ( l s m ) i s p r e s e n t e d i nt h i st h e s i sw h e na p p l y i n g p e r m a n e n tm a g n e t st o e x c i t a t i o n s y s t e m o fl o n gs t a t o rl i n e a rs y n c h r o n o u sm o t o r su s e di nt h em a g l e vv e h i c l e s ，a n o v e lh y b r i de x c i t a t i o nl i n e a rs y n c h r o n o u sm o t o ri si n t r o d u c e dw i t h e v e n l y d i s t r i b u t e d p e r m a n e n tm a g n e t s a n de l e c t r i ce x c i t a t i o n w i n d i n g s t h o s e p e r m a n e n tm a g n e t s ，a st h em a i np a r t s ，c o u l dp r o v i d et h ep r o p u l s i o nd u r i n g n o r m a l o p e r a t i o n o n l yi n s u c hc o n d i t i o n sa s s t a r t ，h a l t ，a c c e l e r a t i o na n d d e c e l e r a t i o n ，c a nt h ee x c i t a t i o nw i n d i n g sb ea c t i v a t e df u n c t i o n i n gt op r o d u c e t h ea d j u s t a b l ef l u xi nt h ea i rg a p t h em a i nc o n t e n to ft h i sd i s s e r t a t i o ni sa sf o i l o w s ， 1 t h i sd i s s e r t a t i o nd e s c r i b e st h eb a s i ct h e o r yo fi i n e a r s y n c h r o n o u s m o t o r sa n dd i s c u s s e st h e s p e c i a e i e s a n da p p l i c a t i o n so ft h er a r ee a c h p e r m a n e n tm a g n e t l i n e a rm o t o r u n d e rt h e d q o - c o o r d i n a t es y s t e m ，t h e m a t h e m a t i cm o d e l so fe l e c t r i ce x c i t a t i o na n dp e r m a n e n tm a g n e tl s ma r e d e d u c e dr e s p e c t i v e l y 2 t h i sd i s s e r t a t i o na l s o a n a l y z e s t h e m a g n e t i c f i e l d sa n dt h r u s t c h a r a c t e r i s t i c so ft h i s h y b r i d e x c i t a t i o nl s m o nt h eb a s i so f e q u i v a l e n t m a g n e t i c c i r c u i ta n df e am e t h o d st h ei n d e p t hr e s e a r c ho nm a g n e t i cf i e l d si s c a r r i e do u t ，a tt h es a m et i m e ，t h ee l e c t r o m a g n e t i ct h r u s t si no n e p a i r - p o l ea r e c a l c u l a t e du t i l i z i n gm a x w e l ls t r e s st e n s o ra n dv i r t u a lw o r km e t h o d s f i n a l l y t h em o d e lm o t o ri se x a m i n e dt h r o u g hc o n t r a s t i v e e x p e r i m e n t sw i t hn o r m a l e l e c t r i ce x c i t a t