多自由度球形感应电机创新设计及其参数化仿真分析

为满足多自由度驱动单元对全向汽车车轮、智能车多方位摄像头的功能需求,弥补集成多个传统电机来实现多自由度驱动所带来的结构复杂、控制困难和动态性能差等不足,在直线感应电机理论的基础上,提出一种多自由度球形感应电机,由3个弧面定子和球形转子组成,可实现两个自由度的驱动;与传统电机通过主轴输出转矩不同,球形感应电机因其特有的定子结构,直接由转子表面输出转矩。首先,对多自由度球形感应电机的尺寸参数进行设计;然后采用ANSYS Maxwell软件对多自由度球形感应电机进行建模和电磁瞬态仿真;同时对多自由度球形感应电机进行参数化分析,获得其在不同电压、不同频率下的特性曲线,揭示电机的转矩和转速控制机理。结果表明:多自由度球形感应电机的转矩和功率随着电压的升高而增大,而随着频率的升高,其转矩和功率下降,但转速范围变宽;所设计的球形感应电机,各项性能满足预期要求。

多自由度球形感应电机的驱动控制策略

为实现城市微型电动汽车全方位转向功能,对新型多自由度(multi-DOF)球形感应电机(SIM)驱动控制策略进行仿真。从SIM设计原理和结构特性出发,提出了一种多自由度驱动控制策略。分析SIM转矩输出情况;以球形转子偏转角度为依据,设定4个工作扇区;通过判断球形转子偏转角度所在扇区位置,来调整各定子工作状态;采用直接转矩控制策略,使各定子在球形转子上产生的转矩输出沿目标方向。结果表明:该SIM控制策略可实现2个自由度的旋转驱动控制,且转子无偏转角度限制,同时具有良好的动态特性和跟随性能。从而,验证了驱动控制策略的可行性和合理性。

软磁复合材料球形感应电机定子磁场分析

球形感应电机转子结构简单,均匀球体各方向的转动惯量相同,有助于减小电机多自由度运动时的转速波动,减小控制系统的设计难度.软磁复合材料(SMC)具有损耗小、适用于三维磁路设计、易于加工且成本较低的优越性.针对一种SMC材料的球形感应电机研究了其定子磁场的分析方法,首先,根据SMC球形感应电机定子线圈排布方式在空间中的对称性,提出了一种由单组线圈磁场综合球形感应电机整体磁场的研究策略,通过分析单组线圈通电磁场的等效磁路验证了该研究策略的可行性;其次,将球形感应电机单组线圈三维磁场简化为单组线圈二维磁场模型,进而建立了二维模型的等效磁网络模型并求解了气隙磁密分布,通过球谐波系数(SHC)的旋转变换获得了球形感应电机整体定子磁场;结合有限元仿真分析了等效磁网络模型同单组线圈三维磁场和单组线圈二维磁场的相对误差,相对误差的平均值分别为13.34%和18.53%,在气隙磁密较大的区间内,三者的相对误差最大不超过4.50%,从而验证了等效磁网络模型求取气隙磁密的正确性;最后,搭建了样机的软硬件实验平台,获得了不同工况下样机的气隙磁密数据.实验结果表明,样机的磁场特性与理论分析基本一致,验证了所提出的定子磁场分析方法的正确性和实用性.

感应式球形电机结构设计与参数分析

针对目前多自由度电机结构复杂,控制难度高的问题,提出一种新型多自由度球形感应电机。该电机由三个空间对称分布的弧面定子驱动球形转子实现多自由度运行。首先,介绍了电机的基本结构和运行原理并对根据直线感应电机的设计理对电机主要参数进行计算;然后,建立Ansoft/Maxwell有限元仿真模型对电机进行稳态磁场仿真;同时对电机在不同转子参数以及不同激励时的稳态运行特性进行分析,为这类电机的优化设计与运动控制提供依据。结果表明:在额定激励下,感应式球形电机单个定子可产生1Nm的稳态转矩,稳定转速可达350r/min,满足多自由度运行要求。

基于Maxwell的感应式球形电机设计与分析

介绍了一种能实现3自由度运动的感应式球形电机。为了实现3自由度旋转运动,该球形电机的3组定子绕组相互垂直分布布置。通过Ansoft/Maxwell建立了该球形电机的二维模型,并对它进行了磁场分析以及在不同镀铜厚度下的转速特性、转矩特性及损耗特性的对比,通过对比分析结果确定了球形转子合适的镀铜厚度,分析结果表明在此镀铜厚度下该感应式球形电机能够实现多自由度的运动,并且满足输出力矩及转速的要求。