【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及了直线电机，具体为一种永磁同步直线电机的推力优化设计方法。
技术介绍
1、永磁同步直线电机是一种可以直接将电能直接转化为直线运动的机械装置，相比较传统的“旋转电机+滚珠丝杠”传动方式，具有定位精度高、结构简单、推力密度大、响应速度快等优点，被广泛应用于工业产品制造、民用、军事等领域。随着科学技术的发展，直线电机的驱动技术也成为了新一代高精度数控机床的核心技术之一，产出工件的品质与直线电机的精度息息相关。然而永磁同步直线电机因其自身构造的特点，电机在运行过程中受到端部力和齿槽力的影响，运行期间会产生推力波动现象。该现象是影响电机运行性能的主要原因之一，推力波动会导致高精度数控机床的刀具进给产生误差，影响到加工工件的表面质量。因此，通过在电机设计阶段对电机进行优化设计，减少推力波动提高推力，以获得良好的推力特性至关重要。
2、为了抑制推力波动提高运行性能，国内外学者提出了不同的措施：对次级上的永磁体采取斜极的安装方法，但是这样会增加永磁体加工难度和安装成本而且装配复杂；也有提出通过改良直线电机初级端部形状的措施抑制端部力，但这种有可能降低电机的推力，影响推力特性。上述的措施都是在加工制造过程中实现对永磁同步直线电机的优化，难免会产生极大的资源浪费，所以急需一种在设计阶段能够对永磁同步直线电机推力波动做出优化的方法。
技术实现思路
1、为了克服现有技术中的不足，本专利技术提供了一种永磁同步直线电机的推力优化设计方法，该方法以解析法为基础，通过建立麦克斯韦方程组，
2、为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
3、一种永磁同步直线电机的推力优化设计方法，包括如下步骤：
4、1)首先根据数控机床上进给系统的直线电机设计需求，确定电机的拓扑结构，并根据直线电机主要尺寸公式的计算，确定直线电机的待优化性能和尺寸参数。
5、2)根据上述的设计需求和尺寸参数，建立直线电机的优化模型。
6、3)联立麦克斯韦方程组，推导气隙磁场的参数和推力表达式，建立直线电机的解析法模型。
7、4)基于上述的直线电机优化模型，通过遗传算法寻找满足模型的全部极值并筛选最优解。
8、5)最后根据最优解在maxwell软件上建立模型，分析相应推力指标。
9、进一步的，所述步骤1具体如下：
10、待优化性能为直线电机的推力f，推力波动ripple，尺寸参数为永磁体厚度hm，永磁体宽度τm，极距τ，线圈宽度hw；
11、直线电机推力波动模型如下所示：
12、minimize ripple(x)
13、subject to ripple＜2％
14、
15、xl＜x＜xu
16、其中x＝[x1,x2,x3,x4]t表示电机的设计参数，包含永磁体厚度hm，永磁体宽度τm，极距τ，线圈宽度hw，xl和xu为设计参数的上下限；
17、平均推力和推力波动ripple的表达式定义为：
18、
19、
20、上式中k的为采样点的数量，fk为第k个采样点推力大小。
21、进一步的，步骤3具体如下：
22、建立直线电机性能的解析模型步骤如下：对永磁同步直线电机的磁场用等效磁化强度法分析，引入等效磁化强度分布函数：
23、
24、
25、上式br为剩磁强度，μ0为真空磁导率，τ为极距，τm为永磁体宽度，为磁场空间频率；
26、由麦克斯韦方程组在气隙区域和永磁体区域建立泊松方程：
27、
28、a1和a2分别为气隙区域和永磁体区域的矢量磁位；
29、气隙区域和永磁体区域在分界面的边界条件：
30、bx2＝0|y＝0
31、通过边界条件解得矢量磁位a1；
32、
33、对矢量磁位a1求偏导，得到磁通by1；
34、
35、运用洛伦兹力定律直接求解永磁同步直线电机的电磁推力，该推力大小为电枢绕组线圈的载流导体在气隙磁场中所受到的作用力；
36、二维平行平面场，电机推力的表达式为：
37、f＝lef∫∫(ja+jb+jc)by1dxdy (8)
38、线圈绕组的每相电流在线圈实际面积内平均分布，电流密度为定值，三相电流的相位均相差120度，因此电流密度表示为：
39、
40、上式中lef表示初级的纵向长度，ns表示线圈匝数，hω表示线圈高度，tω表示线圈宽度；
41、因此推力的具体表达式为：
42、
43、
44、进一步的，步骤4的遗传算法寻优的过程中，包含了种群的初始化，变异与交叉，在变异与交叉之后，判断电机的推力性能是否满足推力波动模型设置的条件，若不满足要求，则丢弃该个体，若满足要求，则保留下来，并判断是否满足迭代终止条件，最终输出结果。
45、本专利技术的有益效果是：
46、1)本专利技术中的永磁同步直线电机的推力优化设计方法相比较传统的优化设计方法，考虑到了生产过程中的永磁体的加工误差等不确定因素，使优化后的直线电机推力特性提高。
47、2)本专利技术能够实现在不改变电机外观的情况下改变影响推力的参数，既可以让推力达到设计需求，又能节约加工成本。
本文档来自技高网...【技术保护点】
1.一种永磁同步直线电机的推力优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种永磁同步直线电机的推力优化设计方法，其特征在于，所述步骤1具体如下：
3.根据权利要求2所述的一种永磁同步直线电机的推力优化设计方法，其特征在于，所述步骤2具体如下：
4.根据权利要求1所述的一种永磁同步直线电机的推力优化设计方法，其特征在于，所述步骤3具体如下：
5.根据权利要求1所述的一种永磁同步直线电机的推力优化设计方法，其特征在于，所述步骤4的遗传算法寻优的过程中，包含了种群的初始化，变异与交叉，在变异与交叉之后，判断电机的推力性能是否满足推力波动模型设置的条件，若不满足要求，则丢弃该个体，若满足要求，则保留下来，并判断是否满足迭代终止条件，最终输出结果。
【技术特征摘要】
1.一种永磁同步直线电机的推力优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种永磁同步直线电机的推力优化设计方法，其特征在于，所述步骤1具体如下：
3.根据权利要求2所述的一种永磁同步直线电机的推力优化设计方法，其特征在于，所述步骤2具体如下：
4.根据权利要求1所述的一种永磁同步直线电机的推力优化设...
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。