i o na n do t h e rh y b r i dl i n e a rs y n c h r o n o u sm o t o r s 3 t h em a t h e m a t i cm o d e la n dc o n t r c is c h e m eo nt h i si i n e a rm o t o ra r e p r o p o s e di n t h i st h e s i sm o r e o v e r ，t h ed r i v es y s t e m i n c l u d i n gh a r d w a r ea n d s o f t w a r e ，i sr e a l i z e d ，a n ds o m ew a v e f o r mr e s u l t sa r ea c h i e v e d t h r o u g h e x p e r i m e n t s k e yw o r d s ：l i n e a rs y n c h r o n o u sm o t o r h y b r i de x c i t a t i o n m a g n e t i c f i e l dt h r u s td r i v e i i 塑翌查兰堕主堂堡丝塞兰二兰 第一章绪论 1 1 直线电机的发展历史 直线电机，是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要中间转换机 构的传动装置。 直线电机可以认为是旋转电机在结构方面的一种演变，它可看作是将一台旋 转电机沿其径向剖开，然后将电机的圆周展开成直线，如图1 - 1 所示。如此就得 到了由旋转电机演变而来的最原始的直线电机。由电机定子演变而来的一侧为初 级或原边，由转子演变而来的一侧称为次级或副边。 a ) 次级 i o ooo o o o oo o ooo oo o o r 呈厂 i r ! 厂 i 厂 ! r ! n ! r ! 厂 ! r 1 b 1 、初级 图1 1 旋转电机到直线电机的演变过程 a ) 沿径向剖开b ) 将圆周展开成直线 直线电机的发展历史最早可追溯到1 6 0 多年前，1 8 4 0 年惠斯顿( w h e a t s t o n e ) 开始提出和制作了略具雏形但并不成功的直线电机。早期研制直线电机主要有两 个目的：一是想用它来推动织布机上的梭子，有人在1 8 9 0 获得了关于这方面的 一个专利，这也是直线电机最早的一个专利；二是想用它作为火车的推动机构， 这早在1 9 0 5 年就有人提出。但这两者都停留在试验论证阶段。在以后很长的一 段时间内，虽有少量的研究成果，但都未超出试验模型阶段。从美国专利上看， 上个世纪三、四十年代，也曾一度出现直线电机热，但后来渐渐冷却下来了。其 中原因大致在于以下几方面：一、直线电机的电磁气隙与极距的比值通常高于旋 转电机，因此激磁电流较大，另外存在由于铁芯两端开断而产生的边端效应，于 是直线电机的效率和功率因数比同容量旋转电机的低，人们的传统概念是以效率 和功率因数来衡量电机的，这个概念牢固地束缚了直线电机的应用；二、没能找 到唯独直线电机适用的领域；三、直线电机的控制线路及其装置费用成为它发展 浙江大学硕士学位论文 第一章 的障碍，因为当时控制技术不完善、元器件昂贵且性能欠佳；四、直线电机理论 发展缓慢，设计上存在缺陷，没有对其应用起到促进和预见作用。以上这些使得 人们对直线电机一度失去信心。直至五十年代中期以后，控制、材料技术的飞速 发展和新型控制元器件的不断出现为直线电机的广泛应用打开了方便之门。随着 科技的发展，人们的观念也发生了变化，认为直线电机的较低效率可以用增加整 个装置的传动效率来补偿，在不连续使用的情况下，效率退居第二位，整个装置 的简单和经济显示了直线电机的优越性。人们观念的改变更促进了直线电机的发 展。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x y n e t i c s 公司生产的自动绘图仪、法国生产的直线电机记录仪、 e d w a r d so fe n f i e l d 公司生产的铝和有色金属工业用的新型挤拉机、曰本s a n y o 公司生产的直线电机驱动的电唱机、英国h e r b e r tm o m s 公司生产的桥式吊车、 传送带和一般机械搬运设备等等。同时，直线电机理论也取得了很大的进展，有 关的文献和书干u 不断出版，基于电磁场理论对直线电机进行分析与计算的文章也 陆续报道。 值得一提的是，在6 0 年代末、7 0 年代初，直线电机作为高速列车的驱动装 置得到了各国的高度重视并计划予以实施，其中尤以德国、日本为代表。近二十 年来，不仅直线电机的新产品层出不穷，而且新原理直线电机也不少，例如超声 波直线电机，微步距直线电机等。 相对于国外，我国直线电机的研究和应用发展始于7 0 年代初期，但发展不 稳定，七十年代比较热，八十年代前期滞退，八十年代后期至今又有较大发展。 现今国内已形成了一支直线电机的开发、研究队伍，一些大专院校、科研单位和 工厂积极开展各类直线电机的基础理论和开发应用的研究。