新型無(wú)內(nèi)定子動(dòng)磁式直線振蕩執(zhí)行器的設(shè)計(jì)及其關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、直線振蕩執(zhí)行器是一種無(wú)需中間機(jī)械轉(zhuǎn)換部件即可實(shí)現(xiàn)高頻往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其具有機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、噪音小、響應(yīng)速度快和系統(tǒng)效率高等優(yōu)點(diǎn)，適用于驅(qū)動(dòng)制冷壓縮機(jī)、電磁泵、人工心臟和振動(dòng)篩等設(shè)備。動(dòng)磁式結(jié)構(gòu)直線振蕩執(zhí)行器由于動(dòng)子質(zhì)量輕、振蕩頻率高和推力密度高等優(yōu)點(diǎn)得到日益廣泛的重視，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、內(nèi)定子疊裝困難和加工工藝要求高等一直是制約其發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。對(duì)此，本文首次提出一種無(wú)需內(nèi)定子的直線振蕩執(zhí)行器，并對(duì)其若干關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行深入的分析與研究。本

2、文的主要研究成果如下:
　　(1)首次提出一種無(wú)需內(nèi)定子的動(dòng)磁式直線振蕩執(zhí)行器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
　　在分析現(xiàn)有各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，首次提出一種無(wú)需內(nèi)定子的動(dòng)磁式直線振蕩執(zhí)行器的新結(jié)構(gòu)。新結(jié)構(gòu)采用間隔一定距離的兩個(gè)對(duì)稱“C”型外定子，動(dòng)子永磁體位于兩個(gè)“C”型齒中間，具有無(wú)需內(nèi)定子、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便、漏磁小、電磁推力密度高和電磁推力可控性好等優(yōu)點(diǎn)。
　　(2)執(zhí)行器的等效磁路建模及三維有限元分析
　　在分析該直線振蕩執(zhí)

3、行器運(yùn)行原理的基礎(chǔ)上，建立其等效磁路模型，采用虛功法推導(dǎo)出電磁推力和電感的解析計(jì)算公式。為準(zhǔn)確分析其磁場(chǎng)分布和電磁特性，建立了結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)化的三維有限元模型，計(jì)算了氣隙磁鏈和電磁推力的電流和位移特性，分析了永磁體尺寸等多個(gè)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)執(zhí)行器輸出電磁推力和有效行程的影響。
　　(3)執(zhí)行器的設(shè)計(jì)方法及多目標(biāo)優(yōu)化
　　分析了該直線振蕩執(zhí)行器設(shè)計(jì)的基本方法，結(jié)合等效磁路法和三維有限元分析法推導(dǎo)出執(zhí)行器關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)依據(jù)及解析公式。針

4、對(duì)該動(dòng)磁式直線振蕩執(zhí)行器需綜合電磁推力較大和永磁體體積較小的要求，結(jié)合表面響應(yīng)模型法和量子行為粒子群算法對(duì)執(zhí)行器的永磁體尺寸進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，克服了等效磁路優(yōu)化模型計(jì)算精度低和三維磁場(chǎng)模型計(jì)算效率低的不足，同時(shí)避免了傳統(tǒng)粒子群算法可能陷入局部最優(yōu)解的問(wèn)題。有限元結(jié)果驗(yàn)證了優(yōu)化結(jié)果的正確性并表明，采用該方法優(yōu)化后的執(zhí)行器相比優(yōu)化前輸出電磁推力提高了6.2％，永磁體體積減小了12.8％。
　　(4)執(zhí)行器機(jī)電系統(tǒng)諧振特性分析及等效機(jī)械諧

5、振頻率跟蹤控制
　　以驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)負(fù)載為例，建立集機(jī)械動(dòng)力系統(tǒng)和電磁系統(tǒng)一體化的等效數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上采用矢量法分析系統(tǒng)諧振特性，并推導(dǎo)出效率和功率因數(shù)等重要性能指標(biāo)的解析計(jì)算公式。為實(shí)現(xiàn)等效機(jī)械諧振頻率跟蹤，提出一種基于改進(jìn)擾動(dòng)觀察法的最大功率點(diǎn)跟蹤方法。仿真結(jié)果證明，改進(jìn)算法能加快其等效機(jī)械諧振頻率跟蹤速度，降低其在最大功率點(diǎn)附近的功率振蕩，較好實(shí)現(xiàn)該執(zhí)行器在變工況條件下的等效機(jī)械諧振頻率跟蹤。
　　(5)執(zhí)行器動(dòng)子位移

6、自傳感算法研究
　　提出一種基于全維狀態(tài)觀測(cè)器的執(zhí)行器動(dòng)子位移自傳感算法，該算法通過(guò)端電壓和電流的處理和計(jì)算來(lái)估算動(dòng)子位移。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法能實(shí)現(xiàn)不同運(yùn)行頻率下的動(dòng)子位移自傳感，實(shí)測(cè)行程估算絕對(duì)誤差的最大值為0.32mm，相對(duì)誤差的最大值為2.6％。針對(duì)直線振蕩執(zhí)行器在運(yùn)行過(guò)程中等效電阻參數(shù)攝動(dòng)問(wèn)題，提出一種帶等效電阻辨識(shí)的自適應(yīng)動(dòng)子位移觀測(cè)器，推導(dǎo)出基于李雅普諾夫穩(wěn)定性的自適應(yīng)律。仿真結(jié)果表明，該算法能較好抑制等效電阻