直線同步電機畢業(yè)論文

1、<p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1課題研究的目的和意義</p><p>　　直線電機是20世紀下半葉電工領域中出現(xiàn)的具有新原理、新理論、新技術的裝置。它是一種可以將電能直接轉換成直線運動機械能，而不需要任何中間轉換機構的傳動裝置，具有起動推力大、傳動剛度高、動態(tài)響應快、定位精度高、行程長度不受限制等優(yōu)點。它突出的優(yōu)勢不僅越來

2、越引起人們的重視，而且被廣泛地應用于郵電、航天、運輸、電力等諸多領域[1]。</p><p>　　但永磁直線電機的鐵心是長直、兩端斷開的, 而且繞組兩端也不連續(xù), 這就使得直線電機的磁場和電流在縱向和橫向上產生畸變。因而在電機運行過程中產生推力波動，而推力波動又是影響電機動態(tài)性能的重要因素。因此，對電機磁場的分析和運行過程中電機空載、負載推力波動的分析變得尤為重要。</p><p>　　本

3、文分析了永磁直線電機的動態(tài)性能。針對永磁直線電機的推力波動進行分析，基于電磁場理論研究了永磁直線電機的磁場分布，并將Halbach磁體結構用于永磁直線電機，改變了電機磁體結構，進而改善了電機的動態(tài)性能。</p><p>　　1.2課題研究的國內外發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　直線電機是一種將電能直接轉換成直線運動的機械能的動力裝置，一改以往以鏈條、鋼絲繩、傳送帶、齒條絲杠和蝸輪蝸桿等傳統(tǒng)的

4、中間轉換環(huán)節(jié)，克服了傳統(tǒng)機械轉換機構的傳動鏈長、體積大、效率低、響應慢、精度低等缺陷。正是由于直線電機的最大優(yōu)點是取消了從電機到工作臺之間的一切中間環(huán)節(jié)，把工作臺進給傳動鏈的長度縮短為零，因此稱為“零傳動”或“直接驅動”技術。直線電機直接驅動技術是20世紀下半葉出現(xiàn)的具有新理論、新原理的新技術，它將和計算機技術一樣在工業(yè)、軍事、民用等領域中得到廣泛的應用[2]。</p><p>　　1.2.1直線電機的發(fā)展與應用

5、現(xiàn)狀</p><p>　　在世界上出現(xiàn)旋轉電機后不久，就出現(xiàn)了直線電機的雛形，但直線電機的發(fā)展過程是曲折的。1840年英國人惠斯頓(CharlesWheatatone)發(fā)明了世界上第一臺直線電機，但這種直線電機由于氣隙過大而導致效率很低，未獲成功。到20世紀中葉，隨著控制、電子、材料等技術的發(fā)展，為直線電機的開發(fā)提供了理論和技術上的支持，直線電機開始進入新的發(fā)展階段。英國的E.R.Laithwaite教授是現(xiàn)代直

6、線電機發(fā)展的先驅者，他強調直線電機的基礎研究，以他為首的研究小組取得了不少重要的成果。20世紀70年代以后，直線電機應用的領域更加廣泛，如自動繪圖儀、液態(tài)金屬泵(MHD) 。電磁錘、輕工機械、家電、空氣壓縮機和半導體制造裝置等。90年代以后，隨著高速加工概念的提出，直線電機開始作為進給系統(tǒng)出現(xiàn)在加工中心中。由于直接驅動進給系統(tǒng)具有傳統(tǒng)進給系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)點和潛力，再次受到各國的重視[2]。</p><p>　　早

7、期的直線電機以感應電機為主[3]，但在上世紀90年代以來，隨著永磁材料性能的不斷提高和完善，特別是釹鐵硼永磁材料的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性的改善、價格的逐步下降以及電力電子技術的進一步發(fā)展，對旋轉永磁電機研究開發(fā)經驗的逐步成熟，永磁直線電機得到了大量的研究開發(fā)與應用，形成了直線電機直接驅動伺服單元以直線感應電機和永磁直線電機為主的局面。</p><p>　　我國直線電機的研究與應用是70年代開始的，開展直線電機應用研究

8、的主要有中科院電工所、清華大學、西安交通大學、沈陽工業(yè)大學、浙江大學、太原工業(yè)大學、河南理工大學（原焦作工學院）等。直線電機作為制造裝備或加工中心進給系統(tǒng)研究的主要有以下幾所大學：廣東工業(yè)大學成立了“超高速加工與機床研究室”主要研究和開發(fā)“超高速電主軸”和“直線電機高速進給單元”， 研究的重點是直線感應電機[4]；沈陽工業(yè)大學對永磁直線同步電機進行研究，并制造了推力為100N的樣機，研究的另一重點是電機的控制方式及伺服系統(tǒng)，并就此發(fā)表了

9、多篇論文與專著[5,6]；清華大學精密儀器與機械學系制造工程研究所研制了高頻響直流直線電機，現(xiàn)正在進行研究的是長行程永磁直線伺服單元[7,8]；浙江大學研制的直線電機驅動的沖壓機，它取消了傳統(tǒng)沖壓機的各種大小皮帶輪、齒輪、飛輪、曲軸、聯(lián)桿等，從而使新的沖壓機結構簡單、體積小、重量輕、噪聲極小、節(jié)能、智能化程度高。焦作工學院1998年年底建成高3m的永磁直線同步電動機礦井提升系統(tǒng)試驗模型，實現(xiàn)了將電機豎立起來做垂直運動的設想[9]。<

10、;/p><p>　　直線電機不僅廣泛應用于工業(yè)、交通運輸業(yè)、軍事裝備業(yè)，而且也逐漸進入到人們的日常生活中。例如:磁懸浮列車就是直線電機在交通運輸業(yè)中的典型應用；在軍事上，人們利用直線電機制成了各種電磁炮；并試圖將直線電機用于導彈、火箭的發(fā)射；在工業(yè)領域，如用于冶金工業(yè)中的電磁泵、液態(tài)金屬攪拌器；在紡織工業(yè)中，直線電機驅動的電梭子、割麻裝置以及各種自動化儀表和電動執(zhí)行機構；在物料輸送與搬運方面，在垂直輸送方面有直線電機

