永磁直线同步伺服电机的端部效应分析
永磁直线同步伺服电机的端部效应分析
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（． １ 沈阳建筑大学信息与控制工程学院， 辽宁 沈阳 ｌ０６ ； ． １１８ ２沈阳职业技术学院， 辽宁 沈阳 １０４ ） １０ ５
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又都可分为纵向和横 向端部效应。
１静态纵 向端部 效应
这种端部效应是 由于初级和 次级为有 限长度 ，
动， 直接影响到系统的性能指标和机床加工精度。 所 磁路在两端开断而引起的现象。这时的气隙磁场分
ｄ ｎ ｌ ｎ ｆ ｃ ｎ ｅｄ ａ ｃｃ ｕ ｅ ｆｒ ｎ ｖ ｒｅｅ ｄｅ ｅ ｔｍ ｅ ｈ ｎ ｓ ｄｔ ｅｍｏｏ ｅ ｏｍ ａ ｃ ｉａ ｄｅ ｅ ｔ ｄｔ ｙ ｍｉ ａ ｓｓｏ ｔａ ｓ ｅｓ ｎ ｆ ｃ， ｃ ａ ｉ ａ ｔｒ ｒ ｒ ｎ ｅ ｅ ａ ｈ ｎ ｍ ｎ ｈ ｐｆ
交流永磁同步伺服电机的工作原理
交流永磁同步伺服电机的工作原理朋友，今天咱们来聊聊交流永磁同步伺服电机这个超酷的东西。
你知道吗？交流永磁同步伺服电机就像是一个特别听话又超级能干的小助手呢。
它的核心部分有永磁体，这永磁体就像一个有着超强魔力的小磁铁，一直稳稳地待在电机里，散发着自己独特的魅力。
当我们给这个电机通上交流电的时候呀，就像是给这个小助手下达了开始工作的指令。
交流电会在电机的定子绕组里产生一个旋转的磁场，这个磁场就像一个看不见的大手，开始挥舞起来。
而那个永磁体呢，它可是个很有个性的家伙，它在这个旋转磁场的影响下，就想跟着一起动起来。
为啥呢？因为异性相吸，同性相斥呀，这个磁场的力量对永磁体有着很强的吸引力和排斥力。
你想象一下，这个永磁体就像是一个小舞者，而那个旋转磁场就是音乐的节奏。
小舞者要根据音乐的节奏来跳舞，永磁体就得按照旋转磁场的节奏来转动。
而且呀，它们配合得可好了，永磁体转动的速度和旋转磁场的速度基本上是同步的，这就是为啥叫永磁同步伺服电机啦。
这个电机的工作可不仅仅是这么简单地转一转哦。
它还特别聪明，能够根据我们的需求来精确地控制转动的角度、速度和扭矩呢。
比如说，在一些自动化的生产线上，我们需要这个电机把某个零件精确地送到某个位置，它就能做到。
这就好比你告诉一个特别机灵的小朋友，把这个小玩具放到那个小盒子里，他就能准确地完成任务。
在这个过程中呀，电机的控制系统就像是一个智慧的大脑。
它会时刻监测电机的运行状态，看看永磁体是不是按照我们想要的速度和角度在转动。
如果有一点点偏差，这个智慧的大脑就会马上调整，就像一个严格的老师，一旦发现学生的动作不标准，就立刻纠正。
交流永磁同步伺服电机在很多地方都发挥着巨大的作用呢。
在机器人的关节处，它就像是机器人的肌肉和关节的完美结合，让机器人能够灵活地做出各种动作，就像一个舞者在舞台上翩翩起舞。
在数控机床里，它又像一个超级精确的工匠，能够把零件加工得非常精细，一丝一毫的差错都不会有。
而且哦，这个电机还有一个很贴心的地方呢。
永磁同步伺服电机驱动器原理
永磁同步伺服电机驱动器原理永磁同步电机是一种无刷直流电机，它具有良好的动态响应、高效率和高扭矩密度。
它由一个转子和一个固定的定子组成。
转子上带有永磁体，而定子上带有绕组。
当电流通过定子绕组时，会在转子上产生一个磁场，从而产生转矩。
首先，功率电子器件用于将输入电源的直流电转换为可控制的交流电。
常见的功率电子器件有三相桥式整流器和三相桥式逆变器。
三相桥式整流器可以将输入的三相交流电转换为直流电，而三相桥式逆变器则可以将输入的直流电转换为控制的三相交流电。
