永磁同步直线电机的研究

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1、2永磁同步直线电机的研究2.1引言直线电机抽油机使用直线电机直接带动抽油杆运动，从根本上摆脱了游梁式抽油机的四连杆机构，使得抽油机的性能得到了突破性的进展。在综合考虑效率、成本、占地面积等因素的前提下，选择了永磁同步直线电机作为直线电机抽汕机的动力驱动装置。在许多工业领域中，被控对象的运动路径往往是直线的形式，由于直线运动驱动黠没有得到充分的发展，长期以来不得不借助于旋转电动机的旋转运动，通过机械变换环节而获得最终的直线运动，而直线电机无需中间的机械变换装置即可产生直线机械运动，这种“零传动'‘方式不仅简化了系统的结构，而

2、且消除了屮间环节所带来的齐种定位误差，有较髙的定位精度。由于动子和定子Z间始终保持一定的气隙而不接触，消除了定、动子间的接触摩擦阻力，实现了力的无接触传递，机械摩擦损耗儿乎为零，大人地提高了系统的灵敏度、快速性和随动性，而且故障少，系统工作安全可靠、寿命长。因而直线电机已被广泛地应用于工业、民用、军事及其他各种直线运动的场合。作为直线电机的一种，直线永磁式交流伺服电动机具有推力强度高、损耗低、时间常数小、响应快及控制比较容易等一系列特点5o90年代初，世界上开始对“直线同步电动机驱动垂直运输系统叩勺理论和试验研究，它将是对

3、传统旋转电机驱动垂直运输系统的重人变革，由于其有着重人的理论研究价值和十分诱人的应用前景，F1益受到人们重视。它主要包括高层建筑电梯和矿井提升系统两个方面的应用6。近十余年来，直线电机得到了快速发展。其中，永磁同步直线伺服电机出于具有精度高、噪音低、效率高、控制容易等优点，发展尤为迅速。永磁直线同步电机及其伺服系统以高效、节能等显著优点越来越受到重视7・13o目前，美国、H本、中国等国家己取得了成功的开发与应用。由于永磁直线交流电机消除了旋转电机由旋转运动到直线运动的机械传动链的影响，省掉了机械速度变换机构，将负载直接与永

4、磁直线同步电动机的动了相连，把控制对象同电机做成一体化结构，消除了机械速度变换机构所带来的一些不良影响。如摩擦、机械后冲、弹性变形等，使其在高精度、微进给伺服系统11中成为执行机构的最佳选择14-17o永磁直线同步电动机结构简单、加工方便、高效、节能，具有高推力、低损耗、小电气时间常数，响应速度快等特点，它在推力、速度、定位精度、效率等方面比直线感应电动机和直线脉冲电动机等具有更多的优点，是构成直接驱动直线伺服系统的首选电机类型。在地而高速运输线、往复伺服系统、垂直提升系统等场合止越来越受到重视，具有H益广阔的应用前景18

5、-2k由于直线电机固有结构，也存在许多影响其控伺服性能的因索，如屯机的端部效应、齿槽效应、永磁体磁链谐波等将产生推力纹波、系统参数动子质量、粘滞摩擦系数等的变化、负载阻力扰动、摩擦阻力的非线性变化以及状态的观测噪声等都会降低系统的伺服性能22・24。国内外学者已对旋转电机的直接转矩控制做了大量的研究工作采収了各种方法如载波控制法、电压细分法、电压预测法等25-28,但对直线永磁同步电机宜接推力这方面的工作进行的研究还较少。究其原因，主要是由于与永磁旋转电机相比，永磁直线同步电机的理论尚不完善。FI前其解析研究主要集中在一维

6、稳态方面，有磁场解析法、磁路法、等效磁网络法、等效电路法等。一般是将电机理想化，即取电机的一个极距为求解区域，将绕组和永磁体等效成正弦电流层，忽略铁芯开断、边端效应、补偿绕组、端部半填槽、三和绕组不平衡等因素的影响，基本是沿用传统旋转电机的分析方法。但实际上，由于一般采用对称电源三和三线制星形Y联接方式供电和永磁同步直线电机本身特有的结构特点，永磁直线同步电动机各相的阻抗、屯压、屯流均不对称，这是该电机正常的运行状态，也是与普通旋转屯机的不同之处。关于永磁同步直线电机在不对称正常运行状态下的稳态解析，在一些需要精确计算的场

7、合，通常采用二维三维有限元数值解法或仿真等方法求解，但它给出的不是解析表达式，而且有些场合似乎并无十分必更。根据永磁同步直线电机的结构和运行特点，运用“整体分层线性模型''和磁体逐极法、逐槽电流法，用傅里叶解析的方法求解永磁同步直线电机二维稳态场分布29-31o相比较而言，傅里叶解析法求解永磁同步直线电机更为合适和有效。122.2永磁同步直线电机的结构与控制原理旋转电动机的定子和转子，在直线电动机小称为初极和次极。为了在运动过程中始终保持初极和次极耦合，初极侧与次极侧中的一侧必须做的较长。永磁同步直线电机是在定子即次极上，

8、沿全行程方向的一条直线上，一块接一块交替地安装N、S永磁体如图2・1所示。而动子即初极下方的全长上，对应地多安装含铁心的通电绕组。为此，动子必须带电缆一起运动。图2・2为其横剖面图。图2-1永磁同步直线电机结构图图2-2永磁同步直线电机横向剖而图永磁同步直线电机结构型式主耍分为平板型、圆筒型或管型、圆盘