新型双定子螺旋复合运动永磁执行器运行机理和解耦控制研究

Conventional helical transmission mechanisms fall into two major categories, i.e. mechanical transmission and electromagnetic transmission. Mechanical transmission has the disadvantages of a greater weight and a lower accuracy of control. Thanks to its advantages of a smaller volume, a faster response and a higher positioning accuracy, electromagnetic transmission has gained ever-wider use. However, due to the theoretical problems that they usually have a complex structure, a relatively low force density, and the difficulty of decoupled control, further development of electromagnetic helical actuators is somewhat restricted. This project proposes a novel dual-stator permanent magnet actuator capable of delivering rotary, linear and helical motions. Compared with existing rotary-linear motors, this actuator has the advantages of a higher utilization ratio of materials, a lower weight, a more compact structure and a simpler manufacturing process. The project aims to reveal the mechanism of the production of the helical electromagnetic force, to establish a complete system of its design, optimization and decoupled motion control, and to propose a testing method of this novel actuator. This project will conduct in-depth studies into the operating mechanisms, mathematical-physical model, synthetic physical field calculation, operating characteristics, decoupled control method, sensorless rotor position detecting method of this actuator and the construction of its testing bench. By the research of this project, it is expected to bring theoretical breakthrough and technological innovations to the area of helical actuators.

传统的螺旋传动机构分为机械式和电磁式两类，其中机械式存在重量大、控制精度低等缺陷，而电磁式因具有体积小、响应快、定位精度高等优点得到日益广泛的应用。但是，由于电磁式螺旋运动执行器结构复杂、力密度较低、解耦困难等原理性问题而限制了其进一步的发展。本课题提出了一种新型的可实现旋转运动、直线运动和螺旋复合运动的双定子永磁执行器。与现有的螺旋运动电机相比，新结构执行器具有材料利用率高、重量轻、结构紧凑、工艺简单等优点。本课题旨在揭示新型执行器螺旋电磁力产生机理，建立完整的设计体系，给出解耦运动控制方法，提出新型执行器的测试方法。本课题对新型螺旋复合运动执行器的运行机理、数学物理模型、综合物理场计算、运行特性分析、解耦控制方法、无位置检测技术探索以及测试平台构建等多个相关方面展开深入细致研究。通过本课题的研究，可在电磁式螺旋复合运动执行器领域取得较大的理论突破和技术创新。

螺旋传动机构分为机械式和电磁式两类，其中机械式存在重量大、控制精度低等缺陷，而电磁式螺旋传动机构因具有体积小、响应快、定位精度高等优点得到日益广泛的应用。本课题提出了一种新型的可实现旋转运动、直线运动和螺旋复合运动的双定子永磁执行器。. 本课题针对单定子结构直线-旋转复合运动执行器，阐述了其反电势产生机理。从单根线棒的整体运动电势角度、线圈直线运动和旋转运动电势角度以及线圈磁通量变化率三个角度分别进行了线圈反电势的推导，推导得到了一相绕组旋转运动电势和直线运动电势的准确解析表达式。此外，由绕组反电势解析公式可知相绕组反电势将由两个不同频率、不同幅值的正弦信号叠加而成。为保证电磁转矩和电磁推力平稳，推导得到了圆周方向磁极对数和直线方向磁极对数之间的约束关系。. 针对单定子结构复合运动执行器，阐述了其轴向电磁推力和周向电磁转矩的产生机理。分别从电磁功率变换角度和通电导线在磁场受力角度对直线电磁力和旋转电磁转矩表达式进行了解析推导。推导出了电磁推力与电磁转矩间函数关系，确定两者间无法实现电磁力解耦控制。. 推导了单定子直线-旋转复合运动执行器的磁链方程、电压方程、电磁功率方程、运动方程等与之相关的数学模型。推导得出了旋转电磁功率和直线电磁功率间存在1:1的比例关系，确定两者间无法实现电磁功率解耦控制。. 提出了一种双定子直线-旋转复合运动执行器拓扑结构，可实现单一旋转运动、单一直线运动和螺旋复合运动三种运动姿态。得到了不同运动姿态下的工作铁心位置、绕组反电势电频率、三相绕组通电顺序等关键运行参数。针对单定子直线-旋转复合运动执行器的轴向电磁推力波动问题进行分析，得到了电磁推力波动最小时的铁心旋转角度值。在单定子执行器最小电磁推力基础之上，提出了采用双定子最优间距选取的方法实现整机的轴向推力最小。. 通过本课题的研究，可在电磁式螺旋复合运动执行器领域取得一定的理论突破和技术创新。