圆筒型永磁同步直线电机本体设计与控制分析

ｓｔｒｏｎｇ ｏｕｔｐｕｔ，ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ａｎｄ ＳＯ ｏｎ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｉｓ，ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ａｎｄ ｂａｓｉｃ
ｓｔｍｃｔｌｌｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｕｂｕｌａｒ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｌｉｎｅａｒ ｍｏｔｏｒ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ
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Ｉ山多研崧缸雠倒掣必扣谚影垆Ｕ６ｆｌ月Ｉ＼多ｌ２日Ｉ坼Ｉ Ｉ１学ｏ渤剿ｏ９２ＩＩ山位净Ｉｌｌ论Ｉ 文版权使用授权书 阼占 江电缩允学志论本指易者文Ｆ 导月苏子印许位社文学咖教大杂或论将的位师学志其文本公论签、社他被全论布文名中有复查文（属；包国权制阅数编于括科保手和据入不刊学留段借库《保登技本保阅》中密）术人存，并国授口信所论同向优权。息送文时社秀江研交。授会博苏究学本权提硕大所位人中供士学、论电国查学研国文子科询位究家的文学，论生图复档技授文院书印的术权全办馆件内信中文理、和容息国数。中电和研学据国子纸究术库学文质所期》术档论将刊并期，文本（向光刊可的论社盘（以内文会光版采容编提盘）用相入电供版影一《子查）印致中杂Hale Waihona Puke Baidu、，国。
Ｐｏｗｅｒ（ＢＫ２００８２２８）”，ａ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｌｉｎｅａｒ ｍｏｔｏｒ ｉｎ ｔｈｅ ｆｒｅｅ ｐｉｓｔｏｎ
ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｅｎｇｉｎｅ ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｕｂｕｌａｒ
ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ａｇａｉｎｓｔ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｏｔｏｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ
ｒｅｌａｔｅｄ ｖａｒｉａｂｌｅｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｔｈｒｕｓｔ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｓ，ｔｈｅ ｂａｃｋ－ｅｍｆ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｃｏｎｔｅｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ａｉｒ
ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｌｉｎｅａｒ ｍｏｔｏｒ ｉｓ ａｎａｌｙｓｅｄ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ ａｎｄ
ｒｅｌａｔｅｄ ｐｌａｔｆｏｒｍｓ ｉｓ ｂｕｉｌｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＤＳＰ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｔｏｏｌｓ．Ｔｈｅ ｔｕｂｕｌａｒ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ
圆筒型永磁同步直线电机本体设计与控制分析
江苏大学硕士学位论文
ＡＢＳＴＲＡＣＴ
Ｔｈｉｓ ｔｈｅｓｉｓ ｉｓ ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｙ Ｊｉａｎｇｓｕ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ Ｎａｔｕｒａｌ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ“Ｍｏｄｅｌｉｎｇ， Ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ Ｓ臼ｍｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｇ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｆｒｅｅ Ｐｉｓｔｏｎ Ｅｎｇｉｎｅ
１．１课题概述…………………………………………………………………………ｌ １．１．１课题来源…………………………………………………………………．１ １．１．２课题研究的现状与背景…………………………………………………．１
