新型水冷可调磁式永磁直线电机及实用技术研究

The operating principle and design method of a kind of novel water-cooled linear PM motor with variable flux will be throughly investigated, and then several novel structures with mechanically flux adjusting and hybrid PM and coil excitation are presented in order to adjust the flux at at standstill and dynamic operation.They exhibit many advantages such as rapid responsibility,low cost,wide speed range,easy clean and fixing and so on, which are suitable to be applied to equipments with iron filings such as machine tools, solid garages etc..The mechanical method adjusts air-gap flux by moving variable-flux iron and variable-flux PMs at standstill condition, and the hybrid PM mehtod adjusts air-gap flux by combing the PMs and excitation winding. Several novel PM linear motors are presented based on the principles of these two methods for variable flux are systemically investigated. Among these structures,the structure with static armature and moving iron has rapid response.Based on FEM, the coupled-fields analysis model is established with due account for magnetic saturation,then the electromagnetic performance and temperature distribution are analyzed with different operating condition and cooling conditions.The safe operation conditions are obtained for the design. To the motors with mechanical flux-adjusted method, the whole structures are optimized by analyzing the performance. To the motors with hybrid PM flux-adjusted method, their characteristics are analyzed, and then their structures are optimized based on optimal objective of increasing thrust force while increasing the thrust force ripple. The general design method and analysis theory of these kinds motor are developed. Moreover, the appropriate control system and the compensation method of thrust force ripple are developed.Finally,two typical motors are made and applied in grinding machine with proposed suitable mechnical position regulator.The key technologies are obtained from the actual application.

全面研究一类新型水冷可调磁式永磁直线电机的运行机理与设计方法，提出多种机械调磁与永磁混合调磁新型结构，实现静态与动态调磁，具有成本低、调速广和清理安装方便等优点，适用于存在铁屑的机床、立体车库等设备。.机械调磁结构移动调磁铁块或调磁永磁体实现静态调磁，永磁混合调磁结合永磁体与励磁绕组实现动态调磁。通过分析两种调磁方式的工作机理，提出多种新型永磁直线电机，包含电枢静止仅铁芯运动的高响应电机。基于有限元建立耦合场分析模型，考虑磁场饱和分析电机不同工作状态、不同冷却条件下电磁性能与温度分布，提出安全工作条件下的设计极限；分析机械调磁结构时电机的性能，优化整体结构；分析永磁混合调磁结构时电机的特性，以增大推力和减小推力波动为优化目标，提出优化结构，总结设计方法与理论分析模型；研究驱动控制系统及推力波动补偿策略，制造典型样机应用于磨床，设计合理的位置调节机构。通过应用验证，掌握实用关键技术。

开关磁链永磁直线电机（SFPMLM）优点是低成本，缺点是电枢部分同时存在永磁体与电枢绕组，从而存在散热较困难与磁场不可调的问题。为了解决这两个问题，本项目提出了以下研究目标：建立了准确全调磁结构、半调磁结构与移动永磁体结构的模型；分析不同混合永磁调磁结构对电机性能的影响，总结出该类电机结构与绕组优化的原则与依据；建立磁场温度场耦合模型，掌握不同水冷结构、不同控制方式下永磁体涡流损耗与温度场；建立电机与驱动控制的一体化仿真模型，提出能够灵活调节磁场的实用控制方法，能够充分抑制其推力波动。. 通过项目研究，提出了奇数初级开关磁链永磁直线电机与可调磁式永磁直线电机，其都可以采用水冷结构与机械调磁结构，研究难点在于力性能的提高、调速范围的增大以及水冷系统影响的计算，在分析过程中采用了整体建模、耦合场建模与全局优化的方法，有效克服了推力波动大与调磁困难的问题，取得的主要成果有：.1. 提出初级奇数极开关磁链永磁直线电机(SFPMLM）结构，基于逐个参数优化与全局优化算法，得到槽极配合9/10的优化方案，推力波动下降到7.7%，比原始方案下降了50%。.2. 提出了双边多齿开关磁链永磁直线电机，基于逐个参数优化与与全局优化两种方式，进一步降低了推力波动，获得了优化方案，在考虑加工方式下推力波动下降到6.3%，制作了相应的样机并进行了相关实验。.3. 分析与优化了C型SFPMLM与E型铁芯SFPMLM的机械调磁式结构，分析表明优化的SFPMLM采用调磁铁块后，其磁场能够减弱50%，大大增加了弱磁扩速的能力。.4. 建立了单边型与双边型两种混合永磁调磁式永磁直线电机的模型，分析不同永磁材料时电机的性能，优化了电机结构，重点分析了不同励磁条件下永磁直线电机的调速性能、电感参数的计算以及缺相条件下的容错控制策略。.5. 建立了等效热阻模型，计算各部分热阻，分析边界条件的确定方法，计算了不同工况下电机的温度场分布，同时建立了磁场温度场耦合模型，计算得到了相应条件下的温度场分布，并进行了相应的实验，验证了分析结果。. 基于宽调磁与高推力密度的原则，项目提出了可调磁式永磁直线电机新结构，总结了电负荷的选取原则，掌握了不同工作状态电机的性能与调速特性。通过研究，掌握相应的实用关键技术，并将应用于实际磨床设备。