其次，控制电路负责生成适当的控制信号来控制功率电子器件的开关状态。
控制电路通常由微处理器或DSP（数字信号处理器）组成，它接收来自传感器的反馈信号，并根据预先设定的控制算法生成控制信号。
最后，传感器反馈用于实时监测电机的位置和速度，并将这些信息发送给控制电路。
常用的传感器包括光电编码器、霍尔传感器和电流传感器。
光电编码器可以测量电机转子的位置，霍尔传感器可以检测磁场偏差，而电流传感器可以测量电机的电流。
在实际应用中，永磁同步伺服电机驱动器通常采用闭环控制系统。
闭环控制意味着控制电路会不断地检测电机的实际位置和速度，并与预期位置和速度进行比较。
如果存在误差，控制电路会调整功率电子器件的开关状态来纠正误差，并使实际位置和速度接近预期值。
总之，永磁同步伺服电机驱动器通过功率电子器件、控制电路和传感器反馈来实现对永磁同步电机转速和位置的控制。
它具有高效率、高响应和高精度的特点，被广泛应用于自动化领域，如机床、印刷设备和机器人等。
永磁直线电机的端部效应和齿槽效应分析
永磁直线电机的端部效应和齿槽效应分析邱磊磊;陆华才;孙驷洲;缪碧云【摘要】采用 Ansoft Maxwell 2D 中的静磁场分析与 Matlab 数据处理相结合的方法，从结构方面对永磁直线电机进行分析，通过对永磁直线电机的结构优化来减少其端部效应和齿槽效应的影响。
分析结果为进一步优化永磁直线电机的端部效应和齿槽效应奠定基础。
%This paper uses the method of combining Ansoft Maxwell 2D in the analysis of static magnetic field with Matlab data processing to analyse linear permanent motor from the aspect of structure and re-duces the influence of end effect and cogging effect by optimizing the structure.The results of the analy-sis lay a foundation for further optimization of end effect and cogging effect of linear permanent motor.【期刊名称】《安徽工程大学学报》【年(卷),期】2015(000)005【总页数】6页(P63-68)【关键词】永磁直线电机;端部效应;齿槽效应【作者】邱磊磊;陆华才;孙驷洲;缪碧云【作者单位】安徽工程大学电气工程学院，安徽芜湖 241000;安徽工程大学电气工程学院，安徽芜湖 241000;安徽工程大学电气工程学院，安徽芜湖 241000;安徽工程大学电气工程学院，安徽芜湖 241000【正文语种】中文【中图分类】TM352随着高科技技术以及数控机床等行业不断进步,数控机床正在向精密、高速等方向发展,高精密和高速的加工工艺对传动和控制方面提出了更高的要求[1].永磁直线电机(Linear Permanent Motor,LPM)与其他形式的电机相比有诸多优点,如精度高、结构简单、体积小、质量轻等.其中最突出的就是输出的推力更大,在重载机床、军事领域、高速物流以及运输等方面有更广泛的应用[2].然而,由于直线电机的端部效应和齿槽效应的产生使得永磁直线电机的发展受到了限制,现在对永磁直线电机的研究大多集中在控制算法上,补偿边段效应的效果并不是很好.因此,想要更广泛地发展永磁直线电机[3],对永磁直线电机的端部效应和齿槽效应从结构方面进行研究和抑制是迫在眉睫的事情.