11、電梯、升降機，在平面輸送方面有直線電機驅動的郵政包件分揀輸送線、行李分揀輸送線、鋼材生產輸送線、電氣、電子、機械加工生產線、食品加工線、制藥生產線等各種工業(yè)加工線、裝配線、檢測線，商場、醫(yī)院等場合的物料輸送及立體倉庫的搬運、立體汽車庫的調度等；在民用與建筑業(yè)用，直線電機還被用于門、窗、電梯等民用裝置上。當前制造業(yè)向著高速度、高精度方向發(fā)展，如電子制造工藝(硅微細加工工藝)和微系統(tǒng)制造技術(如MEMS微制造、微流控芯片微制造等)需要亞微米

12、級的精度；在納米技術開發(fā)與應用方面，納米級、亞納米級的定位精度迫在眉睫。直線電機直接驅動系統(tǒng)正是適應了上述需要在高速高精度的機械制造裝備與大行程超高精密的電子制</p><p>　　永磁電機的發(fā)展與永磁材料的發(fā)展密切相關，永磁材料主要包括鋁鎳鈷、鐵氧體、稀土永磁材料三大類。稀土永磁是稀土元素與鐵族元素的金屬間化合物。第一代、第二代稀土永磁材料性能優(yōu)異，但其中的鈷與釤價格昂貴，限制了它們的應用。1983年，日本住友

13、特殊金屬公司與美國通用汽車公司各自研制成功釹鐵硼(NdFeB)第三代稀土永磁。釹鐵硼永磁材料具有線性去磁曲線、其去磁曲線與回復曲線基本重合、內稟矯頑力高、內稟特性硬、抗去磁能力強等優(yōu)異的磁性能；同時由于釹資源豐富，又以廉價的鐵代替鈷，價格相對低廉，市場競爭力強，便于推廣應用。釹鐵硼永磁的問世被列為1983年世界十大重要科技成果之一。進入90年代以來，隨著永磁材料性能的不斷提高和完善，特別是釹鐵硼永磁的熱穩(wěn)定性與耐腐蝕性的逐步改善與價格的

14、逐步下降，以釹鐵硼為主的稀土永磁電機越來越獲得廣泛的研究開發(fā)與應用[10]。</p><p>　　稀土永磁直線電機具有永磁電機及直線電機的優(yōu)異性能于一體。一方面，作為永磁電機，具有結構簡單，運行可靠；體積小，重量輕；損耗小、效率高；電機的形狀和尺寸可以靈活多樣等諸多優(yōu)點。另一方面，作為直線電機，具有“直接驅動”的性能。正因如此，永磁直線電機滿足了制造裝備業(yè)向著高速化、高精密化、微型化的發(fā)展需求，在高效、高精密的電

15、子工業(yè)專用裝備與高速高精密機械制造裝備中得到了廣泛的研究及開發(fā)應用。</p><p>　　1.2.2直線電機動態(tài)性能研究現(xiàn)狀</p><p>　　當前所采用的永磁電機的性能分析方法有等效磁路法、磁網絡法、場路結合分析法、電磁場解析分析法和電磁場數值分析法。</p><p><b>　　1)等效磁路法</b></p><p&g

16、t;　　是傳統(tǒng)的電機分析方法，將永磁體處理成磁勢源或磁通源，其余按照通常的電機的磁路計算來進行。其優(yōu)點是形象、直觀、計算量小。但由于永磁電機磁場分布復雜，僅依靠少量集中參數結構的等效磁路模型難以描述磁場的真實情況，使得一些關鍵系數如極弧系數、漏磁系數等，只能借助于經驗數據或曲線，而此類數據或曲線大都是針對特定結構尺寸和特定永磁材料的，通用性較差。因此磁路計算只適用于方案的估算、初始方案設計和類似方案比較，要得到高精度的結果必須采用其它的

17、分析方法。</p><p><b>　　2)等效磁網絡法</b></p><p>　　等效磁網絡法[11、12]早在上世紀60年代就被有關學者提出，但由于受當時計算條件的限制，未能加以推廣。等效磁網絡法根據電機的幾何結構和預測的磁通走向，把磁場區(qū)域分為若干串連或并聯(lián)支路，每條支路由磁導或者磁勢源等單元組成，單元之間通過節(jié)點相聯(lián)，構成磁網絡。該方法是一種介于等效磁路法和

18、有限元法之間的分析方法，原理簡單，實現(xiàn)方便，計算精度高于等效磁路法，所需計算機內存容量及CPU時間比有限元法要少。但是在建立磁網絡時，電機結構要做一定的簡化，而且磁網絡模型是建立在磁場預測結果的基礎之上，難免帶來一定的誤差，尤其是對永磁電機復雜的電磁結構誤差更大。 </p><p>　　3)場路結合分析方法</p><

19、;p>　　這里提到的場路結合是指磁場和磁路的結合。利用電磁場數值計算求出計算極弧系數、漏磁系數、電樞有效長度以及機殼有效長度的磁路法計算中不易準確計算的一些參數，然后將這些參數結合到磁路法的計算中，這樣可以提高磁路法計算的準確性。目前，經過電機學術界的努力，已逐步形成了適用于計算機求解的以等效磁路解析求解為主，用電磁場計算和實驗驗證得出的各種系數進行修正的一整套分析計算方法和計算輔助軟件。</p><p>

