新型直接驱动管型直线无刷永磁电动机的发展

新型直接驱动管型直线无刷永磁电动机的发展
Won-jong Kim and Bryan C.Murphy
摘要：这篇文章介绍了一种新型管型直线无刷永磁电动机的设计。在这个设计中，磁体作为运动部件依照NS-NS—SN-SN的方式导向的，这样在同名极区域能够产生更高的磁力。我们发展了一种分析的方法用来计算这种电动机推力和设计传动器的大小。直线电动机与一个位置检测器，3个功率放大器和一个控制器协力运行，这样形成了一个完整的控制紧密致动的解决方案。实时数字控制器提高了电动机的动态性能并且增益调度的使用减少了非线性死区的影响。在它的初速电流状态，电动机对一个5-mm的阶跃命令的响应具有30ms的上升时间， 60ms的稳定延迟时间和25% 超调量。电动机有1.5m/s的最大速度和最高10g的加速度。它有一个10－cm的工作行程和最大26n的输出推力。这种电动机紧凑的尺寸显示它能够用在需要中等输出力和精度的机械应用中，比如说机器人gripper定位或者传动. 值得注目的是电动机的移动部分能够伸展超过它的固定支撑基座。这个延伸的能力使它在需要一个小的，直接驱动的致动器应用中非常有用，因为这种致动器工作环境是在一个不舒服，拘束的空间环境中。
关键字: 直接驱动的直流电动机，直线致动器，永磁电动机，实时数字控制，管型电动机

1. 引言
在本文中所记述的工作的目的是发展一种新型的具有快速，平滑，带10-cm工作行程紧密定位的致动器。在图1中所示的直接驱动的管型直线无刷永磁电动机（LBPMM）有一个无槽的定子，能够提供没有顿振的平滑转换。这个设计选择牺牲更高的输出推力的能力，来实现平滑致动。这种致动器的应用包括紧密定位和机器人致动的需要。在灵巧的手[1]和终端复合连接的机器人手臂中直线致动器用来作为机器人的末端受动器。Budig 论述了不同的直线电动机在许多不同的领域中的应用[2]。
 
图1.装配好的管装直线电动机安装在精密光学桌面上，用铜管和右边的LVDT连接。
永磁体放在铜管里面。在电动机后面可以看到放大器

直线致动器被用在水压的或是气压泵中，在需要高输出力的无精确下滑要求的应用中相当有效。其他的致动器使用无静电回转电机和导螺杆或是其他的旋转到直线转换装置相连接，这就带来了根多的复杂因素包括增长的反冲和移动部分因为联接或齿轮增加的质量。因此, 由永磁体和载流线圈组成的LBPMM,特别适合用来做精密定位上的应用。
在LBPMM和其他直接驱动系统的领域（直接驱动就是指负载由电动机直接推动），以经有了很多的贡献。LBPMM常被应用在单自由度和多自由度的精密定位中。Lequesne调查了许多按照转换率在5到20mm内而设计的永磁直线电动机性能指标。[3]Kim和Trumper et. al
论证了一个6自由度的平板LBPMM能够被用在纳米级的精密定位中[4,5]。这个装置是由包含一个固定基座的载流线圈组成，固定基座在由永磁体阵列组成的滚筒的下面。当给它一定的电压，线圈轻轻浮在滚筒中，并允许重要的平移和旋转在底盘平面里。Berhan, 等人讨论了Halbach磁体阵列[6]在新型无铁心管型LBPMM中的使用[7,8]。Halbach阵列是由轴对称的八边形导向矩形永磁体形成的，它可以近似的等效为一个圆柱型的Halbach阵列。本文所提出设计的的电动机和以上所提到的电动机的主要区别它有一个更简单的由圆柱型永磁体组成的mover，具有更紧凑的尺寸，在建筑里的使用也更加容易。

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