复合驱动式三自由度永磁电机的磁场分析

郭凯强，李双宏

(河北科技大学电气学院，河北 石家庄 050018)



复合驱动式三自由度永磁电机的磁场分析

郭凯强，李双宏

(河北科技大学电气学院，河北 石家庄 050018)

本文提出一种复合驱动式三自由度永磁电机。本文详细介绍了电机的基本机构及工作原理，结合该电机的新型结构提出并建立了适合于此电机的磁场计算方法；分别采用解析法和三维有限元法求解永磁转子的气隙磁场，并进行对比分析以及结果验证。分析结果验证了该电机结构的正确性，为后续进一步研究该电机提供了理论基础。

复合驱动式；三自由度；气隙磁场

1　引言

在传统的多自由度系统中，通常需要两台甚至更多的单自由度电机来满足多维运动的复杂性。由于这些系统采用了大量的减速齿轮，将导致系统体积增大，刚度降低，同时受到衍生的非线性摩擦等不确定因素的影响，使控制系统的动态性能变差、响应更迟缓、运动系统的稳定性更差[1]。而永磁多自由度电机可以实现单台电机多自由度运动，不必加设励磁装置，结构简单，体积较小，这些优势使多自由度电机得到越来越多的重视，因而成为重要研究方向[2-3]。以前复合驱动式运动电机并没有引起专家的广泛关注，很可能是因为其相对复杂的定子铁芯和绕组方式以及固有感应发动机贫乏的随动系统[4]。此外，在长期操作中的磨损可能会导致球面运动变得不稳定[5]，对球面运动造成阻力，引起机体发热，这不仅会加速器件的老化，同时也使电机运行性能变差。针对上述问题，本文提出一种复合驱动式三自由度永磁电机，这种新型电机可有效的减小摩擦带来的损耗，延长电机的使用寿命，大大提高系统的控制精度。文章详细介绍了此电机的基本结构及原理，对电机的电磁系统进行了基础研究。

2　电机的结构及工作原理

电机主要由定子球壳、转子球壳以及输出轴三部分组成。定子球壳外围镶嵌电机励磁绕组线圈，共两层6对大范围粗略控制线圈，控制线圈的中心线通过永磁转子的圆心点，在定子球壳尾部放置类十字架形状的小范围精细调节线圈系统，5个绕组线圈分别嵌套在定子铁芯上；转子球壳内部放置两对N、S极交替分布的大范围调节永磁转子，尾部放置单极小范围调节永磁体，电机的输出轴与大范围调节永磁体紧密固定相连。电机整体模型结构如下图1所示，电机的高度为69mm，定子球壳外径为55mm，永磁体外径为50mm，定、转子球壳厚度为3mm。

如图2所示将6对大范围控制线圈及永磁体进行编号。当给线圈C、D、A’、F’通以大小和方向相同的电流后使其产生的磁极为N极，给线圈C’、D’、A、F通以大小和方向相反的电流后使其产生S极，这时线圈产生的磁场与永磁体产生的磁场相互作用产生的切向力将使电机绕X轴转动。同理，对不同的控制线圈按照相同的控制策略进行通电可实现电机在X、Y、Z三个方向的多自由度运动。

如图3所示对小范围控制线圈进行编号为a、b、c、d、e，这时给精细控制线圈b、d通以大小相同、方向不同的电流使其产生S极和N极，那么电机就会继续绕X轴运动一个相对较小的角度。不同的运动角度需要利用不同的精细控制线圈配合工作来完成电机在各个方向上的偏转运动以实现精细调节运动。

图1　电机模型结构　　　　　　图2　大范围控制原理图　图3　小范围控制原理

3　复合驱动式三自由度永磁电机磁场的解析法分析

3.1磁场的区域划分

3.2求解拉普拉斯方程

3.3求解气隙磁通密度

由气隙磁密的表达式可以得知，气隙磁场被分解成三个分量，分别为径向磁场B1r、纬度方向磁场B1θ、经度方向磁场B1φ。只对磁场的基波分量进行分析求解，得出气隙磁场的三维分布规律如下图所示：

图4　B1r三维分布图　　图5　B1θ三维分布图　　图6　B1φ三维分布图

由图4可看出B1r沿横坐标轴φ方向呈余弦函数曲线分布，因大范围控制永磁体的磁极对数P=2，故转子在一个周期内存在两个极大值和两个极小值，由图5可知B1θ在一个周期内共有8个极值点，在θ=0°、90°、180°及270°时B1θ大小为0；由图6看出B1φ沿横坐标轴φ方向呈正弦函数曲线分布，转子在一个周期内存在两个极大值和两个极小值。通过解析法所得出的结果可以清晰的观察出气隙磁场的分布规律及其特点。

4　复合驱动式三自由度永磁电机磁场的有限元分析

用Ansoft软件对电机进行建模，电机转子永磁体模型剖分。对永磁体进行径向充磁，充磁方向如图7所示，图8所示的是磁感应强度云图分布，从图中可以看出，永磁体在两极交界处磁场最强，在每极永磁体的边界处磁场最弱。

图7　磁密矢量分布　　图8　磁感应强度分布　　图9　有限元气隙磁密三维分布

图9给出的是电机永磁体在球坐标系下沿径向分布的气隙磁密三维分布图，气隙磁密呈矩形波分布，且曲面不再顺滑，在一个周期内存在两个极大值两个极小值，与永磁体4极结构相吻合，同时也验证了解析分析磁场的正确性。

5　结论

本文提出一种复合驱动式三自由度永磁电机讨论了此电机的基本机构及工作原理，分别采用解析法和三维有限元法对电机的气隙磁场进行了详细的分析，并进行对比分析结果表明应用解析法与有限元法的正确性。分析结果验证了该电机模型设计的合理性，为进一步深入研究此类电机提供了理论基础。

[1]邹继明，崔淑梅，程树康.多自由度(旋转)电动机的发展.高技术通讯，2000，(10):102-10

[2]黄声华，陶醒世，林金铭.三自由度球形电机的发展.电工电能新技术，1989(1):6-11

[3]李争，王群京.永磁多维球形电动机的研究与发展现状.微特电机，2006(10):7-11

[4]李洪凤，Halbach阵列永磁球形电动机三维磁场分析.[天津大学博士论文].天津：天津大学，2008

[5]B.Dehez,G.Galary,D.Grenier,B.Raucent,Development of a spherical induction motor with two degrees of freedom,IEEE Transactions on Magnetics 42(2006)2077-2089.

郭凯强(1990.3-)男，汉，河北省石家庄，硕士研究生，河北科技大学，电气工程专业，研究方向：开关磁阻电机。

TM351

A

1671-1602(2016)16-0132-02

李双宏(1991.7-)，女，汉，河北省石家庄，硕士研究生，河北科技大学，电气工程专业，研究方向：永磁同步电机。