20、　　4)電磁場解析分析法</p><p>　　電磁場解析分析法具有很長的歷史，在早期就有很多文獻論述電磁場解析分析永磁電機的磁場參數以及性能。Gu Qishan 等發(fā)表了采用解析方法計算永磁電機電磁場的文章，對永磁電機氣隙磁場、永磁體邊緣效應及開槽效應進行了研究，為永磁電機磁場解析分析奠定了基礎。Zhu Z. Q. 等在IEEE上發(fā)表了一系列文章[11]，采用解析方法對永磁無刷直流電動機的空載磁場、電樞磁場、開槽

21、效應以及負載磁場進行了全面的研究，是運用解析法研究永磁電機最具有代表性的研究成果，對解析計算向工程應用邁進作出了巨大的貢獻。但是由于解析法不能處理復雜的電機結構，對磁場飽和不能夠有效處理，而電磁場數值計算是進行精確性能分析的有效途徑。</p><p>　　5)電磁場數值計算法</p><p>　　電磁場數值計算方法包括有限差分法，有限元法、積分方程法和邊界元法四種基本類型，以及近年來發(fā)展的

22、有限元法和邊界元法相結合的混合法。其中有限元法適應了當今工程電磁問題分析的需要，已獲得了廣泛的應用[12]。</p><p>　　綜上所述，永磁直線電機幾種性能分析方法各有特點，也有著各自應用場合。在精確分析性能方面電磁場數值計算有著絕對的優(yōu)勢，而有限元法在應用方面又優(yōu)于其它數值計算方法，所以本文采用有限元數值計算方法對永磁直線電機的動態(tài)性能進行深入地研究。</p><p>　　有限元是一

23、種離散化的數值方法。離散后的單元與單元間只通過節(jié)點相聯(lián)系, 所有力和位移都通過節(jié)點進行計算。對每個單元選取適當的插值函數,使得該函數在子域內部、子域分界面(內部邊界) 以及子域與外界分界面(外部邊界)上都滿足一定的條件。然后把所有單元的方程組合起來, 就得到了整個結構的方程。求解該方程，就可以得到結構的近似解[13]。</p><p>　　近30年來，在力學、數學、計算機軟件以及結構分析工作者的共同努力下，有限元

24、方法研究取得了巨大的進展。大批優(yōu)秀的計算方法相繼問世，許多通用和專用的分析軟件不斷投入使用，使得有限元方法已經成為工程數值分析的有利工具，廣泛應用于電機、電子、電力電子、交直流傳動、電源、電力系統(tǒng)、汽車、航空、航天、汽車、船舶、生物醫(yī)學、石油化工、國防軍工等領域，已經在很多知名企業(yè)和機構得到廣泛應用和驗證[13]。</p><p>　　有限元法最主要的特點是根據該方法編制的軟件系統(tǒng)對各種各樣的電磁計算問題具有較強

25、的適應性，通過前處理過程能有效地形成方程并求解。它能方便的處理非線性介質特性，如鐵磁飽和特性等。它所形成的代數方程具有系數矩陣對稱、正定、稀疏等特點，所以求解容易，收斂性好，占用計算機內存量也較少。這些正是有限元法能成為電氣設備計算機輔助設計核心模塊的優(yōu)勢所在。工程設計和科學研究對電磁計算精確度要求的不斷提高，促進了有限元法的發(fā)展及在電氣工程方面的廣泛應用。</p><p>　　傳統(tǒng)上對電機性能的計算方法，可稱之

26、為等效電路――磁路法，數學模型的框架主要建立在等效電路的基礎上，等效電路中的參數采用磁路的方法求得，或是在假設前提下根據電磁場方程用解析法求得。其缺點是鐵磁材料的飽和效應、齒槽效應、集膚效應等難以得到精確的考慮，不能準確計算出電機中的電流、磁場、轉矩等物理量隨時間變化的實際波形[15]。</p><p>　　計算機的迅速發(fā)展導致了電磁場數值計算的發(fā)現(xiàn)與發(fā)展，其中有限元法在數值計算方法中具有極為重要的地位。有限元法

27、在電機中的應用可劃分為兩個階段：第一階段為等效電路――電磁場法，數學模型的框架仍建立在等效電路的基礎上，等效電路中的參數采用電磁場計算的方法求得，在電磁場計算時根據已知的電流分布求出磁場分布，主要采用恒定場模型和正弦穩(wěn)態(tài)場模型。近年來，隨著有限元算法程序的積累與進步，電磁場數值計算發(fā)展到第二個階段，它在電機中的應用也越來越廣泛，不僅能計算電磁場分布和電磁力，還可以計算變形、轉子運動、動態(tài)變化以及與電力電子裝置相結合等情況下的特性預測及電

28、機參數的計算等。與傳統(tǒng)方法有了根本的不同，電機與外部連接的部分根據基爾霍夫定律建立電壓平衡方程和電流平衡方程，電機內部直接根據麥克斯韋方程建立電磁場方程。當轉子運動時，將轉矩平衡方程考慮進去，這些方程耦合在一起，組成了系統(tǒng)的基本方程組，利用數值方法離散后聯(lián)立求解，在外加源給定的情況下，可以直接計算出電流、磁通密度等電磁量隨時間變化的實際波形[14]。</p><p>　　這些新技術的取得離不開有限元方法中關鍵技術

29、的發(fā)展，如自適應網格剖分、場域內介質間的相對運動的問題等。網格剖分與加密是有限元方法發(fā)展的“瓶頸”問題之一，目前所采用的自適應剖分及加密技術較好的解決了這一問題，它的基本思想是首先根據電機的結構、邊界條件及激勵條件選擇基本網格（初始網格）進行有限元運算，然后對運算的結果作誤差分析，若計算精度足夠則停止計算；若計算精度不夠，則對網格進行加密改進，再進行計算，循環(huán)進行上述過程，直到得到滿意的精度結果。時步有限元方法可通過計算電機內部的磁場，

