郭凱強(qiáng)，李雙宏

(河北科技大學(xué)電氣學(xué)院，河北 石家莊 050018)

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復(fù)合驅(qū)動(dòng)式三自由度永磁電機(jī)的磁場分析

郭凱強(qiáng)，李雙宏

(河北科技大學(xué)電氣學(xué)院，河北 石家莊 050018)

本文提出一種復(fù)合驅(qū)動(dòng)式三自由度永磁電機(jī)。本文詳細(xì)介紹了電機(jī)的基本機(jī)構(gòu)及工作原理，結(jié)合該電機(jī)的新型結(jié)構(gòu)提出并建立了適合于此電機(jī)的磁場計(jì)算方法；分別采用解析法和三維有限元法求解永磁轉(zhuǎn)子的氣隙磁場，并進(jìn)行對(duì)比分析以及結(jié)果驗(yàn)證。分析結(jié)果驗(yàn)證了該電機(jī)結(jié)構(gòu)的正確性，為后續(xù)進(jìn)一步研究該電機(jī)提供了理論基礎(chǔ)。

復(fù)合驅(qū)動(dòng)式；三自由度；氣隙磁場

1　引言

在傳統(tǒng)的多自由度系統(tǒng)中，通常需要兩臺(tái)甚至更多的單自由度電機(jī)來滿足多維運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性。由于這些系統(tǒng)采用了大量的減速齒輪，將導(dǎo)致系統(tǒng)體積增大，剛度降低，同時(shí)受到衍生的非線性摩擦等不確定因素的影響，使控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能變差、響應(yīng)更遲緩、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性更差[1]。而永磁多自由度電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)單臺(tái)電機(jī)多自由度運(yùn)動(dòng)，不必加設(shè)勵(lì)磁裝置，結(jié)構(gòu)簡單，體積較小，這些優(yōu)勢使多自由度電機(jī)得到越來越多的重視，因而成為重要研究方向[2-3]。以前復(fù)合驅(qū)動(dòng)式運(yùn)動(dòng)電機(jī)并沒有引起專家的廣泛關(guān)注，很可能是因?yàn)槠湎鄬?duì)復(fù)雜的定子鐵芯和繞組方式以及固有感應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)貧乏的隨動(dòng)系統(tǒng)[4]。此外，在長期操作中的磨損可能會(huì)導(dǎo)致球面運(yùn)動(dòng)變得不穩(wěn)定[5]，對(duì)球面運(yùn)動(dòng)造成阻力，引起機(jī)體發(fā)熱，這不僅會(huì)加速器件的老化，同時(shí)也使電機(jī)運(yùn)行性能變差。針對(duì)上述問題，本文提出一種復(fù)合驅(qū)動(dòng)式三自由度永磁電機(jī)，這種新型電機(jī)可有效的減小摩擦帶來的損耗，延長電機(jī)的使用壽命，大大提高系統(tǒng)的控制精度。文章詳細(xì)介紹了此電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及原理，對(duì)電機(jī)的電磁系統(tǒng)進(jìn)行了基礎(chǔ)研究。

2　電機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理

電機(jī)主要由定子球殼、轉(zhuǎn)子球殼以及輸出軸三部分組成。定子球殼外圍鑲嵌電機(jī)勵(lì)磁繞組線圈，共兩層6對(duì)大范圍粗略控制線圈，控制線圈的中心線通過永磁轉(zhuǎn)子的圓心點(diǎn)，在定子球殼尾部放置類十字架形狀的小范圍精細(xì)調(diào)節(jié)線圈系統(tǒng)，5個(gè)繞組線圈分別嵌套在定子鐵芯上；轉(zhuǎn)子球殼內(nèi)部放置兩對(duì)N、S極交替分布的大范圍調(diào)節(jié)永磁轉(zhuǎn)子，尾部放置單極小范圍調(diào)節(jié)永磁體，電機(jī)的輸出軸與大范圍調(diào)節(jié)永磁體緊密固定相連。電機(jī)整體模型結(jié)構(gòu)如下圖1所示，電機(jī)的高度為69mm，定子球殼外徑為55mm，永磁體外徑為50mm，定、轉(zhuǎn)子球殼厚度為3mm。

如圖2所示將6對(duì)大范圍控制線圈及永磁體進(jìn)行編號(hào)。當(dāng)給線圈C、D、A’、F’通以大小和方向相同的電流后使其產(chǎn)生的磁極為N極，給線圈C’、D’、A、F通以大小和方向相反的電流后使其產(chǎn)生S極，這時(shí)線圈產(chǎn)生的磁場與永磁體產(chǎn)生的磁場相互作用產(chǎn)生的切向力將使電機(jī)繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)。同理，對(duì)不同的控制線圈按照相同的控制策略進(jìn)行通電可實(shí)現(xiàn)電機(jī)在X、Y、Z三個(gè)方向的多自由度運(yùn)動(dòng)。

