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关节电机过载温度场及线性传感磁场优化的研究

作　者: 陈影
导　师: 李勇
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 电机与电器
关键词: 机器人关节 永磁同步电机 过载温度场 线性传感磁场
分类号: TM301.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


关节作为机器人的基础部件,其性能的好坏直接影响机器人的可靠性。基于机器人关节系统工作特点,要求关节驱动电机具有体积小、功率密度高、转矩波动小、转动惯量小、调速范围宽、可靠性高等特点。与其他电机相比,永磁同步电机(PMSM)具有优越的性能使得它在对驱动精度要求较高的关节驱动系统被广泛的应用。本文通过研究机器人关节驱动系统的总体特点,设计一台高功率密度永磁同步电机,选择线性霍尔传感器作为电机位置检测元件。采用有限元法对电机进行磁场仿真,分析电机运行过程中的磁场分布特点,验证电机结构设计的正确性。由于永磁同步电机转子结构的不对称分布使得电机方程为非线性的时变方程,使用d-q坐标系对方程进行解耦,给出电机在d-q坐标系中的数学模型。根据永磁同步电机矢量控制方式的不同,研究电机在I_d =0控制方式下和电压控制方式下电机的机械特性和效率特性,分析两种不同控制方式对电机运行特性的影响。基于机器人关节驱动系统的工作特点,要求电机负载大范围变化,电机的过载能力强,电机发生堵转后能正常工作,研究电机额定运行时的稳态温度分布和暂态温升,分析不同过载倍数下电机温升变化规律,研究电机的过载能力,最后分析电机在堵转情况下的温升变化。在电机运行的过程中,为了获得准确的转子位置信号,不仅需要精度高的线性霍尔传感器,更重要的是获得正弦变化的磁密波形,本文通过分析比例系数、永磁体厚度和检测距离对磁场正弦性的影响,给出不同极对数下正弦化永磁体参数的确定关系。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-7
第1章 绪论  7-15
  1.1 课题背景及研究的目的和意义  7-8
  1.2 机器人的发展概况及趋势  8-9
  1.3 关节电机的特点与分类  9-11
  1.4 电机温度场的研究  11-12
  1.5 电机线性霍尔传感磁场的研究  12-13
  1.6 本文的主要研究内容  13-15
第2章 关节用永磁同步电机结构与磁场设计  15-24
  2.1 引言  15
  2.2 关节用永磁同步电机的设计特点  15-16
    2.2.1 电机的设计特点  15
    2.2.2 传感器的选择  15-16
  2.3 关节用永磁同步电机的结构设计  16-19
    2.3.1 永磁材料的选择  16-17
    2.3.2 定子结构  17-18
    2.3.3 转子结构  18-19
  2.4 关节用永磁同步电机的磁场计算  19-23
  2.5 本章小结  23-24
第3章 关节用永磁同步电机数学模型与性能计算  24-34
  3.1 引言  24
  3.2 永磁同步电机的数学模型  24-27
  3.3 永磁同步电机的特性计算  27-32
    3.3.1 I_d =0 控制方式下的特性计算  27-30
    3.3.2 电压控制方式下的特性计算  30-32
  3.4 不同控制方式下特性的对比分析  32-33
  3.5 本章小结  33-34
第4章 关节用永磁同步电机过载温度场研究  34-45
  4.1 引言  34
  4.2 电机三维温度场计算模型  34-36
  4.3 电机热源、导热系数及表面散热系数的确定  36-41
    4.3.1 热源的确定  36-39
    4.3.2 导热系数的确定  39-40
    4.3.3 表面散热系数的确定  40-41
  4.4 额定运行时的温度场计算  41-42
  4.5 过载运行时的温度场计算  42-43
  4.6 堵转运行时的温度场计算  43-44
  4.7 本章小结  44-45
第5章 基于线性霍尔的传感磁场计算及参数优化  45-56
  5.1 引言  45
  5.2 线性霍尔传感磁场的计算模型  45-46
  5.3 磁场计算结果及评价标准  46-47
  5.4 结构参数对磁场正弦性的影响  47-52
    5.4.1 比例系数的影响  48-49
    5.4.2 磁钢厚度的影响  49-50
    5.4.3 检测距离的影响  50-52
  5.5 不同极对数下正弦化永磁体的确定  52-55
    5.5.1 极对数为4 时的永磁体参数  52-53
    5.5.2 极对数为5 时的永磁体参数  53
    5.5.3 极对数为6 时的永磁体参数  53-54
    5.5.4 极对数为8 时的永磁体参数  54
    5.5.5 极对数为10 时的永磁体参数  54-55
  5.6 本章小结  55-56
结论  56-57
参考文献  57-61
攻读硕士学位期间发表的学术论文  61-63
致谢  63

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 电机 > 一般性问题 > 电机原理 > 电机性能
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