自1 9 8 2 年开始，全 国直线电机学术会议定期召开，会上既有论文的交流，也有新成果的展示，还不 断有新的年轻会员参加。我国在直线电机的应用上也取得了可喜的成果，例如浙 江大学的遥控直线电机窗帘机、直线电机驱动的邮政分拣机、圆盘直线电机驱动 并利用其电磁内热的炒茶机、世界首创的新型电磁式直线电机冲床、西安交通大 学的一种新型电磁打泊机、上海工业大学的浮法玻璃生产用直线电机、直线电机 驱动的自动门等等，关于直线电机国内已有许多项专利。最近几年，直线电机的 应用领域更是全面铺开，如备受世人瞩目的上海磁悬浮交通工程正是采用长定子 直线同步电动机来驱动高速磁浮列车的；此外，浙江大学的直线电机驱动的大型 浙江大学硕士学位论文 第一章 传输线及电梯也正处于紧张研制中，并且已取得阶段性的应用成果。在理论研究 层次上，我国也有很大的发展，发表了不少的文章，出版了一些书籍。现在直线 电机的应用面很广，涉及到工业、运输、建筑、医学、民用等诸多方面，越来越 受到人们的重视，其发展前景甚为广阔。 1 2 直线电机的分类 直线电机种类繁多，按照不同的标准有着不同的分类型式。例如考虑外形结 构时，往往以结构型式对其进行分类；当考虑功能用途时，则常以其功能用途进 行分类；而在分析或阐述电机的性能或机理时，则是以其工作原理进行分类。以 下就几种主要分类型式予以简要介绍。 1 按结构型式分类 直线电机按其结构型式主要可分为扁平型、圆筒型( 或称管型) 、圆弧型和 圆盘型四种。 所谓扁平型直线电机，即是一种扁平的矩形结构的直线电机，它有单边型和 双边型，每种型式下又分别有短初级、长次级或长初级、短次级，上文所介绍的 图1 1b ) 就是一种扁平型直线电机。 所谓圆筒型( 管型) 直线电机，为一种外形如旋转电机的圆柱形的直线电机， 如图l 一2 所示。这类直线电机一般均为短初级、长次级型式。在需要的场合，我 们还将这种电机做成既有旋转运动又有直线运动的旋转直线电机，至于旋转直线 的运动体既可以是初级，也可以是次级。 图1 - 2 一种圆筒型( 管型) 直线电机 l 一厚壁铁管2 一铜皮或铝皮 3 一滑动轴承 4 一端盖5 一圆环铁心 6 饼式绕组7 一螺栓 浙江大学硕士学位论文 第一章 所谓圆盘型直线电机，是指将该电机的次级制作成一个圆盘，从而使得初级 线圈能够驱动圆盘次级作圆周运动，如图1 3 所示。其初级可以是单边型，也可 以是双边型的。 转的圆盘 图1 - 4 圆弧型直线电机 l 一次级( 飞轮)2 一弧形初级 3 一气隙 2 按功能用途分类 直线电机，特别是直线异步电机，按其功能用途主要可分为力电机、功电机 和能电机。 力电机主要用于在静止物体上或低速的设备上施加定的推力的直线电机。 它以短时运行、低速运行为主，例如阀门的开闭、门窗的移动、机械手的操作、 浙江大学硕士学位论文 第一章 推车等等。 功电机主要作为长期连续运行的直线电机，它的性能衡量的指标与旋转电机 基本一样，即可用效率、功率因数等指标来衡量其电机性能的优劣。例如：高速 磁悬浮列车用直线电机、各种高速运行的输送线等。 能电机是指运动构件在短时间内所能产生的极高能量的驱动电机，它主要是 在短时间、短距离内提供巨大的直线运动能，例如导弹和鱼雷的发射、飞机的起 飞以及冲击、碰撞等试验机的驱动等。 3 按照工作原理分类 在基本原理上，每种旋转电机都有与之相对应的直线电机，然而从使用角度 来看，直线电韵机得到了更为广泛的应用。直线电机按其工作原理大体可分为两 个方面，即直线电动机和直线驱动器。直线电动机包括交流直线异步电动机 ( l i n e a ri n d u c t i o nm o t o r s ，简称l i m ) 、交流直线同步电动机( l i n e a rs y n c h r o n o u s m o t o r s ，简称l s m ) 、直线直流电动机( l i n e a rd cm o t o r s ，简称l d m ) 、直线步 进( 脉冲) 电动机( l i n e a rs t e p p e r p u l s em o t o r s ，简称l p m ) 以及混合式直线 电动机( l i n e a rh y b r i dm o t o r s ，简称l h m ) 等。直线驱动器则包括直线振荡电 机( l i n e a r o s c i l l a t i n g m o t o r s ，简称l o m ) 、直线电磁螺线管电机( l i n e a r e l e c t r i c s o l e n o i d ，简称l e s ) 、直线电磁泵( l i n e a re l e c t r o m a g n e t i cp u m p ，简称l e p ) 、 直线超声波电动机( l i n e a r u l t r a s o n i cm o t o r s ，简称l u m ) 等。并且，以上所述 这些直线电机又可分成诸多不同的类型。 1 3 直线同步电机的特点与应用 1 3 1 直线同步电机的特点 近些年以来，随着稀土永磁材料、电磁场数值计算、智能控制理论及微机技 术的出现和不断发展，直线同步电机一特别是永磁直线同步电动机一作为一种新 颖的驱动或推进装置，逐步成为学术研究和开发应用的热点。 