ｗｉｄｔｈ ａｎｄ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ，ｔｈｅ ａｉｒ ｇａｐ ｆｌｕｘ ｄｅｎｓｉｔｙ，
ｈａｒｍｏｎｉｃ ｃｏｎｔｅｎｔ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｗｉｄｔｈ ａｎｄ ｔｈｃｉｋｎｅｓｓ ａｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ．
圆筒型永磁同步直线电机本体设计与控制分析
江苏大学硕士学位论文
ＡＢＳＴＲＡＣＴ
Ｔｈｉｓ ｔｈｅｓｉｓ ｉｓ ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｙ Ｊｉａｎｇｓｕ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ Ｎａｔｕｒａｌ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ“Ｍｏｄｅｌｉｎｇ， Ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ Ｓ臼ｍｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｇ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｆｒｅｅ Ｐｉｓｔｏｎ Ｅｎｇｉｎｅ
江苏大学硕士学位论文
目录
摘要……………………………………………………………………………………．Ｉ
ＡＢＳＴＲＡＣＴ……………………………………………………………………………………………………．ＩＩＩ
目 录……………………………………………………………………………………．Ｖ 第一章绪论……………………………………………………………………………．１
ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｄａＭ圆ｏｄｐｔｍｓｌｍｉＶｃａｔｂｕｓｒａｆｅｈｅＡｄｖｕＤＰｈＰｗｇＫｌｓｒＶｏｔｅｅｆｈｙｉｓｄｏｎｒｗｕｌｔｃｐＩ／ａｘｐａｅｏｒｈｃｉ诧ｘｆｕｌｉｎＡｄｓｅｙｘＷａｎｗｐｅｉｅＳａｃｒｓｅｎｃｄｒｉｏｍｕａｇｔｖｌｐｙｔｒｅｍｈｆｌｐｓａｂｎｇｏｓｄＴ筒ｖｉｕｇｒｎｔｐｒＭｇａｏｅｉｃｅｎｔｕｈｖｏｄＤｓａｗｍｋｍｓＰｒｉａｍｏｈｐｅｕｔｃｃｄｒｏｇｅａＬｎｍｃｅｇｈｔｏｒｓｌｕｉｆ－ｎｌｅｔｒｃｍａｒｏｌｗｔｕｕｉ．ｄｎｒｉｏｔａｕｄｇｂｅｍ，ｙｄＡ型ｎｇｉａｈｒｉｅｎｅｄｒｙａｄｍｂｃ，ｏｆｌｐｔａｒｅｎｃｉｕｇｍｄ，ｌｇｗｖＢｔｆｎｒｉｚｔｅｓｒｄｐｌｎｅｍｉｈｏｙ：ａｆｔｚ，ａ永ｓｉｅｏｍａｎＴｅｎｏｄｔａｃ，ｇｈｒｍ．ｉｌｅｎｕｄｇｏｃｌｅｔｓｄｒｔ，．ｈｍｉｔｅｈｒｓ．ｄｔｎＳＴｙｉｏｔｃ磁ｓｅｔａｉｏ，ｄｎｉＯｄｅｈｎｆｏｔ，Ｔｈｄｓ．ｙａｓｎｕｔｅｉｒｎｈｏ，ｔ．ｆｇ同ｒｃｓｉａｔｅｉＢｒｅｎａｕａｃｙｎｏｓ步．ｇｎｓＴｐｓｉｌｄｔｔｈｌ直ｅｅａｔ线ｆ电ｏｒ机ｍ本，体ｔｈ设ｅ计与控制分析
硕士学位论文 分ＵＴ６编圆Ｔｄｏｔｐｍｓｌｍａｃ申论２３学江答评Ｄ啊２０．ｈｅｆｕｙｉｏＱｎａＣ１号１类ｅｓｂｒｎｔ３．！辩阅ｄａ请文位筒ｇ菱６５ｉｕｍｃｅｏｔ墨垒９３ｌｎ号ｇｌａｈｒ．委人ｙ学提答授ｎａｒｏ型ｅ太：４ｒｅｏｌｓｔ员ｎｉ位交辩予墨鱼永堂ｔｏｓ会ｕ级日单ｓ磁主别期位同席和步日直期线电机本体设计与控制分析
ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｌｉｎｅａｒ ｍｏｔｏｒ ｉｓ ａｎａｌｙｓｅｄ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ ａｎｄ
ｒｅｌａｔｅｄ ｐｌａｔｆｏｒｍｓ ｉｓ ｂｕｉｌｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＤＳＰ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｔｏｏｌｓＴｈｅ ｔｕｂｕｌａｒ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ
ｓｃｈｅｍｅ ｉｓ ｔｒｉｅｄ ｔｏ ｂｅ ｅｘｐｌｏｒｅｄ．Ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｐｒｅｍｉｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ ｇｅｎｅｒａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｓ
ｋｎｏｗｎ，ａｇａｉｎｓｔ ｔｈｅ ｃｈｏｉｃｅ ｏｆ ｍｏｔｏｒ ｗｉｎｄｉｎｇｓ．Ｔｈｒｅｅ ｗｉｎｄｉｎｇｓ ｆａｃｔｏｒｓ，ｆｌｕｘ ｄｅｎｓｉｔｙ ａｎｄ
１．３直线电机控制策略的发展概况…………………………………………………４ １．４直线电机本体设计概况…………………………………………………………５ １．５论文研究的主要内容……………………………………………………………７ 第二章永磁直线电机数学模型理论与有限元建模原理……………………………８ ２．１永磁同步直线电机的数学模型…………………………………………………８
ｂａｃｋ－ｅｍｆ ｗａｖｅｆｏｒｍ ａｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ．Ａｇａｉｎｓｔ ｍｏｔｏｒ ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ ｆｅａｔｕｒｅｓ，ｔｈｅ
ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ ｗａｙ．Ａｇａｉｎｓｔ ｔｈｅ
ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｍｏｔｏｒ ｉｓ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ｆｉｒｓｔｌｙ．Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｍｏｄｅｍ
ａｓ ｗｅｌｌ ８．５ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ ｏｆ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ ｉｓ
１．１课题概述…………………………………………………………………………ｌ １．１．１课题来源…………………………………………………………………．１ １．１．２课题研究的现状与背景…………………………………………………．１
１．２直线电机概述……………………………………………………………………２ １．２．１永磁同步直线电机的基本原理…………………………………………．２ １．２．２永磁同步直线电机的分类………………………………………………．３
ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ａｇａｉｎｓｔ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｏｔｏｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ
ｒｅｌａｔｅｄ ｖａｒｉａｂｌｅｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｔｈｒｕｓｔ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｓ，ｔｈｅ ｂａｃｋ－ｅｍｆ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｃｏｎｔｅｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ａｉｒ
ｈａｒｍｏｎｉｃ Ａｇａｉｎｓｔ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ ｔｅｅｔｈ ｓｐａｃｉｎｇ，ｔｈｅ ｂａｃｋ－ｅｍｆ
ｃｏｎｔｅｎｔ ａｎｄ ｒｅｌａｔｅｄ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ
ａｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ．Ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｃｈｏｉｃｅ ｏｆ ｔｈｅｓｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ａ ｓｅｔ ｏｆ
独创性声明
本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果，也不包 含为获得江苏大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
Ｐｏｗｅｒ（ＢＫ２００８２２８）”，ａ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｌｉｎｅａｒ ｍｏｔｏｒ ｉｎ ｔｈｅ ｆｒｅｅ ｐｉｓｔｏｎ
ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｅｎｇｉｎｅ ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｕｂｕｌａｒ
ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｕｂｕｌａｒ ｌｉｎｅａｒ ｍｏｔｏｒ ｓ仃ｕｃｎｌｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．
Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｔｈｅｏｒｙ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ
ｍａｇｎｅｔ ｌｉｎｅａｒ ｍｏｔｏｒ ｉｎ ｔｈｓ ｐａｐｅｒ ｉｓ ａ ｋｅｙ ｐａｒｔ ｏｆｔｈｅ ｆｒｅｅ ｐｉｓｔｏｎ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｅｎｇｉｎｅ． Ｔｈｅ ｔｕｂｕｌａｒ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｌｉｎｅａｒ ｍｏｔｏｒ ｏｗｅｓ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｓｉｍｐｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，
ｓｔｒｏｎｇ ｏｕｔｐｕｔ，ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ａｎｄ ＳＯ ｏｎ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｉｓ，ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ａｎｄ ｂａｓｉｃ
ｓｔｍｃｔｌｌｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｕｂｕｌａｒ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｌｉｎｅａｒ ｍｏｔｏｒ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ
ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｖａｒｉｏｕｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ ａｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ． Ｆｉｎａｌｌｙ，ａ ｖａｒｉｅｔｙ ｏｆ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｂｏｕｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅｎ
ｇａｐ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｃｏｎｔｅｎｔ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｃｈｏｉｃｅ ｏｆ ｔｕｂｕｌａｒ ｌｉｎｅａｒ ｍｏｔｏｒ ｉｎｔｅｒｎａｌ
ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｉｓ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｂｙ Ａｎｓｏｆｉ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ａ ｓｅｔ ｏｆ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｍｏｔｏｒ ｏｐｔｉｍａｌ ｄｅｓｉｇｎ
２．１．１永磁同步电机在ｄ－ｑ轴下数学模型……………………………………．．９ ２．１．２永磁同步直线电机在ｘ．Ｙ轴下的数学模型……………………………１０ ２．３电磁场建模方法介绍…………………………………………………………一１２ ２．３．１麦克斯韦方程组…………………………………………………………１３ ２．３．２二维有限元计算过程…………………………………………………一１ ５ ２．３．３有限元模型的建立过程………………………………………………．．１５ ２．４本章小结………………………………………………………………………一１ ７ 第三章永磁同步电机参数优化……………………………………………………一１８ ３．１电机仿真结构的说明…………………………………………………………一ｌ ８ ３．２永磁材料的选择………………………………………………………………一１ ９ ３．３绕组形式的选择………………………………………………………………．．１ ９ ３．３．１三种绕组系数比较……………………………………………………一２１ ３．３．２反电动势和磁链波形分析……………………………………………一２２ ３．３．３对比三绕组气隙磁密波形……………………………………………一２４ ３．４充磁方式的选择………………………………………………………………一２４ ３．５ １ｉ同槽型对气隙磁场的影响…………………………………………………一２６