永磁转子偏转式三自由度运动电机建模分析与结构参数的优化设计

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1、中图分类号：ＴＭ３５密紐：公开ＵＢＣ；６２１．３学校代码：１００８２一一１４ｔｊｉ＾＾＾ｆＨＥＢＥＩＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＳＣＩＥＮＣＥＡＮＤＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ硕±学位论文．？：．；永磁转子偏转式兰自由度运动电机建模分析与结构参数的优化设计论文作者：张瓣指导教师：李争副教授企业导师：李朝辟高工申请学位类别；工程硕壬＾学科、领域：电气工程所在单位：电气工程学院答辩日期：２０１５年５月２９日抑北科技大学学位论文原创性声明，独立进

2、行研究工本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，均己在文中Ｗ明确方作所取得的成果。对本文的研究做出重冀贡献的个人和集体式标明。餘文中已经注明弓１用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发担。表或撰写过的作品或成果。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承＾学位论文作機缸指导獅齡；■＾如Ｖ年５：月曰年ｔ月月巧北科技大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部口或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本检＜＾内容编

3、入有关数据库进行＊将人授权河北科技大学可＾＾本学位论文的全部或部分用影印。、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文索，可！＾采□保密年解密后适用本授权书。，在＿本学位论文属于－＾保密。＂”（请在议上方框内打Ｖ）指导教师签名；学位论文作者签名；＇＞年月）年Ｔ月曰作＾ClassifiedIndex：TM35SecrecyRate：PublicizedUDC：621.3UniversityCode：10082HebeiUniversityofScienceandTechnologyDissertationfortheM

4、asterDegreeModelingandOptimizationDesignofaNovel3-DOFDeflectionTypePMMotorCandidate：ZhangLuSupervisor:AssociateProf.LiZhengEnterpriseSupervisor：Engi.LiZhaohuiAcademicDegreeApppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：ElectricalEngineeringEmployer：SchoolofElectricalandEngineering

5、DateofOralExamination:May,2015摘要随着机器人、智能化柔性系统等工业技术的不断发展，需要实现在工作空间内的多自由度运动，但是传统的实现方法是将多个单自由度电机通过传动机构连接在一起，这不仅占用空间庞大而且增大了误差累积从而影响精确度。同时由于系统中减速齿轮的较多应用，增加了电机的转动惯量和力矩内耗，从而减弱了电机的动态性能。因此传统的实现多自由度运动的方法已经远远不能满足现代工业的要求。本文提出的新型永磁转子偏转式三自由度运动电机不仅能够在一台电机上实现多自由度运动，而且在体积、精确度和稳定性等方面较传统的电机有了很大

6、的提高。本文对该电机的结构和工作原理进行了研究，并给出了其电磁模型和动力学模型，对电机的结构参数进行了优化。本文的主要工作具体包括以下几个方面：1)研究了一种永磁转子偏转式多自由度电机，并对其结构和工作原理进行了详细的分析，并研究了其通电策略，该电机可以在自转的前提下实现一定范围的偏转运动。2)应用解析法和有限元两种方法对电机进行电磁建模，通过模型分析该电机气隙磁密和自转与偏转的转矩特性。在球坐标系下求解拉普拉斯方程，建立该电机的磁场模型，并利用麦克斯韦张量法建立该电机的转矩模型；作为对比，应用有限元仿真软件ANSOFTMAXWELL对电机的气隙

7、磁密和转矩进行建模仿真。通过分析转子极对数对电机性能的影响，完成对偏转式电机的初步优化。3)通过求解永磁转子偏转式三自由度运动电机的动力学微分方程组建立该电机的动力学模型并用MATLAB对其进行仿真分析。利用ADAMS软件和SOLIDWORKS软件联合建立该电机的三维物理参数模型。由动力学仿真得到了该电机的输出力矩曲线，在系统水平上真实地预测电机系统的工作性能。4)将响应面法引入到永磁转子偏转式三自由度电机转矩的优化过程中。应用田口(Taguchi)算法筛选出对电机转矩影响大的结构参数；并基于中心复合设计(CCD)的方法构造出样本点组，通过小规模

8、试验分别得到了该电机的自转转矩和偏转转矩的响应面数值模型。5)对建立的响应面模型进行方差分析，以验证响应值与自变量之间的线性关系。基于前