直线同步电动机与其他类型的电机相比有如下的一些特点： ( 1 ) 直线同步电动机，与旋转同步电动机相对应，可以同时产生推力和垂直 力。这一特性尤为符合交通运输的要求，因为高速车辆既要有足够的推力，同时 也要求在高速时将车身浮起以实现无接触运行。而利用直线异步电动机作推进器 塑坚查堂塑兰三兰垡丝兰 里二里 的车辆，其悬浮垂直力须辅助设备提供。 f 2 ) 与直线异步电动机相比，直线同步电机具有较高的功率因数。而永磁式 电机不需要直流励磁电源。这对于交流同步电机而言，省去了励磁机、自励系统 或者附加直流电源，也可以减少电源的耗电量。这对于许多整机设备具有十分重 要的经济价值。 f 3 1 直线同步电动机的气隙公差要求，也不像其他异步电动机的那样严格。 即使在较大的气隙时，仍然可以通过调节励磁电源电流或选用剩磁密度较高的稀 土永磁体，在空间产生动子励磁磁场推动直线电机运动。 ( 4 ) 由于同步电机的起动、失步问题，直线同步电机需要一个相对比较完善 的驱动控制系统才能使电机在所有的指定速度下均保持同步运行。当直线同步电 机用于高精度的伺服系统中时，对直线电机的控制比旋转电机复杂、成本也较高， 这一直以来妨碍了直线同步电机的迅速推广应用。 ( 5 ) 直线同步电动机系统的系统效率比直线异步电动机要高，特别是次级引 入永磁材料来励磁以后，并且同步电机的功角可调、功率因数较高，因此总的效 率一般可达到8 0 以上。 ( 6 ) 由于直线同步电机不同于旋转电机一转子铁心是封闭的，它的初次级沿 磁场移动方向是开断、不连续的。因此对于行波磁场来讲，出现了一个“进入端” 和一个“离开端”。这就形成了直线电机所特有的动态边端效应，加之铁心及绕 组开断、各相互感不等引起的其他边端效应，使得电机的推力减小、损耗增加、 发热增加。 ( 7 ) 直线同步电机的初级定子与次级动子之间通常存在较大的吸引力，尤其 是永磁式直线同步电动机，这就给电机的安装和日常维护带来了特殊的要求。 1 3 2 直线同步电机的应用 直线同步电动机以其不可替代的诸多优越性，现已逐步在工业生产、日常生 活等的许多领域得到了广泛应用。 ( 1 ) 直线同步电机在交通运输系统中的应用。随着国民经济的飞速发展， 交通运输日益成为制约经济的个重要因素，缓解并改善这一状况是当前亟待解 决的问题。为此，德、美、日等发达国家提出并发展以直线同步电机为牵引的高 速磁悬浮列车。作为一种新型的陆上交通工具，磁浮列车没有车轮及相应的传动 机构而依靠直线电机产生的电磁力高速平稳地运行，与路轨保持无机械接触，目 塑兰查兰堡主堂些笙苎墨二兰 前设计时速可达每小时5 0 0 公里。此外，磁悬浮列车还具有安全、无翻车、无噪 声振动、占地面积小、结构简单、爬坡能力强、节约电能、运营及维护费用低等 优点，具有良好的发展应用前景。 导向磁铁 直线同步电机定子 悬浮磁铁 图1 - 5 常导吸浮型磁悬浮列车示意图 国内外许多国家，如德国、日本、美国、英国、法国、俄罗斯、韩国、瑞士、 瑞典和中国等，都已积极投入了这方面的研究，其中尤其以德国、日本最为突出， 投入最大、持续时间最长。目前在中国上海旋工建造、并投入试验运行的就是引 进德国磁浮技术的常导吸浮型磁悬浮列车系统。对于这类常导吸浮型磁浮列车而 言，驱动、悬浮和导向是其三大关键所在，而它们组成的基础就是直线同步电动 机或吸引型直线磁悬浮电动机。图1 5 为常导吸浮型磁悬浮列车的示意图。 ( 2 ) 直线同步电机在工业设备的应用，主要在机床业方面比较突出。近几年， 国内外对数控机床采用直线电机( 特别是永磁式直线同步电机) 显得非常热门， 究其原因：传统机床的驱动依赖丝杆，而丝杆驱动本身具有一系列不足，如长度 限制、机械间隙、摩擦、扭曲、进给误差等。但直线电机不仅无此缺陷，且结构 简单、精度可以是丝杆的1 0 至1 0 0 倍，加速度可以是传统机床的2 0 倍以上。 日本s o d i c k 公司早在1 9 9 6 年就开始在电火花成形机上采用直线电动机， 他们自行研制了专用的直线同步电机及其相配的驱动系统。1 9 9 9 年投放市场时， 不仅有两轴的，而且还在x y z 三轴都采用了直线电动机。第1 9 届j i m t o f 上， 展出了森精机制作所的h v m 6 0 0 卧式加工中心、新日本工机的8 0 l 超高速多轴 加工中心( m u l t i c e n t e r ) 、丰田工机的高速加工机床l i n e a m 、松浦机械制作所的 l x 1 超高速小型加工中心、t a y l o rm o b s o n 的两轴小型精密镜面加工机床等8 台 采用直线同步电机作为进给传动的新颖机床。除此之外，世界上还有很多公司同 浙江大学硕士学位论文；!二童 时也在从事直线电动机驱动的数控机床的生产制造，如i n g e r s o l l 、k i n g b u r g 、 e x 。