磁悬浮开关磁阻球形电机结构设计与三维磁场分析

论文摘要

随着现代工业技术的发展,磁悬浮技术和多自由度运动机构受到了越来越多的重视。本文结合磁悬浮技术和多自由度电动机的发展现状和趋势,提出了一种新型无轴承多自由度电机——磁悬浮开关磁阻球形电机。该类电机特有的球形结构,无法照搬传统电机的研究方法与经验,其研究具有开拓性和前沿性。目前,磁悬浮开关磁阻球形电机还处于理论探索阶段,主要内容局限为电磁模型、运动学模型及动力学模型的理论推导与计算。本文研究的磁悬浮开关磁阻球形电机是机电一体化复杂的综合系统。具有结构简单、体积小、重量轻、力学性能指标高等优点。本文具体工作包括以下几个部分：1.介绍了多自由度电机的发展现状与趋势,提出了磁悬浮开关磁阻球形电机的研究方向。2.对磁悬浮开关磁阻球形电机定转子磁极球面的分布规则进行了分析计算,分别介绍了采用近似等边球面划分原则和基于球面多面体的磁悬浮球形磁阻电机定转子磁极的分布。3.应用球谐函数理论,对磁悬浮开关磁阻球形电机磁场进行了计算,得到了磁场解析模型,推导了电磁转矩和悬浮力公式。为后期磁悬浮开关磁阻球形电机的有限元仿真计算建立了可靠的理论基础。4.设计了磁悬浮开关磁阻球形电机的总体结构和相关的零部件结构,从机械和电磁两方面设计并优化了电机结构。5.介绍了三维有限元法计算电机磁场的基本原理；利用有限元软件建立了磁悬浮开关磁阻球形电机有限元模型；分析了电机转子凸极厚度对气隙磁场的影响；对悬浮力、转矩、电感及磁链特性进行了分析仿真,结果与理论计算值进行了比较,验证了电机的特性。6.设计了单自由度磁悬浮开关磁阻球形电机的实验平台,为多自由度磁悬浮开关磁阻球形电机的稳定悬浮提供了可靠的试验条件。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国外球形电动机的研究概况
• 1.3 国内球形电动机的研究概况
• 1.4 磁悬浮开关磁阻球形电机的研究方向
• 1.5 论文的主要内容
• 第二章 磁悬浮开关磁阻球形电机磁极分布规律研究
• 2.1 概述
• 2.2 磁悬浮开关磁阻球形电机的运行原理
• 2.3 电机定转子磁极一般分布规律
• 2.3.1 近似等边球面划分原则的电机定转子磁极分布
• 2.3.2 基于球面多面体的电机磁极分布
• 2.4 磁悬浮开关磁阻球形电机磁极分布及其坐标计算
• 2.4.1 磁悬浮开关磁阻球形电机磁极定位规则
• 2.4.2 磁悬浮开关磁阻球形电机磁极坐标计算
• 2.5 本章小结
• 第三章 磁悬浮开关磁阻球形电机磁场计算
• 3.1 概述
• 3.2 球谐函数的基本理论
• 3.3 磁悬浮开关磁阻球形电机的磁场计算
• 3.3.1 标量磁位的通解
• 3.3.2 边界条件
• 3.3.3 磁悬浮开关磁阻球形电机磁场解析模型
• 3.4 电磁力的几种计算方法
• 3.5 磁悬浮开关磁阻球形电机电磁转矩和磁悬浮力模型
• 第四章 磁悬浮开关磁阻球形电机结构
• 4.1 概述
• 4.2 磁悬浮开关磁阻球形电机的结构
• 4.2.1 电机转子结构
• 4.2.2 电机定子结构
• 4.2.3 夹持装置的设计
• 4.2.4 气隙δ的设计
• 4.2.5 电机机体的设计
• 4.2.6 电机总体的设计
• 4.3 磁悬浮开关磁阻球形电机磁路设计
• 4.3.1 各段磁路的截面积
• 4.3.2 气隙有效长度
• 4.3.3 铁心中的磁势
• 4.4 磁悬浮开关磁阻球形电机绕组设计
• 4.4.1 线圈匝数
• 4.4.2 绕组电阻的计算
• 4.4.3 绕组的自感和互感计算
• 4.5 磁悬浮开关磁阻球形电机的参数设计计算
• 4.5.1 铁芯数据
• 4.5.2 磁路计算
• 4.5.3 绕组线圈计算
• 4.6 磁悬浮开关磁阻球形电机基本特性核算
• 第五章 磁悬浮开关磁阻球形电机三维磁场有限元分析
• 5.1 概述
• 5.2 有限元法的基本原理
• 5.3 磁悬浮开关磁阻球形电机的有限元分析
• 5.3.1 电机的有限元模型
• 5.3.2 加载荷及边界条件
• 5.3.3 后处理
• 5.4 结果分析
• 5.4.1 电机转子凸极厚度对气隙磁通密度的影响
• 5.4.2 电感和磁链分布特征
• 5.4.3 气隙大小与悬浮力和力矩的关系
• 5.4.4 悬浮力与电流大小和转角之间的关系
• 5.4.5 转矩与电流大小和转角之间的关系
• 5.5 本章小结
• 第六章 单自由度磁悬浮开关磁阻电机试验平台
• 6.1 概述
• 6.2 单自由度磁悬浮开关磁阻电机硬件试验平台
• 6.2.1 试验平台的结构
• 6.2.2 试验平台的数字控制系统
• 6.2.3 试验平台的主要参数检测
• 6.3 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 本文主要工作和创新点
• 7.2 今后研究工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间主要的研究成果