天文望远镜的弧线电机电磁设计及仿真

论文总字数：26343字

摘 要

传统的传动方式无法满足大型天文望远镜的轴系驱动要求，为提高天文望远镜精度，采用永磁弧线电机作为直接驱动方式，可显著提高传动精度，系统具有结构简单、易于维护等优点。

本文以天文望远镜的驱动系统为研究对象，设计了永磁弧线电机，对永磁弧线电机原理、电机主要尺寸、永磁体厚度大小、绕组分相、极槽配合、空载漏磁系数、弧线电机电磁性能以及弧线电机优化进行了研究。

分析了弧线电机的结构及工作原理，确定弧线电机尺寸、永磁体大小、极槽配合以及空载漏磁系数，利用Ansoft Maxwell有限元分析软件建立了弧线电机模型。

采取二维有限元分析得到弧线电机的转矩、绕组反电动势，磁力线分布与磁通密度分布情况；优化了边端力矩及齿槽力矩；采用三相绕组换相的方法解决三相绕组顺次连接引起的绕组不对称问题，减小力矩波动。

关键词：弧线电机，有限元，电机模型，力矩波动

Abstract

The traditional transmission mode cannot meet the drive requirements of shaft-system of large astronomical telescope. In order to improve the precision of astronomical telescope, the permanent magnet arc motor is adopted as direct drive mode, which can significantly improve the transmission precision. The system has the advantages of simple structure and easy maintenance.

This paper takes the drive system of the telescope as the research object, designs the permanent magnet arc motor, studies the principle of the permanent magnet arc motor, the main size of the motor, the thickness of the permanent magnet, winding phase separation, pole slot matching, no-load magnetic flux leakage coefficient, the electromagnetic performance of the arc motor and the optimization of the arc motor.

The structure and working principle of arc motor are analyzed, the size of arc motor, the size of permanent magnet, the pole slot matching and the no-load magnetic flux leakage coefficient are determined, and the model of arc motor is established by using Ansoft Maxwell finite element analysis software.

The distribution of torque, winding inverse electromotive force, magnetic field line and flux density of arc motor is obtained by two-dimensional finite element analysis. The edge end torque and gear groove torque are optimized. The method of phase commutation of three-phase winding is adopted to solve the problem of winding asymmetry caused by successive connection of three-phase winding and reduce torque fluctuation.

KEY WORDS:Arc motor, The finite element,Motor model, Torque fluctuation

目 录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1课题背景及意义 1

1.2传统大型天文望远镜驱动及研究现状 1

第二章 永磁弧线电机理论原理 4

2.1弧线电机简介 4

2.2弧线电机结构 4

2.3弧线电机工作原理 6

2.4二维电磁场及有限元基本理论 7

2.5本章小结 8

第三章 弧线永磁电机设计分析 9

3.1弧线电机设计过程 9

3.1.1电机总体的设计 9

3.1.2极槽配合确定 16

3.1.3初级齿槽尺寸 17

3.1.4绕组分相确定 17

3.1.5极弧系数及永磁体确定 18

3.1.6空载漏磁系数 21

3.2Ansoft Maxwell弧线电机仿真结果 25

3.2.1转矩曲线 25

3.2.2反电动势曲线 25

3.2.3磁力线和磁通密度分布 26

3.3本章小结 28

第四章 弧线永磁电机性能优化 29

4.1弧线电机力矩波动优化 29

4.1.1边端力矩的优化 30

4.1.2齿槽力矩的优化 33

4.2三相绕组不对称优化 35

4.3本章小结 38

第五章 结论与展望 39

参考文献 40

致谢 41

第一章 绪论

1.1课题背景及意义

大型天文望远镜是集成光学、精密机械、精密控制的大型器械，其在光学系统发展的同时，对天文望远镜轴系驱动系统也提出了更高的要求，而良好的方位轴和高度轴驱动系统对观测水平的提高至为关键。通常情况下，大型天文望远镜的机架结构复杂，重量可达成百上千吨，整机体积大，负载总力矩受望远镜姿态和环境的影响很大，而天文望远镜口径越来越大将会成为未来主要趋势^[1]，世界范围内已有十几座8-10米级天文望远镜投入使用，中国的12米光学/红外望远镜也已经列入十三五重大规划科研项目。目前世界范围内主要国家的大型天文望远镜均利用电机作为直接驱动方式，这里面包括欧洲的南方天文台，以及中国即将建设的大型望远镜。但目前为止，实现天文望远镜的平稳运行，力矩波动减小一直是研制大型天文望远镜的重点突破关键。

弧线电机兼具直线电机与旋转电机的特点，电机装置相对简单可靠，作为新型的动力装置受到相关领域学者的广泛关注，不仅可以应用在天文望远镜的驱动系统上，在特定角度运动的机械臂，旋翼门等装置上也同样应用广泛，其发展前景广阔。现有的弧线永磁同步电机多采用辅助结构降低电机定位力矩及运行时的力矩波动，未能进一步从电机设计方式上实现电机更为平稳的运行，天文望远镜需要对微小，遥远距离目标进行跟踪，对驱动系统要求较高，因此现有弧线电机设计不能满足要求，影响天文望远镜精度。设计相对合理的弧线电机拓扑结构，提高电机转矩密度，减小力矩波动，为我国的高质量天文观测提供技术支撑，对于加快我国大型天文望远镜的建设步伐具有理论意义和实际意义。

1.2传统大型天文望远镜驱动及研究现状

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