c e l l 一0 、g r o bs y s t e m 、p r e c i t e c h 、r e n a u l t a u t o m a t i o n 、g l i d e m e i s t r e 、d e c k e lm a h o 及f o r e s t l i n e 等。 ( 3 ) 利用直线同步电动机驱动的电梯( 提升机) ，由于其所具有的结构简单、 省材、省空间、高速、低噪声、节能等优点，引起了日本为代表的一些国家电梯 界的极大关注。而日本的研究重点放在高层建筑电梯方面，1 9 9 4 年北京召开的 直线电机学术研讨会上，直线电机研究专家山田一教授展示了永磁直线同步电动 机驱动试验电梯模型的录像，但日本的试验模型基本只是原理性的。现今国际一 些知名电梯企业，如美国0 t i s 、日本三菱和日立公司，正在不断进行技术性试 验，并有了少量的产品问世。尽管现在还处于研究与应用的初级阶段，但直线同 步电机驱动的垂直提升系统取代传统钢丝绳提升装置则是大势所趋。 ( 4 ) 直线同步电机在军事上也有一定应用。目前已有人提出用直线电机作为 弹射装置发射飞机、火箭或者导弹。因为，首先直线电机能达到极高的速度，如 英国皇家飞机制造公司曾利用直线电机制成的导弹发射装置速度可达 1 6 0 0 k m h ；其次直线电机弹射器在发射时无声、无烟，而传统燃气却做不到， 这对军事应用尤为重要。据悉，美国海军正在研制直线同步电机的飞机弹射器 e m a l s ，以取代在航母上应用的传统的蒸汽式弹射装置。 ( 5 ) 直线同步电机在信息与自动化设备中的应用，主要体现在计算机设备及 其输入输出设备方面。计算机主机上的硬盘、软驱和光驱中，直线同步( 伺服) 电动机广泛应用于磁盘的精确定位、跟踪、聚焦控制，从而有效地缩短了计算机 的存取时间、提高了工作效率。此外，直线电机也在输出设备中，例如复印机、 打印机、绘图仪等，得到了应用。 1 4 课题的背景和意义 本文的研究对象混合励磁式直线电机来源于磁悬浮列车用长定子直线同步 电机的创新。 我国幅员辽阔，人口众多。高速磁悬浮的投资成本与高速轮轨相比差别不大， 但其更高速的优越性则使发展磁浮列车成为优先选择的方案。而且高速磁悬浮铁 路体系的发展必将带动当前众多高新技术前沿的发展。这些高新技术本身又会形 塑望查兰堡圭兰堡丝苎旦二! 二 成新兴产业，对经济发展发挥重要的作用。自上世纪8 0 年代，在国家投入少量 经费资助的情况下，少数高校、科研单位开展了常导磁悬浮列车的基础性研究和 实验工作，跟踪国际磁悬浮列车技术的发展和研究其在我国实现的可能性。1 9 9 1 年国家科委将“磁悬浮列车关键技术研究”列入“八五”国家科技攻关计划，该 项1 7 1 主要由铁道部主持，铁道部科学研究院、国防科大、西南交大、长春客车厂、 中科院电工所等单位参与。西南交大研制的4 吨试验车和国防科大研制的6 盹试 验车先后实现了成功运行。1 9 9 4 年9 月中科院召开了磁悬浮列车专题会议，提 出大力开展磁悬浮列车技术的研究与开发，国家科委对这方面的课题给予了支 持，并且其列入到“九五”科技计划之中。 9 0 年代以来，随着永磁材料性能的不断提高和完善，永磁材料获得了越来 越广泛地应用，新型的永磁电机品种也越来越多。其中应用较多的是性价比较高 的钕铁硼材料。采用了永磁材料的电机与电励磁电机相比，具有结构简单、运行 可靠；体积小、质量轻，效率高；电机的形状和尺寸可以灵活多样等优点。 常导吸浮型磁悬浮列车采用电励磁的长定子直线同步电机，其悬浮高度约为 1 0 m m 。如果励磁部分采用永磁材料，就能减轻列车的重量并增大气隙磁密，那 么悬浮高度可以适当提高，这样对路面平整度的要求可以低一些，而且可以减轻 蓄电池的负担。 直线同步电机次级保留部分电励磁可用来起调节作用。长定子直线同步电机 的悬浮力等于车体的总重量，但后者是在不断变动的，全部采用永磁则不能保持 气隙不变，因此就有必要采用混合励磁结构。混合式励磁结构可考虑两种方案： 第一，电励磁与永磁体交替放置，即一对极电励磁、一对极永磁，它的优点是只 需改变原有结构的一半，但它的悬浮力分布不均匀；第二，每对极既有电励磁又 存在永磁体励磁，气隙中的磁通由两者共同产生。其中，永磁体提供主要的磁通， 产生的悬浮力用来承担车辆的基本重量( 空载时) ，电励磁提供可变的磁通，产 生的悬浮力用来承担列车的负载( 乘客) 。经过仔细考虑，认为选择后者更为合 适，这样能够在每一极下提供相同的推力与悬浮力。 综上所述，这种混合励磁式直线同步电机结构既有永磁电机效率高、推力大 的优点，又有直线电机不需要传动机构、直接形成直线运动的特点，同时还具有 电励磁的灵活性，因此可望广泛地应用于磁浮交通驱动、物流线驱动、数控机床 进给甚至航天飞行器等既需要高效率、高能量密度，还需要变频调速且负载变 浙江大学硕士学位论文 第一鲞 动的场合，应用前景看好。 1 5 本文的主要内容 本文对混合励磁式直线同步电动机的结构设计和运行特性等做了深入分析 与实验研究，还讨论了此电机的驱动控制系统的实现。全文共分五章。 第一章绪论，论述了课题的背景与意义，叙述了本文的主要工作，还对 直线电机的历史发展和分类、特别是直线同步电机的特点与应用场合作了必要的 介绍。 第二章直线同步电机理论，首先说明直线同步电动机的基本运行原理， 之后讨论基于由0 坐标的电励磁式和永磁式直线同步电机数学模型，还对永磁直 线电机的特点和应用作了简要介绍。 