兩自由度直線弧形電機

兩自由度直線弧形電機是一種新型電機，其利用交流旋轉電機做旋轉運動及交流圓筒電機做軸向運動的特點，巧妙地結合兩者的特點，在電機氣隙中形成旋轉磁場、行波磁場，這些磁場分別與同一轉子作用，轉子中產生感生電流，轉子中的感生電流形成的磁場與定子磁場相互作用，即可驅動與轉子同軸相連的機械負載做相對應的運動。

基本介紹

• 中文名：兩自由度直線弧形電機
• 外文名：Two degrees of freedom linear arc motor
• 英文縮寫：2-DOF DAIM
• 類型：電力設備
• 領域：能源
• 學科：電氣工程

2-DOF DAIM工作原理

:利用交流旋轉電機做旋轉運動及交流圓筒電機做軸向運動的特點，巧妙地結合兩者的特點，在電機氣隙中形成旋轉磁場、行波磁場，這些磁場分別與同一轉子作用，轉子中產生感生電流，轉子中的感生電流形成的磁場與定子磁場相互作用，即可驅動與轉子同軸相連的機械負載做相對應的運動。

電機結構

驅動旋轉運動的電機裝置由沿軸向的繞組及沿軸向開槽的定子鐵心組成。驅動直線運動的電機裝置具有沿圓周方向開槽的定子鐵心與沿圓周的繞組所組成的定子。複合次級轉子與輸出軸固定連線，電機共用一個複合次級的圓柱形動子。2-DOFDAIM的定子鐵心結構及繞組布置方式、電機整體結構分別如圖12. 13所示。

2-DOF DAIM工作原理

利用交流旋轉電機做旋轉運動及交流圓筒電機做軸向運動的特點，巧妙的結合兩者的特點，在電機氣隙中形成了旋轉磁場、行波磁場、螺旋磁場，這些磁場分別與同一轉子作用，轉子中產生感生電流，轉子中的感生電流形成運動磁場，與定子產生的磁場相互作用，即可驅動與轉子同軸相連的機械負載做相對應的運動。旋轉運動與直線運動自身是解禍的，可對其電源分別控制，對其固有結構特點，可分別實現控制算法分而控制，以使驅動系統控制J哇能達到最優。

2-DOF DAIM電磁設計

根據技術數據及基本參數，確定此電機定子槽形即選用梨形槽，槽形尺寸可以參考類似規格確定，如圖14所示。

2-DOF DAIM優點及前景

2-DOF DAIM省去了傳統的機械轉換和連線裝置，結構簡單、緊湊、轉動慣量小，減少了工具機、設備的故障率，節約了成本及維護費用;旋轉驅動繞組與直線驅動繞組獨立控制，可改善徑向力，軸承磨損小、控制容易。可套用於精密兩自由度運動的晶片生產線、汽車生產線、數控工具機、機器人、雕刻機、注塑機等設備上。

有待解決的問題為，由於用於產生旋轉運動的定子部分非中心對稱結構，軸承受軸向力作用較明顯，轉子軸將有可能對軸承一側造成明顯的磨損。現構想用轉子“懸浮”的解決方法，即通過最佳化設計使動子重力抵消軸向力造成的不平衡，從而避免上述情況發生。

2-DOF DAIM控制策略分析

針對 所提出的電機結構特點，擬建立以法向力最小為目標的新電機矢量閉環控制系統，仿真新電機的動態特性，研究新電機法向力與控制量和控制參數間的關係，研究電機運動軌跡與推力或轉矩間的關係，研究2-DOF DAIM矢量閉環控制的新特性。通過霍爾感測器和電機軸置入的測速感測器檢測電機的轉子電流和位移、速度等信號，實施對新電機逆變和驅動電路的全數字矢量閉環控制。2-DOF DAIM的矢量控制系統框圖如圖15所示。此系統擬採用兩種變頻控制方案，即:單變頻器控制 (方案一)和雙變頻器控制(方案二)。控制方案一把新電機的兩套繞組並聯接入驅動迴路，其中一套屬於主動控制，另一套屬於被動控制(其電源電壓頻率輸入由另一套繞組速度給定值決定)，當主動控制電機繞組的速度給定值確定以後，被動電機繞組的速度按照與主動電機速度的一定比例關係也被確定。由於新電機的旋轉轉速與直線速度的比值是固定的，這種控制方案中電機的螺距是固定不可調的，只能採用開環壓頻比為常數的控制方式，此方案2-DOF DAIM表現為電磁禍合運動不禍合。方案二用雙變頻器分別獨立的控制新電機的旋轉運動和直線運動兩套繞組，由於電機的旋轉速度和直線速度均可獨立驅動控制，所以電機的螺距是可調的。採用此種方案的2-DOF DAIM為電磁與運動都不禍合情況。方案二雖然增加了控制系統的成本，但是簡化了控制算法，提高了控制系統的靈活性，具有更廣泛的套用背景。 以後開展的工作以方案二為研究重點。 由於新電機存在多種不確定性，如電機參數的慢時變變化、未建模的動態、電機運行中受到外界的擾動等等，所以基於電機精確模型的矢量控制在套用中可能會受到限制，或者導致系統的穩定性變壞、控制精度降低，甚至不穩定等。為了克服新電機可能存在的這些問題，可以通過引入魯棒自適應控制技術，如基於矩陣不等式的現代魯棒控制，基於模糊逼近的魯棒自適應控制，滑模自適應控制等，嘗試提高新電機運行的穩定性、魯棒性和適應性的控制算法，以期達到更滿意的研究成果。

新電機的定子繞組在空間是解禍的，而且產生旋轉運動及直線運動的磁場在空間也是解禍的，所以，能分別控制直線和旋轉兩繞組的電流以達到對電機速度、轉速或者位移、角度的控制。新電機通過PWM雙變頻器驅動的矢量閉環控制。使電機轉子以一定的角速度繞轉子軸中心旋轉，同時又以一定的線速度沿平行於轉子轉軸的方向直線運動，電機轉子轉軸滿足螺旋運動方程。

針對現有兩自由度電機技術，提出一種新型的兩自由度直驅感應電機(2-DOF DAIM)拓撲結構，闡述其工作原理及優點，討論了未來兩自由度直驅電機的發展方向。兩自由度電機的研究不僅具有實際意義，而且還具有很高的理論意義，已成為電機學科的發展前沿。但是，該類電機研究還處於初級階段，開發和製造新型電機的技術仍有待提高。