30、比較準確地分析電機的運行狀態(tài)。為進一步深入研究直線電機暫態(tài)過程中的運行特性提供了分析工具。</p><p>　　第2章 直線電機原理與有限元分析基礎</p><p>　　2.1永磁直線電機基本原理</p><p>　　永磁直線電機從工作原理上講，與旋轉電機是一致的。它相當于把旋轉電機的定子和轉子沿圓柱面展開，得到直線電機的定子和動子，如圖2.1所示：</p&g

31、t;<p>　　圖2.1 直線電機演化示意圖</p><p>　　當在旋轉電機定子的三相對稱繞組中通入三相對稱正弦電流后，便會在氣隙中產生一個旋轉磁場。它可看成沿氣隙圓周呈正弦分布，電流變化一個周期，磁場轉過一對極。其旋轉速度稱為同步速度，用表示，它與電流的頻率成正比，與電機的極對數成反比。它與轉子永磁磁場相互作用，帶動轉子最終以同步速轉動。</p><p><b>

32、;　　(2.1)</b></p><p>　　如用v表示在定子內圓表面上磁場運動的線速度，則有</p><p><b>　　(2.2)</b></p><p>　　式中：－交流電源頻率；－極距。</p><p>　　永磁直線電機可以認為是旋轉電機在結構方面的變形。當在直線電機的初級繞組中通入三相對稱電流時，便

33、會在氣隙中產生磁場，當不考慮由于鐵心兩端開斷而引起的縱向邊緣效應時，這個氣隙磁場的分布情況與旋轉電機的相似，即可看成沿展開的直線方向呈正弦分布。當三相電流隨時間變化時，氣隙磁場沿直線移動，這種磁場稱為“行波磁場”。顯然，行波磁場的移動速度與旋轉磁場在定子內圓表面上的線速度是一樣的，即為：</p><p><b>　　(2.3)</b></p><p>　　它與次級的永

34、磁磁場作用，最終帶動次級沿行波磁場的運動方向作直線運動。</p><p>　　2.2永磁直線電機結構類型</p><p>　　永磁直線同步電機(PMLSM：Permanent Magnet Linear Synchronous Motors)按動子結構形狀可以分為單邊、雙邊、圓柱永磁直線同步電機；按輸入電流可分為矩形波與正弦波永磁直線同步電機；按動子磁阻特性可分為凸極型與隱極型永磁同步電機

35、。圖2.2所示的為單邊扁平鐵心齒槽結構的永磁直線同步電機直接驅動系統(tǒng)結構示意圖。</p><p>　　圖2.2永磁直線同步電機直接驅動系統(tǒng)結構示意圖</p><p>　　永磁直線同步電機按結構與性能特點主要分為以下幾類[15]：:鐵心齒槽直線電機(Ironcore Linear Motors)、空心直線電機(lronless Linear Motors )、無槽直線電機(SlotlessL

36、inear Motors)三類。</p><p>　　鐵心齒槽永磁直線電機結構原理如圖2.3所示，繞組按一定規(guī)律固定在疊層鐵心上。該類結構永磁電機的優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾方面：(1)由于鐵心的聚磁作用，氣隙磁密較大，產生的推力密度比較大；(2)散熱性能比較好；(3)動子剛度比較高。不足之處在于：(1)法向吸力比較大；(2)動子質量大；(3)齒槽效應引起推力波動；(4)鐵心的磁飽和問題等。</p><

37、p>　　圖2.3鐵心永磁直線電機結構示意圖</p><p>　　空芯動圈式直線永磁同步電動機的結構十分簡單，共有兩個組件構成(如圖2.3)：</p><p>　　1)定子組件(magnet way)沿全行程方向的直線交替安裝N, S永磁磁極；</p><p>　　2)動子(mover)為空芯通電繞組?？招緞尤κ街本€永磁同步電動機的定子組件通常采用稀土永磁磁極，

38、可以一側布置也可以雙側布置。減小氣隙可以增加氣隙磁密，為充分利用磁場空間，通常電機的空芯動子部分采用單層同心式繞阻，可以是三相繞組，也可以是多相繞組。</p><p>　　1-無鐵心轉子繞組；2-永磁體；3-定子軛鐵</p><p>　　圖2.4無芯動圈式直線永磁同步電動機</p><p>　　無槽永磁直線電機結構如圖2.5所示。與鐵心齒槽直線電機相比，去除繞組鐵心

39、，采用非鐵磁材料如聚合物等固定安裝繞組即轉換為無槽永磁直線電機。無槽永磁直線電機的等效氣隙相應變大，相同情況下氣隙密度變低，力密度比鐵心永磁直線同步電機要低；由于去除了繞組鐵心，動子質量變輕，同時無齒槽效應問題，磁飽和現(xiàn)象相對較弱，法向吸力一定程度上減小，由于背鐵的作用，依然保持較好結構剛度與散熱性能。</p><p>　　圖2.5無槽永磁直線電機結構示意圖</p><p>　　如果將無槽

40、永磁直線電機的繞組背鐵去除即轉換為空心永磁直線電機。去除繞組背鐵，動子質量進一步降低，氣隙磁密進一步降低，力密度相應更低，相應電流峰值密度比較高；同時散熱性能下降，動子剛度降低；同樣不存在齒槽效應問題，完全無磁飽和現(xiàn)象。</p><p>　　2.3有限元方法磁場分析</p><p>　　2.3.1有限元法磁場分析計算</p><p>　　基于麥克斯韋方程組的電磁場基

41、本理論，結合電機的實際情況，可以推導出用于描述電機內電磁場的各場量所滿足的偏微分方程。</p><p><b>　　麥克斯韋方程組為：</b></p><p>　　法拉第電磁感應定律 (2.4)</p><p>　　麥克斯韋-安培定律