第三章混合励磁式直线同步电机的分析，首先简要介绍了混合励磁式直 线电机概念及其设计要点，然后利用磁路法和有限元法对该电机的气隙磁场进行 了深入讨论，并且应用麦克斯韦应力张量法与虚位移法对直线电机一对极下的电 磁推力作了一些分析，最后针对电励磁式和混合励磁式等几种不同型式的直线同 步电动机进行试验测试和对比研究。 第四章混合励磁式直线同步电动机的驱动系统设计，探讨了混合励磁式 直线同步电机的数学模型和控制策略，给出了电机驱动控制系统的硬件与软件实 现，最后还进行了该系统的实测。 第五章对全文的内容进行了归纳总结。 1 6 本章小结 本章绪论说明了直线电机的发展历史沿革以及不同的分类方式；着重叙述了 直线同步电机的特点、应用场合和前景；提出了本文的研究对象一混合励磁式直 线同步电动机。最后，简要介绍了本文的主要内容。 浙i 工大学硕士学位论文 第二章 第二章直线同步电动机的基本原理及数学模型 2 1 直线同步电动机的基本运行原理 直线同步电动机从工作原理上讲，与旋转同步电机是完全一致的。正如绪论 所述，它相当于将旋转同步电机的定子和转子沿圆柱面展开，就变为了直线同步 电机的初级和次级。 当在旋转同步电动杌的三相对称绕组中通入三相对称的正弦电流后，电机气 隙中便会产生一个旋转磁场。该磁场可以看成沿圆周方向呈正弦分布，定子电流 交变一个周期，则气隙磁场转过一对极。其旋转速度被称为同步速度，可用h 。表 示，它与电流的变化频率厂成正比、与电机的极对数p 成反比。定子旋转磁场与 转子磁场相互作用，就带动转子最终以同步速运转。 ，：6 0 f( 2 1 ) p 如果用v 。表示定子内圆周表面上气隙磁场运动的线速度，则有： v ，= 等( 2 - 2 ) 式中： 厂一输入电流频率； r 一极距。 直线同步电机被认为是旋转同步电机在结构方面的变形。当直线电机初级绕 组中通入三相对称电流时，也会在气隙中产生磁场，在不考虑由于铁心两端开断 而引起的电机纵向边端效应下，这一气隙磁场的空间分布与旋转电机相似，也可 以理想地认为是沿直线方向呈正弦分布。因此，当三相对称电流随时间交变时， 气隙磁场就沿初级表面直线移动，被称为“行波磁场”。不难得出，该行波磁场 的运动速度就等于旋转同步电机的气隙磁场在定子内表面上的线速度。故，将式 ( 2 - 1 ) 代入式( 2 2 ) ，即得： v ，= 2 r f( 2 - 3 ) 初级行波磁场与次级磁场相互作用，最终带动电机次级沿行波磁场的运动方 向作直线运动。 浙江大学硕士学位论文第二章 由于考虑到电机次级燃磁场较强、气隙较大，因此分析中可以忽略初级绕 组引起的电枢反应。按照一相计算的直线电机能量关系可表述为： p = u c o s t # “e 。+ 1 2 r ( 2 - 4 ) 匕= e o i c o s p( 2 5 ) 其中： p 一电机输入功率： u 一外加相电压； ，相电流； c o s ( o 一功率因数； 匕一电磁功率； 凰一初级绕组感应电势； c o s 妒一内功率因数； r 一电机相电阻。 在忽略谐波的理想情况下，由直线同步电动机一相的对应相量图( 如图2 1 ) ， 可得稳态时初级绕组的电压平衡方程是： 驴= 应o + _ ，础，+ 妇f 2 6 ) 式中： 甜一电源角频率，国= 2 万； 上一初级电枢绕组电感。 因此 图2 - 1 直线同步电动机的相量图 d 浙江大学硕士学位论文 第二章 ，= 去- e oc o s e ) e + 枷。s m 目卜： c o l ( u - e o c o s 6 ) 一月毛s i n 护b ( 2 - 7 ) c o s =【2 - 8 ) 其中，z 2 = r 2 + ( c 0 0 2 。 视在功率s 为： s = p 一，q( 2 9 ) 并且， 尸= 去脚( u 一日c 。s 印+ c o l u e o s i n 护 ( 2 - 1 0 ) q = 专陋u ( u 一岛c 。s 曰) 一r u e 。s i n 曰 ( 2 - 1 1 ) 而每相产生的机械功率只可写成： 名= 只，一p ( 2 1 2 ) 式中， e p 一电机损耗。 电磁推力f 为： f ：堡 ( 2 1 3 ) v j 电机效率为： 节= 丽f v , ( 2 1 4 ) 类似地，可以考虑电机三次和五次谐波对推力的影响。三涣谐渡将碱斗推舟 并引起鞘珈峨耗，五次谐波磁场与基波相互作用会产生脉动推力。故，三相总的 推力可认为等于基波、三苏吸五次谐波产生的各推力的代数和。 2 2 电励磁式直线同步电动机的数学模型 同普通旋转同步电机相比较，电励磁式直线同步电动机在参数计算方面存在 差异，并且由于次级不闭合而存在边端效应。但是其数学模型的建立不会受这些 差异的影响。 在直线同步电机中，励磁绕组与初级三相绕组之间、三相初级绕组之间均存 在电磁耦合，加之磁路饱和、电机温升对电机参数的影响等非线性因素，要建立 浙江大学硕士学位论文 第二章 精确的电机模型是相当困难的，因此必须引入合理的简化假设。 1 认为电机铁一i i , 磁导率为无穷大，假定整个磁路是线性的，忽略磁滞、涡 流及磁路饱和对电机的影响。