用于激光精密打孔机运动平台的洛伦兹平面电机设计与实验

作     者：李甜 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：罗欣

授予年度：2019年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：激光打孔机 运动平台 洛伦兹平面电机 结构设计 多物理场分析 

摘      要：激光打孔具备精度高、效率高、成本低等突出优点,在电力电子、航空航天、医疗器械等领域均有广泛应用,是一种重要的现代加工技术。由于激光打孔孔径通常为亚毫米级,精密、高效的二维运动平台是激光打孔功能和精度实现的基础。洛伦兹平面电机是一种新兴永磁平面驱动技术,它避免了传统机械传动系统对运动台精度的影响,通过直接驱动实现运动台三自由度平面运动,是一种提高激光打孔设备性能的有效方式。然而,由于洛伦兹平面电机电磁、结构、温度存在较强的相互影响,尚需基于多物理场分析技术对其设计、分析进行深入研究。论文分析了洛伦兹平面电机的工作方式,给出了设计指标并进行了总体方案设计。根据设计指标,通过永磁体选择、线圈计算、定子外壳设计以及电阻、电感、电压、电流等参数计算,完成了洛伦兹平面电机电磁设计。提出了采用万向滚珠的动子支撑方式,并进行了选型和验证。采用水冷散热方案,设计计算了电机水冷管道结构参数。对电机的电磁场和电磁力以及电磁对结构变形的影响进行分析。对可以产生永磁磁场的永磁体和通电线圈进行数值分析,了解影响磁场强弱的因素,借助仿真图直观的看出磁场大小的分布。对电磁力进行数学建模,由于建模计算量较大,所以考虑用仿真图来反映电磁力的影响因素。对电磁影响结构变形进行分析,将模型简化,利用仿真对比分析,得出结论。对洛伦兹平面电机内部温度场和流场进行分析,先对相关流体力学和传热学理论进行介绍,主要采用仿真分析的方法解析电机内部温度场和流场的问题,得出了流体在管道中的流速和压力分布,以及定子外壳在通水与不通水两种情况下的温度分布,验证了水冷结构设计的合理性。加工了原理样机,搭建了实验测试平台,对电机气隙磁场、推力常数及内部温度进行实验研究,得出了气隙磁场测量结果与仿真实验的对比图;实验测得X向推力常数为22.5N/A,Y向推力常数为30N/A,与给定推力常数作对比,分析存在误差的原因;通过温度实验,进一步验证了水冷结构设计的合理性。