两自由度直线-旋转感应电机电磁耦合与运动耦合研究

Two-degree-of-freedom linear-rotary induction motors (2DoF LRIM) can drive the robot arm, high-end machine bed load to achieve linear, rotary and helical movement by replacing many single-degree-of-freedom motors and mechanical conversion devices in the apparatuses. It is necessary to research the electromagnetic and motion coupling effects between 2DoF motions when control model of 2DoF LRIM is established. Based on these, the study is set as follows. 1) To investigate the electromagnetic coupling effect of 2Dof rotary-linear motor, the mapping relationships of the parameters in electromagnetic coupling magnetic flux path and the structure are analyzed adopting equivalent circuit method and finite element method. The electromagnetic coupling effect is represented by ‘electromagnetic coupling factor’. The equivalent circuit model using electromagnetic coupling factor is established. 2) The quantitative relationship of electromagnetic coupling factor and the motor structure parameters is analyzed. the technologies of adopting skewed slots along axial and circumference directions and enlarge the gap distance in two degree of freedoms to weaken electromagnetic coupling are presented. 3) The motion coupling effect is represented by ‘motion coupling factor’. The equivalent circuit model containing ‘motion coupling factor’ is established to research the variation of electromagnetic field, eddy current field and performance the motor with or without the motion coupling. 4) The relationship of the motion coupling factor and the motor performances are obtained then the control model considering of the electromagnetic and motion coupling factor is established to realize the motor accurate control. The project provides new perspective and solution to coupling problems in multi-DoF motors.

两自由度直线-旋转感应电机替代多个单自由度电机或机械转换装置，驱动机器人手臂、高档机床等负载实现直线、旋转或螺旋运动。两自由度间存在电磁、运动耦合，两自由度直线-旋转感应电机的控制模型需考虑其影响。拟研究的主要内容：1)采用等效磁路法结合有限元法研究电磁耦合路径的磁路参数与电机结构参数之间映射关系；引入电磁耦合因子表征电磁耦合强弱，建立电磁耦合因子的等值电路模型。2)研究电磁耦合因子与电机结构参数间的定量关系，采用动子表面开轴向、周向斜槽及增加两自由度间的气隙间隔等措施以削弱电磁耦合。3)引入运动耦合因子表征运动耦合程度，建立电机含有运动耦合因子的等值电路模型，研究运动耦合存在与否的电机电磁场、涡流场分布、电机性能指标等变化规律。4)研究耦合因子与电机性能参数间的关系，建立电磁、运动耦合因子的控制模型，实现电机的精确控制。本项目为解决多自由度电机耦合问题提供解决方案。

两自由度直线-旋转感应电机（2DoFLRIM）可替代多个单自由度电机或机械转换装置，驱动机器人手臂、高档机床等负载实现直线、旋转或螺旋运动。本项目针对2DoFLRIM存在的电磁、运动耦合问题，对其耦合机理分析、耦合磁场计算、耦合效应及抑制、控制建模等方面进行了细致深入的研究。主要成果包括：1）开展了2DoFLRIM电磁耦合机理研究，推导了耦合磁场的计算公式，揭示了耦合磁场的变化规律，分析计算了2DoFLRIM的静态磁耦合效应与动态磁耦合效应；2）引入速度耦合因子表征耦合磁场对2DoFLRIM速度的影响，建立了考虑耦合效应的2DoFLRIM等效电路，进行了耦合效应影响下的电机特性分析，提出了一种新型正交开槽铸铜动子新结构，削弱了耦合效应，改善了电机性能；3）开展了2DoFLRIM运动耦合机理与特性研究，分析了两自由度之间的螺旋运动耦合效应，引入阻转矩比率和阻推力比率来表征运动耦合效应的强弱，提出了斜槽、调整转差率、调整供电频率等抑制耦合效应的措施与方法；4）引入耦合电感和端部效应系数，建立了考虑耦合效应的2DoFLRIM数学模型，加入耦合效应动态补偿项，搭建了矢量控制模型，实现了两个自由度的运动控制；5）结合2DoFLRIM“双弧形定子、周向串联、共用动子”的拓扑结构特点，确立了2DoFLRIM“隔磁规划、径向力平衡、空心动子”的机电一体化设计准则；6）通过2DoFLRIM样机及其性能测试平台的三维设计，完成了样机平台的加工制作与装配，搭建了2DoFLRIM性能测试平台，完成了初步的工业适应性试验，验证了各种分析模型的正确性和可行性。本项目建立了考虑电磁耦合和运动耦合的2DoFLRIM优化设计、特性分析、运动控制等方面的基础理论，为该类型两自由度电机的综合研究和工业应用提供了理论与实践依据。依托项目研究，发表论文57篇，其中SCI、EI期刊论文35篇；获授权专利23项、专利转化2项、科研奖励1项；培养博士3名、硕士17名，其中毕业硕士7名（其中2名获河南省优秀硕士学位论文）。