因此就可以利用叠加原理对电机各个绕组电流共同 作用产生的气隙磁场进行分析； 2 假设直线同步电机初级三相绕组对称，具有相同的匝数、电阻等参数， 各相绕组轴线互差1 2 0 。电角度； 3 忽略励磁电流的波动，假定气隙磁场恒定： 4 ，忽略电机齿槽效应； 5 忽略阻尼绕组的影响。 根据矢量变换思想，这里选取次级励磁磁场方向为d 轴，目轴沿磁场运动方 向超前d 轴9 0 。电角度，以此来分析和描述电机的稳态和瞬态过程。整个砌d 坐标系以同步速度运动，其空间位置由d 轴与爿相轴线的相对电角度确定。图 2 2 为电机各坐标系间的相互关系。 图2 。2 且载j 可步电口l 吾坐杯糸恻嗣天乐 2 2 1 电压和磁链方程 采用砌d 坐标系时，电励磁直线同步电动机的电压方程可以表示为： u d = i a r 。一等_ + 警( 2 - 1 5 ) u q 屯+ 等l + 譬( 2 - 1 6 ) 吣识+ 警( 2 - 1 7 ) 浙江大学硕士学位论文 第二章 u ，：妒。+ 掣 ( 2 _ 1 8 ) 5 7 ，勺+ 孑 2 。1 8 ) 上式中： u 。、u 。、u 。一初级绕组外加电压在砌0 坐标上的分量； 己，次级励磁电压的折算值； i 。、i q 、i 。一初级绕组在面0 坐标中的电流分量； i 一次级励磁电流的折算值： 、一分别为初级和次级绕组电阻； 、掣。、一初级绕组在出0 坐标中的磁链分量； 甲。一励磁绕组的磁链。 由式( 2 一l 刃和( 2 一l 喜) 可见，初级d 、q 绕组上的电压有三部分构成：绕组自身 电阻产生的电压降、绕组交链的磁链变化产生的感应电势以及由于次级运动而在 d 、仃绕组中感生的运动电动势。 电机各绕组交链的磁链方程为； = i a l d + i f l , 。d ( 2 - 1 9 ) 甲g = i q l g( 2 2 0 ) = i o l ，( 2 2 1 ) 飞f d = t j l m + i d l m dq 。2 式中： 厶、三。直轴和交轴绕组自感； ，一初级绕组漏感； 三。励磁绕组自感： 三。电机直轴绕组互感。 将磁链方程( 2 一l 至f 2 2 口) 代入电压方程( 2 。1 5 ) 至( 2 1 8 ) ，并考虑假设条件3 忽略励磁电流波动，则得到直线同步电动机以电流形式表示的状态方程： 虿d i a 2 去一号+ 等屯 ( 2 z 。) 浙江大学硕士学位论文 第二章 堕d t = 扣一警屯一号l 一半l三q 9 豇4 “q 。4 鲁= 专砜一号芘 防 三。 ” 三，。 2 2 2 电磁功率和推力方程 电励磁式直线同步电动机的电磁功率圪，为： 只。= 三v 。( w d i ，一w q i 。) 再将式( 2 - 1 9 ) 、( 2 1 8 ) 代入上式得： 只。= 三v 。 ( 上d 一) 屯f 。+ 上。f ，f ， 电磁推力为： f ：鲁= 三( 卜_ v f 即有， f = 三 ( 厶一三。) i q + 三。i ：i 。】 由上式可见：前项是由于电机凸极效应、引起磁阻变化， 则为初级电枢电流与次级励磁磁场相互作用产生的电磁推力。 2 2 - 3 机械运动方程 直线同步电机的磁极运动方程为： f ：m 竺+ f ? 出 式中： m 一次级和负载质量； 只一负载阻力等。 ( 2 - 2 4 ) ( 2 - 2 5 ) f 2 - 2 6 ) ( 2 - 2 7 ) f 2 - 2 8 ) f 2 2 9 ) 而产生的力；后项 ( 2 - 3 0 ) 因此，根据以上论述，就可以建立电励磁式直线同步电动机基于状态方程的 数学模型： 警= 专一号+ 鲁 鲁2 如一等铲专卜半 浙江大学硕士学位论文 第二章 2 3 永磁式直线同步电动机及其数学模型 近些年来，随着铝镍钴、铁氧体永磁、特别是稀土永磁的相继问世，其磁性 能有了很大地提高，许多传统电励磁电机纷纷改用永磁材料励磁。与电励磁电机 相比，永磁电机具有体积小、效率高等优点。它不仅可以部分取代电励磁电机， 而且能实现电励磁电机难以达到的高性能。本节主要讨论的是稀土永磁体在直线 同步电动机中的应用。 2 3 1 永磁电机的特点 1 永磁电机无需直流励磁电源。对于交流同步电机而言，省去了励磁机、 自励系统或附加直流电源；对于直流电机而言，可以减少电源的耗电量。这对许 多整机装备和设备，具有非常重要的经济意义。 2 永磁电机没有励磁绕组，节省了电机用铜量，消除了转子铜耗。在微型 或小容量应用中，电机的重量、体积、效率等技术经济指标都得到改善。此外， 永磁交流电机不需要电刷和滑环等装置，减少了机械和电气损耗，并使得电机运 行可靠、无需经常维护。 3 电励磁式同步电机可以采用改变励磁电流的简便办法来调节气隙磁场， 但永磁电机却不韶。当永磁材料和磁路的尺寸确定后，在一定的工作点，气隙磁 场或主磁通的大小是不能任意调节和改变的。因此，永磁发电机电压可调性比电 磁式电机差。为实现调压，须采取专门措施。 4 因为永磁电机采用永磁材料励磁，那么永磁材料性能的高低、磁性能的 稳定性、永磁材料的机械性能、工艺性和经济性就真接影响了永磁电机的运行可 靠性、适用范围、制造容量和经济价值。 