液质悬浮式三自由度电机多物理场耦合分析

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1、中图分类号：公开：ＴＭ３５密级ＵＤＣ：６２１．３学校代码：１００８２＾＾Ｅ０＾ＮＳＣＩＥＣＨＥＢＥＩＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＳＣＩＥＮＣＥＡＮＤＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ硕士学位论文液质悬浮式三自由度电机多物理场耦合分析论文作者：智若东指导教师：李争教授企业指导教师：李朝晖高级工程师申请学位类别：工程硕士学科、领域：电气工程所在单位＿：电气工程学院答辩日期：２０１８年６月ClassifiedIndex：TM35SecrecyRate：PublicizedUDC：621.3UniversityCode：10082HebeiUn

2、iversityofScienceandTechnologyDissertationfortheMasterDegreeMulti-physicsCouplingAnalysisofLiquidSuspensionThree-DOFMotorCandidate：ZhiRuodongSupervisor:Prof.LiZhengEnterpriseSupervisor：Engi.LiZhaohuiAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：ElectricalEngineeringEmployer：SchoolofEle

3、ctricalandEngineeringDateofOralExamination:June,2018摘要摘要近年来，随着仿生驱动和机电一体化的需求日益增加，通过单一装置可产生空间运动的多自由度电机吸引了越来越多的关注。传统的多自由度电机多采用机械轴承连接结构，结构复杂，定位精度低且摩擦损耗较大。本文以一种新型液质悬浮式混合驱动三自由度电机为研究对象，该电机创新地采用液质悬浮结构，在定转子之间注入液体油膜以减少摩擦损耗，电机旋转时形成的液体膜能使得转子实现悬浮运动。然而，多数此类电机或执行器在额定运行时，在驱动力部分通常会承受很大的压力，可能造成绝缘损坏。当绕组出现短路等异常状态时

4、，应力可能是额定状态的30倍，对电机性能造成损害。因此，有必要分析电磁力及其产生的电磁热效应对电机结构的影响。此外，定子和转子之间油膜会与电机定子壳和转子壳发生相互作用，将引起液质油膜膜形状的变化，进而影响电机性能并造成不稳定运行。因此，对电机进行了流固耦合分析。本文主要针对电机的电磁多物理场耦合及油膜液固耦合作进行了分析。首先，介绍了电机的工作原理和结构参数，制定该电机的驱动通电策略，通过MAXWELL3D软件建立了电机三维模型，利用有限元法计算了电机永磁体磁场及气隙磁场分布情况。采用解析法对电机气隙磁场建模，采用解析法对有限元法的正确性进行了验证。然后结合经典电磁理论，进行电磁结

5、构耦合分析，对线圈通电及永磁体激励情况下，计算了定子磁极铁芯的形变及应力分布情况。根据涡流损耗理论，分析电磁热效应对结构的影响，计算了定子磁极铁芯涡电流密度分布情况，并求解了涡电流密度所造成的热应力分布。最后，对流固耦合的原理进行了阐述，介绍了液体油膜的特性及分析方法，利用COMSOL限元分析软件对该电机进行了流固耦合分析，得到了液体油膜、转子壳及定子壳相互作用时的应力分布情况，对比分析了不同角速度时球壳所受应力的影响。所做工作对于电机的优化设计具有一定参考价值，为电机进一步优化奠定了理论基础。关键词球形电机；三自由度；电磁场计算；电磁耦合；流固耦合IAbstractAbstract

6、Inrecentyears,withtheincreasingdemandsforbionicdriveandmechatronics,thespacialmovementgeneratedbysingleunitsuchasmulti-degree-of-freedom(multi-DOF)motorshasattractedmoreandmoreattention.Thetraditionalmulti-DOFmotorsalwaysadoptmechanicalbearinginconnectionstructure,whichleadstoamorecomplexstruct

7、urewithlagerfrictionlossandalowerpositioningaccuracy.Theanalysisisaccomplishedinviewofanovelbasedhybriddrivethree-degrees-of-freedommotorwhichinnovativelyusesthefluiddampingstructure,wheretheliquidoilfilmisinjectedbetweenthestator