42、 (2.5)</p><p>　　高斯電通定律 (2.6)</p><p>　　高斯磁通定律 (2.7)</p><p>　　電荷守恒定律

43、 (2.8)</p><p>　　現(xiàn)以二維場為例，設待求場量為 。概述一階有限元法的基本應用原理如下：</p><p>　　1）等價變分問題的構造</p><p>　　設待求微分方程型的數學模型為</p><p><b>　　(2.9)</b>&l

44、t;/p><p><b>　　其等價變分問題為</b></p><p><b>　　(2.10)</b></p><p>　　圖2.6場域 D的三角剖分示意圖</p><p><b>　　2）剖分與插值 </b></p><p>　　采用最常用的三角剖分（圖

45、2.6）和相應的三頂點線性插值。 設剖分的離散節(jié)點總量為n0 ，三角元總量為e0 。定義三角元e內的插值函數為 </p><p><b>　　(2.11)</b></p><p>　　式中稱為三角元e上的線性插值的基函數（亦稱形狀函數），它取決于單元的形狀及其相應節(jié)點的配置。</p><p>　　3）變分問題的離散化</p>&l

46、t;p>　　首先，實施單元分析，得</p><p><b>　　(2.12)</b></p><p>　　其次進行總體合成，即在分別擴充各列向量和方陣的基礎上，實施相應列向量和方陣求和的運算，導出</p><p><b>　　(2.13)</b></p><p><b>　　4）有限

47、元方程 </b></p><p>　　根據函數極值理論，應有。從而得出</p><p><b>　　(2.14)</b></p><p>　　上式再經強加條件(2.10)處理后，最終構成對應于原邊值問題式(2.9)的有限元方程解上述方程即得待求場量的離散量。</p><p>　　根據電機結構，所要求的電機中氣

48、隙磁場的解，在電磁場理論中屬于恒定磁場的計算問題，求解恒定磁場實質是求解滿足特定邊界條件的泊松問題。</p><p><b>　　(2.15)</b></p><p>　　在二維磁場中： (2.16)</p><p>　　在完成A 的求解后，便可根據電磁場基本方程求出其它的場量。求解此

49、方程可以用解析法、數值法等。有限元法就是在數值解法中占有重要地位的方法，從數學的角度說，有限元法是從變分原理出發(fā)，通過區(qū)域剖分和分片插值，把二次泛函數的極值問題化為普通多元二次函數的極值問題，后者又等價于一組多元線性代數方程的求解。</p><p>　　2.3.2時步有限元法的瞬態(tài)磁場分析計算</p><p>　　電機起動性能的準確分析和計算對于高性能電機的開發(fā)和研制有著重要的意義，傳統(tǒng)的

50、分析方法，如基于集中參數和狀態(tài)方程的數字仿真技術，以及基于時域的似穩(wěn)態(tài)電磁場分析法，不能合理的考慮起動過程中復雜的電磁物理現(xiàn)象。而采用場－路－機械方程相組合的時步有限元法是分析電機暫態(tài)過程的一種有力工具，它把外電路方程和電磁場方程結合在一起，直接求解定轉子電流和電機轉矩等物理量；結合機械運動方程，可以對整個起動過程進行仿真。在時步有限元法的計算過程中，可以考慮如下因素，鐵磁材料的飽和、轉子導條中的渦流、電磁諧波和齒槽效應等，計算精度高于

51、其它方法。運用時步有限元方法進行電機設計與分析是近年來的研究重點。</p><p>　　實際電磁場問題中，常常會碰到電壓、電流源為非正弦激勵的情況，或者模型中的物體處于平動或轉動狀態(tài)的情況，磁場、能量、力、功率損耗、速度等物理量是時間的函數。在這種情況下靜態(tài)場求解器在分析與時間有關的物體過程無能為力，因此需要進行瞬態(tài)分析。</p><p>　　麥克斯韋方程的微分形式為</p>

52、<p><b>　　(2.17)</b></p><p>　　式中，是永磁體的矯頑力；v是運動物體的速度；A是磁矢量；是電流密度。</p><p>　　瞬態(tài)求解使用一個參考框架，固定在模型某一部分使速度v=0。運動物體固定在自身坐標系，偏時間導數A的全時間導數，因而運動方程變?yōu)?lt;/p><p><b>　　(2.18)&l

53、t;/b></p><p>　　從而在每一時間段有限元模型中每一點都可以獲得。</p><p>　　第3章永磁直線同步電機的推力特性研究</p><p>　　3.1 永磁直線同步電機推力特性</p><p>　　3.1.1永磁直線同步電機的電磁力</p><p>　　使用永磁直線同步電機，就是期望獲得所需的推力、

54、設定的速度和一定的定位精度，而速度與推力密不可分。因此，永磁直線同步電機力的推力特性是永磁直線同步電機的重點研究內容之一。 </p><p>　　圖3.1永磁直線同步電動機力的示意圖</p><p>　　如圖3.1所示為永磁直線同步電機的力的示意圖，忽略Z方向的非對稱因素，永磁直線同步電機產生X方向的水平推力Fx與Y方向的法向吸力Fy。一般情況下，水平推力是我們所需求的，法向吸力在多數情況

55、下(磁懸浮應用系統(tǒng)除外)是不期望的。水平推力包括電磁推力、由邊端效應與齒槽效應引起的磁阻力組成。法向力一般都要比水平推力大一個數量級。</p><p>　　推力波動產生的原因：1）永磁直線同步電機開路磁場引起的邊端效應，設計不當，會產生較大的邊端力；2）永磁直線同步電機極距相對較小，每極每相槽數q不可能很大，否則在一極距上的總槽數較多，制造困難。若q取較小整數，就不能充分利用分布繞組來削弱磁場的諧波分量，產生較大