西 5 电励磁式电机的主要尺寸悬冉机容量和所选的电磁负荷决定的，可以根 据经验资料和设计要求来选择合理的电磁负荷值。但永磁电机则不同，其气隙磁 场强度值是由永磁材料的磁特性和磁路尺寸决定的，不能任意地选取。当永磁材 料和磁路尺寸定时，气隙磁场强度是一定的。由此可知，设计永磁电机时，气 i 乞 。 辛扣 如一所 咖研 塑垩查生堡主堂垡堡兰!三至 隙磁场强度不是直接选定的，而是间接决定的。 2 3 2 稀土永磁直线同步电机的特点 稀土永磁直线电机不仅具有永磁电机的特点，而且兼有直线电机的特点。作 为永磁电机，它不需要电励磁，省去了磁磁绕组，没有磁磁损耗，从而能够提高 电机的效率、降低电机温升。并且新型的钕铁硼永磁材料具有很高的剩余磁感应 强度、磁矫顽力和最大磁能积，故在减小电机重量体积的同时可增加电机的出力。 另一方面，作为直线电机的它删去了中间传动机构，运行更加可靠，还具有结构 简单、加工方便、适合于特殊场合等特点。稀土永磁直线同步电机与普通同步电 机相比较，还具有以下优点； 1 稀土永磁直线电机更为耐用。直线电机在发生加速及减速时，具有大的 加速度和减速度，而钕铁硼永磁材料性能稳定，能抗压达1 9 6 m p a ，因而使电机 更适于高速运行； 2 ，稀土永磁直线电机采用永磁材料代替电励磁线圈，使直线电机结构更为 简单，有利于电气控制； 3 钕铁硼永磁的退磁曲线为直线，可改善直线同步电动机的起动性能，并 使电机具有较高的稳定工作点。 2 3 3 永磁式直线同步电机的应用 近几十年来，高速磁悬浮列车的理论研究与实践迅速发展，磁悬浮列车的推 进系统和悬浮系统中广泛地采用了直线同步电机。 在直线电机中应用稀土永磁材料不仅可节约大量的电能，而且会使励磁结构 更为简单。例如在磁悬浮列车的驱动系统采用永磁式直线同步电机，再用位置传 感器控制初级电枢绕组的通断，可使直线电机工作于同步状态，电机运行效率也 很高。此外，永磁式直线同步电动机还应用于诸如物流传输、数控机床及直线电 机驱动的提升机等场合。 以往由于需要在直线电机的，翘袋或者鞠锻表面铺设大量价格不菲的永磁体， 所以该种电机的应用不太切合实际。但是现今随着新型钕铁硼永磁材料的大量开 发和应用，其价格正在不断走低。因而这使得永磁式直线同步电机的各类应用成 为可能。 浙江大学硕士学位论文 第二章 2 3 4 永磁式直线同步电机的由轴数学模型 为建立永磁式直线同步电动机的数学模型，首先作以下假设： 1 忽略电机铁心的饱和，磁路线性； 2 不计电机中的涡流和磁滞损耗； 3 认为通入直线同步电机的三相电流为对称正弦交流。 由此，仿照2 2 节所述，可以得到永磁直线同步电动机的电压、 磁推力和机械运动方程。 电压方程： 圹警一詈岭确 圹等+ 等 o ：盟+ 慨 d t 。“ o ：肇州：。a t i 磁链方程： 甲d = l a i d + l i n d i 2 d + e = g q i q + l m q i 2 目 v f 2 d = l 2 d i 2 d + l 。d i d 十飞f 也，= 岛g k + l m 。i 。 电磁功率： p 。= 三v ( f 。一鬈) 电磁推力： f ：争：詈( 一q i d ) vf 。 运动方程： 研冬：f 一五一k v 出 式中： 磁链、电 ( 2 - 3 l 、 ( 2 - 3 2 ) f 2 3 3 ) f 2 3 4 ) ( 2 3 5 ) ( 2 3 6 ) ( 2 3 7 ) f 2 3 8 ) ( 2 - 3 9 ) f 2 4 0 ) f 2 4 1 ) 塑坚查兰堡主堂焦堡苎 一一! ! i 兰 “一电压： i 一电流； 甲一磁链： d 、q 下标，分别表示初级d 、口轴分量； 2 d 、2 9 一下标，分别表示次级d 、q 轴分量； 工。、工。初、次级之间的d 、q 轴互感； 、0 一初、次级绕组电阻； 岛、上。一初级绕组的d 、q 轴自感； 上2 d 、三2 。次级绕组的d 、q 轴自感； 甲，一永磁体产生的磁链； 川一次级及负载质量； v 一次级运动速度； 五一负载阻力； k 一阻力系数。 对于那些次级动子上不含阻尼绕组的直线同步电机而言，电机的电压、磁链 以及推力方程还可简化为： 警一詈k 州。 圹等+ 等匕州， d = l e i d 斗f 飞q = l q i q ( 2 - 4 2 ) ( 2 - 4 3 ) f = l d 一三。) i u i q + 甲f i q ( 2 - 4 4 ) 由上式可以看出，永磁直线同步电动机的电磁推力中含有两个分量：第一项 是由次级不对称造成的磁阻力；第二项则是永磁体与初级电流互相作用产生的推 力。而永磁式直线同步电动机与2 2 节所述的电励磁式直线同步电机的不同， 就是在于用永磁体磁链取代了次级嬲磁磁场。 浙江大学硕士学位论文 第二章 2 4 本章小结 本章首先说明了直线同步电动机的基本运行原理；之后讨论了基于内口坐标 系统的电励磁式与永磁式直线同步电动机的数学模型；并对永磁直线电机的特点 和应用作了简要介绍。 浙江大学硕士学位论文 第三章 第三章混合励磁式直线同步电机的磁场与力特性 3 1 概述 3 1 1 混合励磁式直线同步电机的提出 应用永磁材料的直线同步电机不仅具有永磁电机结构简单、高效节能等的特 点，而且兼