如圖3所示對(duì)小范圍控制線圈進(jìn)行編號(hào)為a、b、c、d、e，這時(shí)給精細(xì)控制線圈b、d通以大小相同、方向不同的電流使其產(chǎn)生S極和N極，那么電機(jī)就會(huì)繼續(xù)繞X軸運(yùn)動(dòng)一個(gè)相對(duì)較小的角度。不同的運(yùn)動(dòng)角度需要利用不同的精細(xì)控制線圈配合工作來完成電機(jī)在各個(gè)方向上的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)精細(xì)調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)。

圖1　電機(jī)模型結(jié)構(gòu)　　　　　　圖2　大范圍控制原理圖　圖3　小范圍控制原理

3　復(fù)合驅(qū)動(dòng)式三自由度永磁電機(jī)磁場的解析法分析

3.1磁場的區(qū)域劃分

3.2求解拉普拉斯方程

3.3求解氣隙磁通密度

由氣隙磁密的表達(dá)式可以得知，氣隙磁場被分解成三個(gè)分量，分別為徑向磁場B1r、緯度方向磁場B1θ、經(jīng)度方向磁場B1φ。只對(duì)磁場的基波分量進(jìn)行分析求解，得出氣隙磁場的三維分布規(guī)律如下圖所示：

圖4　B1r三維分布圖　　圖5　B1θ三維分布圖　　圖6　B1φ三維分布圖

由圖4可看出B1r沿橫坐標(biāo)軸φ方向呈余弦函數(shù)曲線分布，因大范圍控制永磁體的磁極對(duì)數(shù)P=2，故轉(zhuǎn)子在一個(gè)周期內(nèi)存在兩個(gè)極大值和兩個(gè)極小值，由圖5可知B1θ在一個(gè)周期內(nèi)共有8個(gè)極值點(diǎn)，在θ=0°、90°、180°及270°時(shí)B1θ大小為0；由圖6看出B1φ沿橫坐標(biāo)軸φ方向呈正弦函數(shù)曲線分布，轉(zhuǎn)子在一個(gè)周期內(nèi)存在兩個(gè)極大值和兩個(gè)極小值。通過解析法所得出的結(jié)果可以清晰的觀察出氣隙磁場的分布規(guī)律及其特點(diǎn)。

4　復(fù)合驅(qū)動(dòng)式三自由度永磁電機(jī)磁場的有限元分析

用Ansoft軟件對(duì)電機(jī)進(jìn)行建模，電機(jī)轉(zhuǎn)子永磁體模型剖分。對(duì)永磁體進(jìn)行徑向充磁，充磁方向如圖7所示，圖8所示的是磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖分布，從圖中可以看出，永磁體在兩極交界處磁場最強(qiáng)，在每極永磁體的邊界處磁場最弱。

圖7　磁密矢量分布　　圖8　磁感應(yīng)強(qiáng)度分布　　圖9　有限元?dú)庀洞琶苋S分布

圖9給出的是電機(jī)永磁體在球坐標(biāo)系下沿徑向分布的氣隙磁密三維分布圖，氣隙磁密呈矩形波分布，且曲面不再順滑，在一個(gè)周期內(nèi)存在兩個(gè)極大值兩個(gè)極小值，與永磁體4極結(jié)構(gòu)相吻合，同時(shí)也驗(yàn)證了解析分析磁場的正確性。

5　結(jié)論

本文提出一種復(fù)合驅(qū)動(dòng)式三自由度永磁電機(jī)討論了此電機(jī)的基本機(jī)構(gòu)及工作原理，分別采用解析法和三維有限元法對(duì)電機(jī)的氣隙磁場進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并進(jìn)行對(duì)比分析結(jié)果表明應(yīng)用解析法與有限元法的正確性。分析結(jié)果驗(yàn)證了該電機(jī)模型設(shè)計(jì)的合理性，為進(jìn)一步深入研究此類電機(jī)提供了理論基礎(chǔ)。

[1]鄒繼明，崔淑梅，程樹康.多自由度(旋轉(zhuǎn))電動(dòng)機(jī)的發(fā)展.高技術(shù)通訊，2000，(10):102-10

[2]黃聲華，陶醒世，林金銘.三自由度球形電機(jī)的發(fā)展.電工電能新技術(shù)，1989(1):6-11

[3]李爭，王群京.永磁多維球形電動(dòng)機(jī)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀.微特電機(jī)，2006(10):7-11

[4]李洪鳳，Halbach陣列永磁球形電動(dòng)機(jī)三維磁場分析.[天津大學(xué)博士論文].天津：天津大學(xué)，2008

[5]B.Dehez,G.Galary,D.Grenier,B.Raucent,Development of a spherical induction motor with two degrees of freedom,IEEE Transactions on Magnetics 42(2006)2077-2089.

郭凱強(qiáng)(1990.3-)男，漢，河北省石家莊，碩士研究生，河北科技大學(xué)，電氣工程專業(yè)，研究方向：開關(guān)磁阻電機(jī)。

TM351

A

1671-1602(2016)16-0132-02

李雙宏(1991.7-)，女，漢，河北省石家莊，碩士研究生，河北科技大學(xué)，電氣工程專業(yè)，研究方向：永磁同步電機(jī)。