56、齒槽力；3）永磁直線同步電機存在較大的法向吸力，從而產生額外摩擦阻力。這些推力波動是產生永磁直線同步電機振動與噪聲的主要原因，會惡化其伺服運行特性；尤其應用在要求精密定位的場合，永磁直線同步電機進給系統(tǒng)在制動瞬間，這些擾動力的存在會使進給系統(tǒng)偏離目標位置，降低加工精度，甚至產生震蕩及不穩(wěn)定，降低電機驅動器電子元器件的工作壽命。</p><p>　　3.1.2永磁直線同步電機推力數值計算</p>&l

57、t;p>　　上一章已經對兩種永磁直線同步電機進行了電磁場分析，在此基礎上研究電機產生的推力。</p><p>　　麥克斯韋應力張量法適合于計算電工設備中的鐵磁材料在磁場中的受力情況。該方法指出，作用在鐵磁材料磁質上的總合力可用磁場的張力張量的面積分來計算。也就是說作用于任意區(qū)域上的體積力可以歸結為求解該區(qū)域表面所受的張力。即：</p><p><b>　　(3.1)<

58、/b></p><p>　　式中，為鐵磁材料受力；為磁場張力張量；是體電流密度；，分別為包圍磁質的封閉曲面和相應的體積。</p><p>　　具體在二維平行平面磁場分析中，式(3.1)將變成，</p><p><b>　　(3.2)</b></p><p>　　因此，推力和法向力表達式分別為</p>

59、<p><b>　　(3.3)</b></p><p>　　有限元分析中的離散表達式為</p><p><b>　　(3.4)</b></p><p>　　式中，為積分路徑經過的單元總數；為每個單元中積分路徑長度；和分別為線段的單位法矢量。</p><p>　　3.1.3永磁直線同步電機空

60、載、負載推力特性分析</p><p>　　對兩種永磁直線同步電機進行分析，得到兩種直線電機從起動到穩(wěn)態(tài)運行過程的空載、負載推力曲線。如圖3.2所示為永磁直線同步電機I的推力曲線。圖3.5和圖3.6為LD－125型永磁直線同步電機的推力曲線。</p><p><b>　　空載運行</b></p><p><b>　　b）負載運行<

61、/b></p><p>　　圖3.2永磁直線同步電機I動態(tài)響應推力曲線</p><p>　　a)空載運行 b)負載運行</p><p>　　圖3.3永磁直線同步電機I穩(wěn)態(tài)運行推力曲線</p><p>　　在通入相同的三相電源情況下，從圖3.2直線電機的空載和負載推力曲線上可以

62、看出，直線電機從靜止起動到穩(wěn)態(tài)運行時間很短，在0.25秒后，直線電機達到穩(wěn)態(tài)運行。如圖3.3a所示，空載穩(wěn)態(tài)運行時，電機推力在0N附近波動，推力波動范圍平均在-14N到17N之間。由于電機所加負載100N，如圖3.3b所示，負載穩(wěn)態(tài)運行時，直線電機推力在100N附近波動，推力波動范圍平均在80N到115N之間?？梢娫谥本€電機穩(wěn)態(tài)運行時，直線電機負載運行時推力波動比空載時推力波動大一些。</p><p>　　a)空

63、載運行 b)負載運行</p><p>　　圖3.4永磁直線同步電機I法向力曲線</p><p>　　圖3.4a、b所示是永磁直線電機I法向力曲線。分別與圖3.3永磁直線同步電機I穩(wěn)態(tài)運行推力曲線相比，法向力絕對值比推力大1個數量級。可見永磁直線同步電機存在較大的法向吸力，從而產生額外摩擦阻力，使電機產生推力波動。</p&g

64、t;<p>　　圖3.5 LD-125型永磁直線同步電機空載推力曲線</p><p>　　圖3.6 LD-125型永磁直線同步電機負載推力曲線</p><p>　　a）空載運行 b）負載運行</p><p>　　圖3.7 LD-125型永磁直線同步電機法向力曲線</p><

65、;p>　　同樣，對于LD-125型永磁直線電機加上100N負載后進行瞬態(tài)仿真，如圖3.5和圖3.6所示，直線電機起動時間很短，僅在直線電機起動運行到0.1秒后便達到穩(wěn)態(tài)，直線電機負載穩(wěn)態(tài)運行時推力在100N附近波動，波動的范圍也要比空載時直線電機的推力波動范圍大一些。</p><p>　　圖3.7a、b所示為LD-125型永磁直線同步電機穩(wěn)態(tài)運行時法向力曲線，分別與圖3.5和圖3.6相比較，同樣直線電機穩(wěn)態(tài)

66、運行時法向力比推力大很多。從而產生額外摩擦阻力，產生推力波動。</p><p>　　3.2 兩種不同結構永磁直線同步電機的推力特性對比</p><p>　　前面已經對兩種永磁直線電機分別進行了時步有限元分析，得出其推力曲線，并對其動態(tài)性能進行分析。這一小節(jié)中將同時對兩種永磁直線同步電機推力特性進行比較分析。</p><p>　　在加載相同三相電壓源情況下，從圖3.2

67、永磁直線電機I的空載和負載推力曲線上可以看出，直線電機從靜止起動到穩(wěn)態(tài)運行時間很短，在0.25秒后，直線電機達到穩(wěn)態(tài)運行。而圖3.5和圖3.6所示的LD-125型永磁直線同步電機從靜止起動到穩(wěn)態(tài)運行時間更短，運行到0.1秒后直線電機便達到穩(wěn)態(tài)運行。對于這兩種直線電機來說，在加載相同三相電源情況下，LD-125型永磁直線電機的起動時間更短。</p><p>　　a) 永磁直線同步電機I

68、 b）LD-125型永磁直線同步電機</p><p>　　圖3.8兩種永磁直線同步電機空載、穩(wěn)態(tài)推力曲線</p><p>　　a) 永磁直線同步電機I b）LD-125型永磁直線同步電機</p><p>　　圖3.9兩種永磁直線同步電機負載、穩(wěn)態(tài)推力曲線</p><p>　　如圖3.8a、b所

