Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Mô Hình Mô Men Xoắn và Xác Thực Cho Động Cơ Cầu Với Nam Châm Vĩnh Cửu Bước
Tóm tắt
Động cơ cầu là một thiết bị điện từ có chuyển động nhiều bậc tự do. Phân tích trường từ ba chiều (3-D) và phân tích mô men xoắn là cần thiết cho thiết kế, tối ưu hóa và điều khiển động cơ. Hiện nay, các phân tích này được thực hiện bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) với khối lượng tính toán và thời gian tiêu tốn lớn. Một phương pháp phân tích (AM) có thể giảm bớt gánh nặng tính toán của FEM mà không hy sinh độ chính xác. Một nam châm vĩnh cửu (PM) dạng bước có thể đạt được một phạm vi lớn của trường từ trong khi hiệu quả tiết kiệm vật liệu PM. Tuy nhiên, cấu trúc đặc biệt của nó gây khó khăn trong việc mô hình hóa phân tích. Bài báo này trình bày một AM cho trường từ 3-D và mô men xoắn của động cơ cầu nam châm vĩnh cửu với các PM dạng bước. Mô hình phân tích của trường từ 3-D của PM dạng bước được suy diễn dựa trên phương pháp dòng điện vòng, và lực điện từ của cuộn dây stato được tính toán dựa trên phương pháp lực Lorentz. Do đó, trường từ 3-D và mô men xoắn có thể được tính toán một cách hiệu quả với độ chính xác hợp lý. Mô hình phân tích được xác thực bằng FEM và các thử nghiệm thực nghiệm. Kết quả thử nghiệm xác nhận độ chính xác cao của mô hình phát triển.
Từ khóa
#động cơ cầu #nam châm vĩnh cửu #mô men xoắn #mô hình hóa #phân tích trường từTài liệu tham khảo
Yan L, Liu DL, Jiao ZX, Chen CY, Chen IM (2016) Magnetic field modeling based on geometrical equivalence principle for spherical actuator with cylindrical shaped magnet poles. Aerosp Sci Technol 49:17–25. https://doi.org/10.1016/j.ast.2015.11.021
Li Z, Chen Q, Wang Q (2019) Analysis of multi-physics coupling field of multi-degree-of-freedom permanent magnet spherical motor. IEEE Trans Magn 55(6):1–5. https://doi.org/10.1109/TMAG.2019.2899259
Li Z, Wang Q (2016) Levitation mechanism and improvements of 3-DOF deflection type PM actuator. IEEE Trans Appl Supercond 26(7):1–5. https://doi.org/10.1109/TASC.2016.2599853
Li Z (2009) Robust control of PM spherical stepper motor based on neural networks. IEEE Trans Ind Electron 56(8):2945–2954. https://doi.org/10.1109/TIE.2009.2023639
Wen Y, Li G, Wang Q, Guo X (2019) Robust adaptive sliding-mode control for permanent magnet spherical actuator with uncertainty using dynamic surface approach. J Electr Eng Technol 14:2341. https://doi.org/10.1007/s42835-019-00273-z
Yan L, Zhang J, Duan H, Jiao Z (2016) Structure optimization of permanent magnet spherical motor utilizing improved Particle Swarm algorithm. In: 2016 IEEE Chinese guidance, navigation and control conference (CGNCC), 12–14 Aug 2016, pp 2255–2259. https://doi.org/10.1109/cgncc.2016.7829143
Lu Y, Hu CG, Wang QJ, Hong Y, Shen WX, Zhou CQ (2018) A new rotor position measurement method for permanent magnet spherical motors. Appl Sci Basel 8(12):2415. https://doi.org/10.3390/app8122415
Zhao Y, Li S, Zhao L, Guo X, Wang Q, Wen Y (2016) Sliding-mode control of permanent magnetic spherical motor based on co-simulation platform. In: 2016 IEEE 11th conference on industrial electronics and applications (ICIEA), 5–7 June 2016, pp 119–123. https://doi.org/10.1109/iciea.2016.7603562
Hasanzadeh S, Rezaei H, Qiyassi E (2018) Analysis and optimization of permanent magnet dimensions in electrodynamic suspension systems. J Electr Eng Technol 13(1):307–314. https://doi.org/10.5370/jeet.2018.13.1.307
Ju L, Qian Z, Li G, Zhou R (2016) Research on torque optimization of the spherical motor based on SVM. In: 2016 IEEE 11th conference on industrial electronics and applications (ICIEA), 5–7 June 2016, pp 1786–1790. https://doi.org/10.1109/iciea.2016.7603876
Lee HJ, Park HJ, Ryu GH, Oh SY, Lee J (2012) Performance improvement of operating three-degree-of-freedom spherical permanent-magnet motor. IEEE Trans Magn 48(11):4654–4657. https://doi.org/10.1109/TMAG.2012.2200470
Zhou F, Li G, Zhou R, Ju L, Ma G, Cao X (2017) Structural parameters optimization of permanent magnet spherical motor based on BP neural network model. In: 2017 12th IEEE conference on industrial electronics and applications (ICIEA), 18–20 June 2017, pp 1831–1837. https://doi.org/10.1109/iciea.2017.8283136