１．２直线电机概述……………………………………………………………………２ １．２．１永磁同步直线电机的基本原理…………………………………………．２ １．２．２永磁同步直线电机的分类………………………………………………．３
ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｕｂｕｌａｒ ｌｉｎｅａｒ ｍｏｔｏｒ ｓ仃ｕｃｎｌｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．
Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｔｈｅｏｒｙ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ
２．１．１永磁同步电机在ｄ－ｑ轴下数学模型……………………………………．．９ ２．１．２永磁同步直线电机在ｘ．Ｙ轴下的数学模型……………………………１０ ２．３电磁场建模方法介绍…………………………………………………………一１２ ２．３．１麦克斯韦方程组…………………………………………………………１３ ２．３．２二维有限元计算过程…………………………………………………一１ ５ ２．３．３有限元模型的建立过程………………………………………………．．１５ ２．４本章小结………………………………………………………………………一１ ７ 第三章永磁同步电机参数优化……………………………………………………一１８ ３．１电机仿真结构的说明…………………………………………………………一ｌ ８ ３．２永磁材料的选择………………………………………………………………一１ ９ ３．３绕组形式的选择………………………………………………………………．．１ ９ ３．３．１三种绕组系数比较……………………………………………………一２１ ３．３．２反电动势和磁链波形分析……………………………………………一２２ ３．３．３对比三绕组气隙磁密波形……………………………………………一２４ ３．４充磁方式的选择………………………………………………………………一２４ ３．５ １ｉ同槽型对气隙磁场的影响…………………………………………………一２６
ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｖａｒｉｏｕｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ ａｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ． Ｆｉｎａｌｌｙ，ａ ｖａｒｉｅｔｙ ｏｆ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｂｏｕｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅｎ
ｗｉｄｔｈ ａｎｄ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ，ｔｈｅ ａｉｒ ｇａｐ ｆｌｕｘ ｄｅｎｓｉｔｙ，
ｈａｒｍｏｎｉｃ ｃｏｎｔｅｎｔ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｗｉｄｔｈ ａｎｄ ｔｈｃｉｋｎｅｓｓ ａｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ．
ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｍｏｔｏｒ ｉｓ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ｆｉｒｓｔｌｙ．Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｍｏｄｅｍ
ａｓ ｗｅｌｌ ８．５ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ ｏｆ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ ｉｓ
江苏大学硕士学位论文
目录
摘要……………………………………………………………………………………．Ｉ
ＡＢＳＴＲＡＣＴ……………………………………………………………………………………………………．ＩＩＩ
目 录……………………………………………………………………………………．Ｖ 第一章绪论……………………………………………………………………………．１
ｇａｐ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｃｏｎｔｅｎｔ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｃｈｏｉｃｅ ｏｆ ｔｕｂｕｌａｒ ｌｉｎｅａｒ ｍｏｔｏｒ ｉｎｔｅｒｎａｌ
ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｉｓ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｂｙ Ａｎｓｏｆｉ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ａ ｓｅｔ ｏｆ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｍｏｔｏｒ ｏｐｔｉｍａｌ ｄｅｓｉｇｎ
独创性声明
本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果，也不包 含为获得江苏大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
ｂａｃｋ－ｅｍｆ ｗａｖｅｆｏｒｍ ａｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ．Ａｇａｉｎｓｔ ｍｏｔｏｒ ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ ｆｅａｔｕｒｅｓ，ｔｈｅ
ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ ｗａｙ．Ａｇａｉｎｓｔ ｔｈｅ
１．３直线电机控制策略的发展概况…………………………………………………４ １．４直线电机本体设计概况…………………………………………………………５ １．５论文研究的主要内容……………………………………………………………７ 第二章永磁直线电机数学模型理论与有限元建模原理……………………………８ ２．１永磁同步直线电机的数学模型…………………………………………………８
ｈａｒｍｏｎｉｃ Ａｇａｉｎｓｔ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ ｔｅｅｔｈ ｓｐａｃｉｎｇ，ｔｈｅ ｂａｃｋ－ｅｍｆ
ｃｏｎｔｅｎｔ ａｎｄ ｒｅｌａｔｅｄ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ
ａｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ．Ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｃｈｏｉｃｅ ｏｆ ｔｈｅｓｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ａ ｓｅｔ ｏｆ
ｍａｇｎｅｔ ｌｉｎｅａｒ ｍｏｔｏｒ ｉｎ ｔｈｓ ｐａｐｅｒ ｉｓ ａ ｋｅｙ ｐａｒｔ ｏｆｔｈｅ ｆｒｅｅ ｐｉｓｔｏｎ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｅｎｇｉｎｅ． Ｔｈｅ ｔｕｂｕｌａｒ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｌｉｎｅａｒ ｍｏｔｏｒ ｏｗｅｓ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｓｉｍｐｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，
ｓｃｈｅｍｅ ｉｓ ｔｒｉｅｄ ｔｏ ｂｅ ｅｘｐｌｏｒｅｄ．Ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｐｒｅｍｉｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ ｇｅｎｅｒａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｓ
ｋｎｏｗｎ，ａｇａｉｎｓｔ ｔｈｅ ｃｈｏｉｃｅ ｏｆ ｍｏｔｏｒ ｗｉｎｄｉｎｇｓ．Ｔｈｒｅｅ ｗｉｎｄｉｎｇｓ ｆａｃｔｏｒｓ，ｆｌｕｘ ｄｅｎｓｉｔｙ ａｎｄ
硕士学位论文 分ＵＴ６编圆Ｔｄｏｔｐｍｓｌｍａｃ申论２３学江答评Ｄ啊２０．ｈｅｆｕｙｉｏＱｎａＣ１号１类ｅｓｂｒｎｔ３．！辩阅ｄａ请文位筒ｇ菱６５ｉｕｍｃｅｏｔ墨垒９３ｌｎ号ｇｌａｈｒ．委人ｙ学提答授ｎａｒｏ型ｅ太：４ｒｅｏｌｓｔ员ｎｉ位交辩予墨鱼永堂ｔｏｓ会ｕ级日单ｓ磁主别期位同席和步日直期线电机本体设计与控制分析
ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｄａＭ圆ｏｄｐｔｍｓｌｍｉＶｃａｔｂｕｓｒａｆｅｈｅＡｄｖｕＤＰｈＰｗｇＫｌｓｒＶｏｔｅｅｆｈｙｉｓｄｏｎｒｗｕｌｔｃｐＩ／ａｘｐａｅｏｒｈｃｉ诧ｘｆｕｌｉｎＡｄｓｅｙｘＷａｎｗｐｅｉｅＳａｃｒｓｅｎｃｄｒｉｏｍｕａｇｔｖｌｐｙｔｒｅｍｈｆｌｐｓａｂｎｇｏｓｄＴ筒ｖｉｕｇｒｎｔｐｒＭｇａｏｅｉｃｅｎｔｕｈｖｏｄＤｓａｗｍｋｍｓＰｒｉａｍｏｈｐｅｕｔｃｃｄｒｏｇｅａＬｎｍｃｅｇｈｔｏｒｓｌｕｉｆ－ｎｌｅｔｒｃｍａｒｏｌｗｔｕｕｉ．ｄｎｒｉｏｔａｕｄｇｂｅｍ，ｙｄＡ型ｎｇｉａｈｒｉｅｎｅｄｒｙａｄｍｂｃ，ｏｆｌｐｔａｒｅｎｃｉｕｇｍｄ，ｌｇｗｖＢｔｆｎｒｉｚｔｅｓｒｄｐｌｎｅｍｉｈｏｙ：ａｆｔｚ，ａ永ｓｉｅｏｍａｎＴｅｎｏｄｔａｃ，ｇｈｒｍ．ｉｌｅｎｕｄｇｏｃｌｅｔｓｄｒｔ，．ｈｍｉｔｅｈｒｓ．ｄｔｎＳＴｙｉｏｔｃ磁ｓｅｔａｉｏ，ｄｎｉＯｄｅｈｎｆｏｔ，Ｔｈｄｓ．ｙａｓｎｕｔｅｉｒｎｈｏ，ｔ．ｆｇ同ｒｃｓｉａｔｅｉＢｒｅｎａｕａｃｙｎｏｓ步．ｇｎｓＴｐｓｉｌｄｔｔｈｌ直ｅｅａｔ线ｆ电ｏｒ机ｍ本，体ｔｈ设ｅ计与控制分析