动磁式永磁平面电机电磁力建模与有限元仿真研究

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动磁式永磁平面电机是一种新型的高精密驱动电机,其依靠磁悬浮进行支撑运动过程的特点,大大简化了导轨结构,可以实现无摩擦、大行程、高速度的平面六自由度驱动。独特的动磁式结构消除了定子与动子间的电气连接,克服了平面电机行程短及线圈散热差等问题,特别适合真空、高速等特殊环境,具有广阔应用前景。本文针对此类新型动磁式平面电机进行以下几个方面的研究。  论文首先阐述了不同类型平面电机的国内外研究现状,接着介绍了永磁平面电机的磁阵列结构和线圈阵列结构。通过运用电磁场理论建立了永磁阵列基本数学模型,使用谐波分析法及边界条件等推导出了考虑磁块间隙的永磁阵列磁场分布解析表达式。同时针对简化后的线圈阵列进行了磁场分析,得出了磁场分布解析公式并给出了线圈电感及电阻的表达式。  介绍了坐标系转换和磁场能量守恒原理,并在动子永磁阵列磁场解析模型的基础上运用基于磁共能的虚位移法推导了电磁力的一般表达式。同时分析了简化模型情况下的洛伦兹磁场力和电磁转矩,并得出了其解析表达式。针对解析法三维场中线圈拐角圆弧忽略的缺点,提出了一种精确积分方法,将目前通常采用的矩形简化法提高到了全尺寸精确模型,有效提高了永磁平面电机的计算精度。  在系统分析通用电机电磁场有限元分析理论的基础上,运用Ansoft Maxwell3D分析软件建立了动磁式永磁平面电机的有限元分析模型,并分别分析了无铁磁背板和有铁磁背板情况下三维电磁场分布。运用有限元法得出了静磁力的大小,仿真结果与解析法结果对比验证了解析法理论分析的正确性。同时针对气隙高度、永磁阵列厚度及其比值等平面电机关键结构参数进行了比较研究,得出了参数影响规律,其结果为进一步优化设计方案提供了参考。
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