磁悬浮平面电机的有限元分析分析-机械工程专业毕业论文.docx

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课题的研究背景及意义
磁悬浮工作平台及其驱动要求
磁悬浮工作平台不仅要求有极高的速度和加速度,在定位和运动两个方面还要求有非常高的精度。这种场合下,传统的旋转电机就不能达到磁悬浮平台的运动要求了,而平面电机就能够比较全面的满足磁悬浮平台的驱动要求。在功能转换上,平面电机是一种直接将电能转化为平面运动的新颖电机,除了可以满足比较大的位移需求外,还可以实现微控制领域的高频驱动和微位移[1-2]。正是因为平面电机具备制动力强、动态反应敏捷、传动平稳性好、工作行程广、运动精度高,以及不要求添加任何中转传递机构等优点,平面电机成为磁悬浮平台优先选择的驱动源。
开展对磁悬浮平面电机研究的意义
本项目进行磁悬浮平面电机的研究,是一种新型驱动元件面电机无需机械导轨支撑,可以直接实现大行程的二维平面驱动,极大简化机械运动结构,且体积小、质量轻,可实现高速运动。此外,由于无需机械或气浮支撑,可在真空条件下实现精密运动。因此,具有重要应用意义和研究前景。
磁悬浮平面电机的工作原理
磁悬浮技术的工作原理
同性相斥、异性相吸是磁性物体最基本的特征;由此,依据磁性物体之间不同的结构布局情况,我们就可以采取不同的磁悬浮原理。当前,在磁悬浮平台原理的选择上,斥力型和吸力型两种磁悬浮原理都已经成熟的应用于相关领域。磁悬浮原理的选择不同,则该磁悬浮平台所具备的机理特征也就不一样。
目前,斥力型磁悬浮平台一般是在很低的温度条件下采用超导技术来实现。这是因为,在低温环境中,超导体有很大的抗磁效应,这样就比较容易得到比普通电磁铁
大出几个数量级倍数的超强磁通密度。这种情况下产生的磁场斥力足以把平台悬浮到
非常可观的一个高度;而且这种场合下磁悬浮平台运行速度越大,磁悬浮斥力也就越大,从而产生的悬浮间隙也就越大。唯一不足的是,该低温超导技术的实现所需成本非常昂贵,所以导致其实际应用领域相对较少。
吸力型磁悬浮系统与斥力型悬浮系统正好相反,其采用的是磁性物体异性相吸的原理。根据电机结构的选择不同(动圈式或者动铁式),该磁悬浮系统的结构也随之不同,但基本原理是相同的。本课题电机所使用的动圈式结构,其磁悬浮系统组成和功能如图 所示。磁钢阵列作为定子固定不动,线圈系统作为动子被悬浮(磁悬浮平台)。线圈和磁钢阵列以及间隙之间形成了闭合磁路,这种情况下线圈通电后,将在间隙内产生竖直方向的磁力。当此磁力与磁悬浮平台重力平衡时,平台就可以悬浮在空中。但是如果要使平台保持稳定的悬浮状态,就必须依据平台的瞬时悬浮状态,随时不间断的调节线圈电流或者气隙磁场。具体的控制构架如图 所示,首先由传感器检测出磁悬浮平台相对于预先已设置好的参考点的偏离位移;然后控制器将传感器检测到的位移信号转换为控制信号;再由功率放大器将控制器输出的控制信号变换为可以直接调整电磁铁产生的磁力大小的控制电流,从而使竖直磁力大小与平台重力随时保持一致,由此保证平台的悬浮位置不发生任何误差偏移[3]。由于吸力型磁悬浮系统设计简捷、运动稳定、可控性强、成本不高等优点,本课题所设计的平面电机磁悬浮系统采用吸力型磁悬浮原理设计。
图 吸力型磁悬浮系统示意图
永磁式平面电机的工作原理
平面电机通常可以看成是几个直线电机的特定组合。由此,可以根据直线电机的工作形式来反映平面电机的工作原理。根据直线电机磁体动力来源的不同,直线电机一般划分为电磁直线电机和永磁直线电机两个类别[4-6]。电磁直线电机是直接使用直流电流来提供动力源;而永磁直线电机则是使用永久磁铁做磁通源,提供动力源的。由
于永磁直线电机的磁通源特性,相对于电磁直线电机,其更容易实现不发生接触无刷
运动要求。根据这一特