拟使用Ansoft公司的Maxwell 2D中的静磁场分析,同时采取Matlab数据处理能力,比较直观地对LPM制端部效应和齿槽效应进行分析.采取结构优化的方法[4]来抑制端部效应和齿槽效应.这一问题的解决将进一步改善永磁直线电机结构特性,同时推动永磁直线电机在高精度、高速度驱动领域的发展.1.1 永磁直线电机基本结构永磁直线电机的结构和旋转电机相似,可以看成是沿着旋转电机直径方向的剖分,分为初级与次级两个部分[5-8].LPM的简略图如图1所示.1.2 基于Ansoft Maxwell有限元计算进行有限元分析首先要建立结构模型与给定材料属性.LPM主要参数如表1所示.根据表1的结构参数在Ansoft Maxwell中建立具体的LPM结构模型,如图2所示. 结构模型建立完成后,需要对各个结构分别进行材料分配,材料属性如表1和图3所示.硅钢叠片采用冷轧无取向硅钢片,非线性材料.根据材料属性自定义其B-H曲线,如图3所示.完成Ansoft Maxwell的静磁场计算,需要经过以下几个过程:坐标系中建立LPM的结构模型→定义材料属性→为实体单元分配属性→设置网格划分单元→对各区域实体进行划分→生成有限元模型→加载边界条件.完成以上步骤就可以进行有限元计算,从而得到磁场力等参数.2.1 LPM端部效应产生机理直线电机由于其动子铁芯纵向两端开断和横向有限宽度,使得开断处产生脉振磁场、反向磁场以及会引起各相绕组互感不相等现象,这种现象被称为端部效应.端部效应是引起直线电机的推力波动的主要因素,严重时甚至会出现低速爬行,使得直线电机效率和输出推力降低.为进一步了解LPM端部效应,在Ansoft Maxwell 2D静磁场中建立LPM模型,模型参数如表1所示,并进行磁力线仿真.LPM无齿槽静磁场磁力线分布图如图4所示.为了消除齿槽效应的影响,此模型建成动子无齿槽结构.由图4可以清楚地看到电机的端部效应影响.由于初级铁芯的开断,电机两端的磁场出现严重的畸变,而铁芯中间部分磁力线分布均匀,这也说明铁芯中间部分受到端部效应的影响较小.2.2 LPM端部效应边端力波形由于LPM法向受力Force-y与永磁体的吸引力、永磁体长度以及初级铁芯质量有密切关系,本文不作详细分析.需要指出,边端力主要指横向边端力Force-x.计算得到Force-x＝841.065 443 N,Force-y＝ 230 070.445 892 N.电机在运行过程中位置是变化的,而在不同的位置磁场分布也是不同的,因此对LPM动子在两个极距(0～2τ)范围内以为步距进行横向边端力仿真计算,并将结果数据在Matlab中进行绘图,Force-x随位移变化曲线如图5所示.由图5可以看出,边端力是以一个极距τ为周期变化的,电机移动一个极距距离时,边端力变化一个周期,这也验证了边端力是极距为周期函数这一理论.2.3 LPM边端力理论分析及优化边端力可以看成是有线长的动子在开路磁场中受到的推力,当动子铁芯长短为2～3倍极距以上时,两端之间基本无相互影响,因此,边端力可以看成是两端单独受力再求合力的过程.LPM初级左右两端受力分析模型如图6所示.在正常情况下,两端受力的性质、幅值等一样,但由于边端磁场分布不均匀,使得两端受力相反且存在相位差.相位差的大小取决于初级动子的长度.两端的受力表达式为: 式中,x为位移;δ＝kτ－L;k为整数;L为初级动子长度;τ为极距.将两端的受力分别以傅里叶级数展开.左端的端部力傅里叶级数展开式为:右端的端部力傅里叶级数展开式为:作用在直线电机动子上的合力为:对合力进行化简得:其中:f sn和f cn分别为傅里叶级数展开n次的正弦与余弦系数.