69、示是兩種永磁直線同步電機空載、穩(wěn)態(tài)時穩(wěn)態(tài)推力曲線。可以看出永磁直線電機I的推力波動較小。圖3.9a、b所示為兩臺電機負載時的穩(wěn)態(tài)運行推力曲線，可見永磁直線電機I的推力波動較小。因此在所加負載相同的情況下，LD-125型永磁直線同步電機穩(wěn)態(tài)運行時推力波動要比永磁直線同步電機I穩(wěn)態(tài)運行時推力波動大。</p><p>　　影響直線同步電機起動性能的因素有很多。在電機的眾多參數中電感對永磁直線同步電機的起動性能有一定的影

70、響。如圖3.10所示為改變電感對永磁直線同步電機的起動特性的影響。</p><p><b>　　a)</b></p><p><b>　　b)</b></p><p><b>　　c)</b></p><p><b>　　d)</b></p>

71、<p>　　圖3.10 不同電感永磁直線同步電機的起動特性</p><p>　　由于 、 ，電感變化，時間常數隨之變化，從而起動過程中電流發(fā)生變化，因此起動推力發(fā)生變化，可見電感越大，起動響應的時間越長；電感越大，電流越小，起動推力越小。因此電感對永磁直線同步電機的起動性能有著較大的影響。</p><p><b>　　3.3 本章小結</b></p&

72、gt;<p>　　對兩種永磁直線同步電機進行分析，得到兩種直線電機從起動到穩(wěn)態(tài)運行過程的空載、負載推力曲線。永磁直線電機I在運行0.25秒后達到穩(wěn)態(tài)，LD-125型直線電機在運行到0.1秒后達到穩(wěn)態(tài)，兩種直線電機起動時間都很快，并且LD-125型永磁直線電機起動時間較短。</p><p>　　兩臺直線電機穩(wěn)態(tài)運行時，負載時推力波動均比空載時推力波動大一些。</p><p>　

73、　永磁直線同步電機存在較大的法向吸力，摩擦阻力增大，是直線電機產生推力波動原因之一。</p><p>　　由于LD-125型永磁直線電機是集中繞組，不能充分利用分布繞組來削弱磁場的諧波分量，會產生較大齒槽力，引起推力波動。雖然集中繞組式永磁直線電機在結構上簡單，但在影響電機動態(tài)性能之一的推力波動上還存在著問題，有待于進一步的優(yōu)化改進。</p><p>　　永磁直線電機I在空載穩(wěn)態(tài)運行時的推

74、力波動較小，LD-125型直線電機空載穩(wěn)態(tài)運行時推力波動較大。在所加負載相同的情況下， LD-125型永磁直線同步電機負載時推力波動要比永磁直線同步電機I負載時推力波動大。</p><p>　　電感對永磁直線同步電機的起動性能有著較大的影響。電感越大，起動響應的時間越長、電流越小、起動推力越小。</p><p><b>　　結論</b></p><

75、p>　　1)對兩種永磁直線同步電機進行分析，得到兩種直線電機從起動到穩(wěn)態(tài)運行過程的空載、負載推力特性曲線。兩種直線電機起動時間都很短，永磁直線電機I動態(tài)相應0.25秒后達到穩(wěn)態(tài)運行，LD-125型永磁直線電機動態(tài)相應0.1秒后達到穩(wěn)態(tài)運行。電感對永磁直線同步電機的起動性能有著較大的影響。電感越大，起動響應的時間越長、電流越小、起動推力越小。</p><p>　　2)兩臺直線電機在穩(wěn)態(tài)運行時，負載時推力波動均

76、比空載時推力波動大一些。永磁直線電機I在空載穩(wěn)態(tài)運行時的推力波動較小，LD-125型直線電機空載穩(wěn)態(tài)運行推力波動較大。在所加負載相同的情況下，LD-125型永磁直線同步電機負載時推力波動要比永磁直線同步電機I負載時推力波動大。</p><p>　　3)永磁直線同步電機存在較大的法向吸力，摩擦阻力增大，是直線電機產生推力波動原因之一。</p><p>　　4)由于LD-125型永磁直線電機是

77、集中繞組，不能充分利用分布繞組來削弱磁場的諧波分量，會產生較大齒槽力，引起推力波動。雖然集中繞組式永磁直線電機在結構上簡單，但在影響電機動態(tài)性能之一的推力波動上還存在著問題，有待于進一步的優(yōu)化改進。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　值此論文脫稿之際，我謹向多年來所有給予我?guī)椭膸熼L、好友及同窗學友致以最誠摯的謝意！</p>

78、<p>　　首先，我要深深地感謝***老師等老師在學術上的指導和生活上的關懷。四年來，老師們的學識、嚴謹的治學態(tài)度、敏銳的洞察力和永遠開拓進取的工作作風，給我留下了深刻的印象。在學習和生活中，給予了學生很多的關懷和照顧，使我能夠克服許多方面的困難，順利地完成課題工作。在此，特向***老師表示深深的謝意和崇高的敬意！</p><p>　　最后，在論文撰寫過程中得到各位同學的大力幫助，在此向他們表示誠摯的謝

79、意！</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 郭慶鼎,王成元,周美文,孫延玉.直線交流伺服系統(tǒng)的精密控制技術.機械工業(yè)出版社.2000.</p><p>　　[2] 葉云岳．直線電機原理與應用．北京:機械工業(yè)出版社，2000</p><p>　　[3] 葉云岳．國內外直線電機技術的發(fā)展與

80、應用綜述．2002年全國直線電機學術年會，中國電工技術學會，2002</p><p>　　[4] 張伯霖，潘珊珊，于兆勤等．直線電機及其在超高速機床上的應用．中國機械工程，1997．8(4):85-88.</p><p>　　[5] 石麗梅，郭慶鼎，孫宜標．采用滑模觀測器的交流水磁直線伺服電機無傳感器控制．電氣傳動，1997, 27(4):7-12．</p><p>