Yan L, Wu ZW, Jiao ZX, Chen CY, Chen IM (2015) Equivalent energized coil model for magnetic field of permanent-magnet spherical actuators. Sens Actuators A Phys 229:68–76. https://doi.org/10.1016/j.sna.2015.03.016
Yan L, Liang FQ, Jiao ZX, Wang TY (2016) Magnetic field analysis of novel spherical actuators with three-dimensional pole arrays. Rev Sci Instrum 87(6):065006. https://doi.org/10.1063/1.4953920
Liu JM, Li XR, Chen WH, Liu L, Bai SP (2020) Magnetic field modeling and validation for a spherical actuator with cylindrical permanent magnets. Simul Model Pract Theory. https://doi.org/10.1016/j.simpat.2019.101954
Wang Q, Li Z, Ni Y, Xia K (2005) 3D magnetic field analysis and torque calculation of a PM spherical motor. In: 2005 international conference on electrical machines and systems (ICEMS), 27–29 Sept. 2005, vol 3, pp 2116–2120. https://doi.org/10.1109/icems.2005.202938
Yan LA, Chen IM, Lim CK, Yang GL, Lin W, Lee KM (2011) Hybrid torque modeling of spherical actuators with cylindrical-shaped magnet poles. Mechatronics 21(1):85–91. https://doi.org/10.1016/j.mechatronics.2010.08.009
Cheng G, Guo X, Wen Y, Wang Q, Li G, Zhou R (2018) Electromagnetic modeling and analysis of 3-DOF permanent magnet spherical motor using magnetic equivalent circuit method. In: 2018 21st international conference on electrical machines and systems (ICEMS), 7–10 Oct. 2018, pp 2643–2648. https://doi.org/10.23919/icems.2018.8548998
Guo X, Li S, Wang Q, Wen Y, Gong N (2019) Dynamic analysis and current calculation of a permanent magnet spherical motor for point-to-point motion. IET Electr Power Appl 13(4):426–434. https://doi.org/10.1049/iet-epa.2018.5149
He J, Li G, Zhou R, Wang Q (2020) Optimization of permanent-magnet spherical motor based on Taguchi method. IEEE Trans Magn 56(2):1–7. https://doi.org/10.1109/TMAG.2019.2947863
Lee K, Son H (2007) Distributed multipole model for design of permanent-magnet-based actuators. IEEE Trans Magn 43(10):3904–3913. https://doi.org/10.1109/TMAG.2007.904709
Song S, Li B, Qiao W, Hu C, Ren H, Yu H et al (2014) 6-D magnetic localization and orientation method for an annular magnet based on a closed-form analytical model. IEEE Trans Magn 50(9):1–11. https://doi.org/10.1109/TMAG.2014.2315592
Xia C, Li H, Shi T (2008) 3-D magnetic field and torque analysis of a novel Halbach array permanent-magnet spherical motor. IEEE Trans Magn 44(8):2016–2020. https://doi.org/10.1109/TMAG.2008.922782
Xia C, Song P, Li H, Li B, Shi T (2009) Research on torque calculation method of permanent-magnet spherical motor based on the finite-element method. IEEE Trans Magn 45(4):2015–2022. https://doi.org/10.1109/TMAG.2009.2012390
Yan LA, Chen IM, Son H, Lim CK, Yang GL (2010) Analysis of pole configurations of permanent-magnet spherical actuators. IEEE-ASME Trans Mechatron 15(6):985–989. https://doi.org/10.1109/tmech.2010.2051160
Li H, Ma Z, Han B, Li B, Li G (2018) Calculation of magnetic field for cylindrical stator coils in permanent magnet spherical motor. J Electr Eng Technol 13(6):2158–2167. https://doi.org/10.5370/jeet.2018.13.6.2158
Volakis JL, Davidson DB (2004) Calculating directivities with the two-dimensional Simpson’s rule. IEEE Antennas Propag Mag 46(4):106–112. https://doi.org/10.1109/MAP.2004.1374025
Yan L, Chen IM, Lim CK, Yang GL, Lee KM (2012) Modeling and iron-effect analysis on magnetic field and torque output of electromagnetic spherical actuators with iron stator. IEEE-ASME Trans Mechatron 17(6):1080–1087. https://doi.org/10.1109/tmech.2011.2159238
Wen Y, Wang Q, Li G, Guo X (2014) Adaptive fuzzy tracking control based on backstepping for permanent magnet spherical motor. In: 2014 17th international conference on electrical machines and systems (ICEMS), 22–25 Oct. 2014, pp 2176–2181. https://doi.org/10.1109/icems.2014.7013863
Rong Y, Wang Q, Lu S, Li G, Lu Y, Xu J (2019) Improving attitude detection performance for spherical motors using a MEMS inertial measurement sensor. IET Electr Power Appl 13(2):198–205. https://doi.org/10.1049/iet-epa.2018.5195