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上海交通大学
硕士学位论文
永磁直线同步电机设计研究
姓名:聂永峰
申请学位级别:硕士
专业:电机与电器
指导教师:王建辉
20090101
上海交通大学硕士学位论文
摘要

在传统的直线驱动场合,都是由旋转电机提供原动力,再由丝杠、
丝杆、齿条等中间机构转换为直线运动。这样的设置,不仅在中间传动
过程中消耗了大量的能量,而且摩擦产生的噪声也非常明显,同时也给
系统的维护工作带来了麻烦。
直线电机的出现可以使上述问题得到解决,由于具备直接将电能转
化为直线运动的能力,直线电机已经在机床驱动、集成电路组装等场合
逐渐取代了传统的旋转电机的位置。
自 19 世纪中期直线电机的概念被首次提出以来,经过孕育、实验、
开发和实用这四个阶段的发展,并借助于电力电子技术,以及日渐成熟
的直线电机控制技术,直线电机已经广泛应用到了制造业、交通运输业
等各个方面。
与旋转电机类似,按工作原理的不同,直线电机也有着各种类型,
应用较多的是直线步进电机、直线同步电机和直线感应电机。其中直线
步进电机更多的是应用在需要精确定位的场合,比如半导体工业;后两
者则被应用在需要连续和大推力的场合,比如机床。而直线同步电机,
尤其是永磁直线同步电机,凭借更大的单位面积推力、更高的效率等优
点受到了更多的青睐,与此同时,由于没有了励磁绕组,电机的整个结
构也得以简化。另一方面,我国丰富的稀土资源也为这种电机的发展提
I
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供了广泛空间。
作为一种较为新颖的电机,目前国内仍缺乏系统化的永磁直线同步电
机设计方案,尤其是电枢绕组部分。常用的方法仍是基于传统的旋转电
机,例如使用双层叠绕组方案。通过对实际电机的软件模拟,我们发现
这样的设计思路的表现并不能令人满意,比如造成了动子线圈槽满率过
大,电机设计难以形成系列化等缺点,而电机本身输出推力的波动也较
大。
针对传统方案的一系列缺点,本文提出了一种新的永磁直线同步电
机设计方案。该方案基于“单元电机”的概念,使用单层同心式线圈。
当目标推力要求变化时,只需改变“单元电机”的数目和排列组合的方
式,就可以达到改变的目的。而每个单元中的绕组连接方式则不需要改
变,由此避免了繁琐而复杂的绕组设计,这就给电机的系列化设计带来
了便捷。同时,单层绕组的使用也更方便嵌线,也更有利于降低铜耗,
提高效率。
在完成单元电机设计任务的基础上,本文利用加拿大 Infolytica 公司
出品的电磁场有限元分析软件 对电机的运行进行了模拟,并得到
了电机的额定输出推力曲线和反电动势曲线,输出推力曲线较之传统方
案也更平稳。体现了该设计方案的优越性。

关键词永磁直线同步电机,单元电机,有限元,
II
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Abstract

In conventional linear driving applications, original force is generated from
rotary motor, so transmission devices is need, which causes large sum of
energy loss, friction noise and brings plicated maintenances.
The introduction of linear motor targets at these problems, being able to
directly convert electrical energy to linear moving, linear motor has gradually
replaced rotary motor in linear driving applications such as lathe driving and
integrated circuit assembly.
Since the introduction of concept in mid 19th century, undergone four
periods of breed, experiment, development and application, with virtue of
power electronics and maturing controlling techniques, linear motor has been
widely used in various fields such as production, tran