旋转直线永磁电机演示教学.ppt

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1、旋转直线永磁电机引言旋转直线永磁电机是一种无中间传动机构的新型电机，这种电机可以分别做直线运动、旋转运动以及两者合成的螺旋运动。优点：机械集成度高，电机结构材料和驱动控制系统元件利用率高，机电一体化。缺点：两自由度的驱动技术多采用两个或多个旋转电机以及中间传动装置来实现--->系统控制方式复杂，系统体积大零部件多维护量大、价格昂贵，需要承受较大的轴向力，致使磨损严重，系统可靠性降低。在两自由度机械系统中，采用一台两自由度电机来代替两个或多个旋转电机及传动装置，可以大大简化机械系统的结构，减小体积及重量，从而提高系统的精度和动静态性能。二、国内外研究现状20

2、世纪50年代初，为了改善感应电机的调速性能，英国的威廉姆斯等人研制出了一种变速球形感应电机，这种电机的定转子都可以动，是有记载的最早的多自由度电机。早期由于电机理论的不完善，再加上机械制造水平的限制，多自由电机遇到很多难题，可靠性差尤甚。直到20世纪70、80年代载人航天、机器人等技术的发展直接激发了多自由度电机的发展，特别是以新材料微电子技术为代表的第三次科学技术革命的开展，为多自由度电机的结构设计制造和电机驱动控制系统的实现提供了有利的条件。2001年，浙江大学的叶云岳提出了一种直线旋转混合型异步电动机的构想其结构如图1.4所示。该电机的定子上装有两套

3、绕组，共用一个实心钢动子（转子）。当其中一套绕组通三相电流时，产生行波磁场，电机的转子做直线运动；当另一套绕组通三相电流时，则产生旋转磁场，电机的转子做旋转运动；若两套绕组同时通电，则转子可以做旋转直线运动，因此该电机可以有三种运动方式。这种构想的目的是省去相应的中间传动机构，使整个系统结构简化，控制、维护方便。二、旋转直线永磁电机的工作原理旋转直线永磁电机综合了亚琛工业大学的平面两自由度电机和哈尔滨工业大学的HB型两自由度平面电机的一些特点主要表现在：旋转直线永磁电机将采用交错分布的永磁结构；旋转运动部分和直线运动部分共用一套转子。对于直线电机，通常它被

4、认为是旋转电机在结构方面的一种演变，也就是将一台旋转电机沿径向剖开，然后将电机的圆周展开成直线，图2.2是一台永磁电机展开成永磁直线电机的示意图这个气隙磁场沿展开的直线方向呈直线分布。和旋转电机区别的地方是：当三相电流随时间变化，气隙磁场将按三相的相序沿直线运动也就是直线电机产生的气隙磁场是行波磁场，而非旋转磁场，行波磁场情况如图以永磁（旋转）电机为例，图2.4所示为一般的三相永磁同步电机的工作原理，在磁场的作用下，转子将会以同步速度转动。图2.5为三相永磁同步电动机的两种工作状态：电动机状态和理想空载状态。旋转直线永磁电动机作为永磁电机和永磁直线电机的结

5、合体，它的定子中有两套三相绕组，转子上没有励磁绕组，也就是没有自启动绕组。从前面的描述可知，不管是旋转电机还是直线电机，气隙磁场才是它们工作的关键。根据2p=8的需要将定子的每相绕组分别用四个线圈串联而成径向绕组相反旋转磁场和行波磁场是旋转直线永磁电动机工作的前提，为了实现它的多自由度运动，需要设计相应的8极旋转磁场和行波磁场。两套三相绕组的W匝数相同、形状尺寸一样、轴线在空间互差120º。三相绕组上的三相三、相电流的波形如图2.7所示。2.2旋转直线永磁电机的永磁磁路永磁电机与电励磁电机的最大区别在于它的励磁磁场是由永磁体产生。永磁体在电机中既是磁源，又

6、是磁路的组成部分，永磁体的磁性能不仅与制造工艺有关，还与其形状尺寸、冲磁机的容量和冲磁方向有关。旋转直线永磁电机的转子上没有启动绕组，所以其转子结构将参照调速永磁同步电动机的转子结构形式。图2.11是调速永磁同步电动机常见的转子结构形式。a为表面凸出式，b为表面插入式。从径向方向看，这样的排列方式是可以实现旋转运动的，但从轴向方向看，却不能实现直线运动。永磁体交错分布的结构形式，这种形式从径向分析可以产生旋转运动，而从轴向分析也可以产生直线运动。轴向方向的磁场和径向方向的磁场都是紊乱的电机转矩和牵引力的生成原理电机作为一个三维的实体，它的内部磁场非常复杂，

7、从分布区域和作用来看，其内部电磁场大致包括气隙磁场、极间漏磁场、槽内漏磁场、绕组端部电磁场、叠片铁心中的电磁场、实心转子中的电磁场等空载永磁电机的永磁材料怎样选择，其磁通所经过的磁路是相通的。对于旋转直线永磁电机而言，其磁路同样也包括永磁体、软磁材料和工作气隙。三、旋转直线永磁电机的结构设计为了较好地结合旋转电机和直线电机的功能特点，将旋转直线永磁电机能设计为圆筒状结构，从某种程度上，旋转直线永磁电机就类似于一个圆筒型直线电机，管型直线电机如2.19所示两套三相绕组分别叠压在径向和轴向定子槽内，运动转子安装在一个机械旋转线性圆轴系统或一个气压轴上，当定子的

8、两套绕组中通三相交流电后，表面附有交错分布永磁体的转子将会产生如图