81、;　　[6] 郭慶鼎，王成元，周美文等．直線交流伺服系統(tǒng)的精密控制技術．北京：機械工業(yè)出版社，2001</p><p>　　[7] 李慶雷．長行程水磁直線電機伺服單元的研究．北京：清華大學出版社，2000</p><p>　　[8] Z.Q.Zhu and D. Howe.Instantaneous magnetic field distribution in brushless perm

82、anent magnet dc motor, Part I open-circuit field. IEEE transactiona on Magnetics. 1993,Vol.29,No.1:124-135</p><p>　　[9] Z.Q.Zhu and D. Howe.Instantaneous magnetic field distribution in brushless permanent ma

83、gnet dc motor, Part II Armature-reaction field,IEEE transactiona on Magnetics.1993,Vol.29,No.1:136-142</p><p>　　[10] Z.Q.Zhu and D. Howe.Instantaneous magnetic field distribution in brushless permanent mag

84、net dc motor, Part III effect of stator slotting, IEEE transactiona on Magnetics.1993,Vol.29,No.1:143-151</p><p>　　[11] Z.Q.Zhu and D. Howe.Instantaneous magnetic field distribution in brushless permanent ma

85、gnet dc motor, Part IV Magnetic field on load. IEEE transactiona on Magnetics.1993,Vol.29,No.1:152-158</p><p>　　[12] Atallah K,Zhu Z.Q.Curvature effect in radial permanent machines. Electric Machines and Pow

86、er systems.1994,(22):511-520</p><p>　　[13] 張榴晨，徐松.有限元法在電磁計算忠的應用.北京：中國鐵道出版社，1996</p><p>　　[14] 程建鋼，李明瑞，黃文彬.有限元分析的并行計算方法.1995-2005</p><p>　　[15] 傅為農，江建中.異步電機時步法有限元軟件的研制.微特電機，1998，（5）:

87、5-6</p><p>　　[16] Ferenc Toth. Finite-element analysis of linear synchronous motors with different pole configuration. Journal of Electrical Engineering, 2003,3(1):11-20</p><p><b>　　附錄A<

88、;/b></p><p>　　Research on Linear Motor Driving System</p><p>　　Based on Wavelet Transform</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　end-effect is a main reason o

89、f influence on the characteristic of linear motor driving system, its direct impact is nonstable and undulate edges magnetic field. the wavelet transform is applied to analyze the linear motor driving system performance

90、in this paper. The improving thrust response system has been presented based on choice wavelet function and wavelet transform. Simulation results indicate that the proposed control strategy can abate the thrust ripple pr

91、oblem caused by end effect in l</p><p>　　Keywords wavelet transform; Linear motor; End effect； Direct thrust control system </p><p>　　Introduction</p><p>　　France physicist Morlet f

92、irst applied the wavelet to analyzing the partial characteristic of earthquake wave in 1984. Because wavelet transform is a kind of analysis method for time-scale (frequency) signal, in time-domain and frequency-domain,

93、which has the ability of exploring signal features with partial characteristic. Therefore, in the last years, the special analysis method has made itself theories rapid development and extensive application, especially i

94、n the aspects of signal analyzing a</p><p>　　Linear motor has longitudinal edge and transverse edge, for this reason the linear motor exist special end-effect. Longitudinal end-effect is caused by finite len

95、gth primary iron-core. Transverse end-effect is caused by finite width of primary and secondary, secondary current and secondary plates affecting the air-gap magnetic field. This is the main difference between the linear

96、 motor and the rotating machine. Longitudinal end-effect not only causes motor losses, lower electric efficiency and t</p><p>　　Traditional analysis method, Fourier transform, has localization contradiction

97、of time-domain and frequency-domain, some messages while analyzing nonstable signal will be usually lost. Therefore, it is necessary to research a new method that can solve this problem reasonably and effectively so as t

98、o improve linear motor driving system performance.</p><p>　　Single dimension continuous wavelet transform has higher sensitivity, stronger ability of denoising and lower demand of the input signal, and doesn

99、’t need objects mathematic model. The single dimension continuous wavelet transform is used for analysis the performance of linear motor driving system.</p><p>　　single dimension continuous wavelet transform

100、</p><p>　　The continuous wavelet sequence can be described as, </p><p><b>　　(1)</b></p><p>　　where is scale parameter， is shift parameter. The square-integrable fun

101、ction is called Mother Wavelet. A wavelet sequence can be obtained by dilation and shift transformation of the mother wavelet. The continuous wavelet transform of arbitrary function is expressed by (2).</p><p

102、><b>　　(2)</b></p><p>　　the mother wavelet formed wavelet sequence has an observable window function, so should satisfy following constraint condition:</p><p><b>　　(3)</

103、b></p><p>　　is a continuous function which must be zero at the initial point for satisfying (2), then,</p><p><b>　　(4)</b></p><p>　　And its Fourier transform is , whe

104、n fulfills the admissible condition: </p><p><b>　　(5)</b></p><p>　　It is shown that single dimension continuous wavelet transform uses both scale dilations and time shifts to ana

105、lyze the signal. The signal is expanded in window area []*[], where and represent the time-span and the frequent-span of window respectively. The time-frequency analysis is multi-resolution if varying the window area. T

106、he high frequency signal is suitably analyzed by the gradually exquisite time step, and the low frequent signal is finely analyzed by the exquisite frequency step. Th</p><p>　　Conclusions</p><p>

107、;　　Comparing with the Fourier transform analysis method, the wavelet transform technique has the characteristics that it analyzes the signal combining time domain with frequency domain together, for this reason it can ef

108、fectively solve the problem of time-domain and frequency-domain limitation. It is important to search a new method that can solve the problem in linear motor driving system so as to improve linear motor servo characteris