直线旋转两自由度双定子永磁电机及其控制系统研究

A novel linear and rotary permanent magnet machine(Linear and Rotary Double-Stator Permanent Magnet Synchronous Machine,LRDSPMSM) is proposed in this project considering the requirement of multi-degree of freedom electrical machines in a variety of fields and the problems found in the process of studing the multi-degree of freedom electrical machines. The proposed machine comprises inner stator, outer stator and middle movable unit. The LRDSPMSM has the favorable features of simple mechanical structure, independent magnetic circuits of the linear and rotating sections, and easy to implement decoupling control. In this project, theoretical analysis, numerical calculation, characteristic simulation and experimental research are implemented to investigate the LRDSPMSM. The research contents cover electromagnetic mechanism analysis, operational characteristics computation, optimization design of magnetci circuit, calculation of losses and temperature-rise, mathematic model, simulation of control system, decoupling control strategy and so on. By conducting this research, the principle and mechanism of the LRDSPMSM will be completely revealed, and the motor design and analyis methods will be established, and the control strategy for multi-degree of freedom operation will be proposed. The researches will further provide a foundation on the application of the LRDSPMSM on mutil-degree of freedon drive systems. Some new problems, which have not been found in the study of single-degree of freedom electrical machines, will appear when investigating the LRDSPMSM.It is possible to form new research direction and bring new knowledge growth point.The LRDSPMSM has the broad application prospects in the industry and national defense fields as it can realize linear, rotary and spiral motions at the same time. Therefore, this project is of important theorectical significance and practical value.

针对诸多领域对多自由度电机的需求以及多自由度电机研究中存在的问题，本课题提出一种直线旋转两自由度永磁电机的新结构。该电机由内外定子及中间动子组成，具有机械结构简单、紧凑，直线与旋转部分磁路独立，解耦控制容易实现等特点。采用理论分析、数值计算、特性仿真和实验研究等方法，对所提出的电机及控制系统进行研究，内容包括：电磁机理分析、运行特性计算、磁路结构优化、损耗和温升计算、数学模型建立、控制系统仿真、解耦控制算法等。通过本项目的研究，全面揭示该电机的运行机理，建立电机的设计和分析方法，提出多自由度运行的控制策略，为该电机在多维驱动领域应用提供科学依据。课题研究中将涉及到单自由度电机研究中未曾遇到的新问题，产生新的研究方向，带来新的知识增长点。由于可以同时实现直线、旋转及螺旋运动，该电机在工业和国防等领域具有广阔的应用前景。因此，本课题研究具有重要的理论意义和实用价值。

随着工业驱动系统复杂性的增加和驱动精度要求的提高，诸多领域对多自由度电机提出了需求。本项目提出一种直线旋转两自由度双定子永磁电机的新结构，从理论和实验层面验证电机原理的正确性和结构的可行性。主要研究内容包括：电机结构及运行机理；电磁参数及静态特性；电机驱动控制系统；样机制造及实验测试。. 本项目采用理论分析、数值计算、特性仿真和实验研究等方法，对直线旋转两自由度双定子永磁电机及控制系统进行研究，取得一些重要结论和成果：1）给出了直线旋转两自由度双定子永磁电机的优化结构，根据直线运动和旋转运动的运行要求，结合电机自身结构特点，确定了直线和旋转部分的机械支撑结构，明确了直线位移传感器及角位移传感器的安装和定位；2）提出了一种基于磁场交叉反馈技术的电机转子（动子）位置测量新方法，该方法利用霍尔效应原理以及直线旋转两自由度双定子永磁电机的结构特点，将转子和动子磁极进行特殊化设计及排列，利用直线运动单元的磁极位置变化信息作为转子旋转位置的判断依据，利用旋转运动单元的磁极位置变化信息作为动子平移位置的判断依据。该方法具有结构简单、紧凑，成本低、可靠性高等特点；3）提出了直线旋转两自由度双定子永磁电机综合性能测试方法，通过对现有测量设备和仪器的重新组合、利用，开发出一整套一体化复合运动永磁电机综合性能测试方法和测量装置，为电机的性能评估提供了有效手段，为电机的产业化应用奠定了基础。. 直线旋转两自由度永磁电机能够实现直线运动、旋转运动及螺旋运动，是一种极具特点和优势的新型电机，在众多领域具有极大的潜在应用价值。该电机在实现直线运动、旋转运动及螺旋运动的同时对轴承的运动形式提出了较高要求，但目前轴承市场还没有高性能的相应产品在售，仅能用铜套来替代。铜套与电机转轴接触，存在摩擦，影响电机运行性能的同时带来损耗。因此轴承是制约两自由度复合运动永磁电机发展和应用的一大瓶颈。