由以上公式的推导可以看出,要想使F边端力最小,必须使得f N最小即使得振幅系数最小.由上述同时可知,边端力的大小与δ密切相关,而δ＝kτ－L,因此边端力的大小取决于极距和铁芯长度的大小.下面在Ansoft Maxwell 2D中通过改变L的大小来分析边端力大小的不同.L默认为234 cm.为了更详细地了解L大小对边端力的影响,L取值范围为L±τ即210.6～257.4 cm.对仿真数据结果在Matlab中绘制动子长度以步距变化时边端力幅值大小图形,如图7所示.由图7可以看出,边端力幅值的大小是随着动子长度以τ为周期变化的,幅值在动子长度L＝kτ时最大,在L＝(k±0.5τ)时幅值最小.为了详细分析动子不同长度对边端力的影响,选取一个极距范围内以2 cm为步长对动子长度分别为L＝234 cm,L＝241.8 cm,L＝245.7 cm,L＝249.6 cm,L＝257.4 cm时的边端力波动,并根据数据利用Matlab绘制曲线图如图8所示.由图8可以清楚地看到,在不同动子长度下,边端力随位移波动的曲线图.当L＝234 cm以及L＝257.4 cm时波动幅度最大,当L＝245.7 cm时波动幅度最小.由此进一步验证当动子长度L＝kτ时,边端力波动及幅值最大,当动子长度L＝(k＋0.5)τ时,边端力波动及幅值最小.综合以上结论对LPM结构进行优化,取动子长度为L＝(k＋0.5)τ,来抑制边端力的影响,这可以为LPM结构设计提供依据.3.1 LPM齿槽效应产生机理齿槽效应是LPM在不通电情况下永磁体与电枢铁芯相互作用形成的,由于齿槽的存在使得初级与次级间的气隙长度不同,从而使气隙磁导发生变化,引起磁场储能变化,因此产生齿槽力.齿槽力也是引起LPM推力波动的主要因素之一.为了进一步验证齿槽效应的存在,将建立有齿槽模型,此模型与无齿槽模型相比仅存在有无齿槽的区别,其他条件一样.对有齿槽LPM模型进行有限元静磁场分析,其磁力线分布如图9所示.由图9与无齿槽磁力线分布的对比图中可以看出,有齿槽不仅两端磁场发生畸变,齿槽处的磁场也发生畸变.对有齿槽进行推力有限元计算得到:Force-x＝1 739.806 475 N,Force-y＝226 340.376 911 N.与无齿槽时的受力对比可以看出,有齿槽时横向受力更大,而法向受力由于动子质量减少以及铁芯受到永磁体吸引力区域变小,使得比无齿槽时受力变小,是符合实际情况的.因此,以上可以验证齿槽效应的存在.3.2 LPM齿槽效应理论分析及优化LPM的齿槽效应和旋转电机的磁阻效应相类似,齿槽的存在使得磁极在气隙中产生的磁场不是正弦波,感应出来的电动势产生谐波分量.从直线电机齿槽效应削弱措施方面来说,只能从磁场产生源与磁路方面来改进.对于LPM齿槽效应借用多电机移相叠加原理的思想对LPM齿槽进行移相,从而对齿槽效应进行抑制.为了进一步了解齿槽效应,下面对LPM有齿槽情况下,在0～2τ位移范围内以步长为2 cm进行有限元仿真,并对数据进行Matlab绘图处理,LPM有齿槽边端力随位移变化图如图10所示.由图10可以看出, LPM有齿槽时的边端力随位移变化是以一个极距τ为周期的周期函数,且分布呈类似正弦波形,在此基础上,采用多电机移向叠加原理的思想,对类似正弦波形进行抵消.齿槽类正弦波形相互抵消图示意图如图11所示.从图11中可以看出,3个波形相差120度相叠加可以达到相互抵消的效果. 下面采用多电机移向叠加原理的思想,对LPM模型的齿槽进行移相,移向示意图如图12所示,相当于3动子叠加.对LPM模型齿槽移相后模型在0～2τ位移范围内以步长为2 cm进行有限元仿真,并对数据进行Matlab绘图处理,LPM齿槽移相边端力随位移变化图如图13所示.对比图10,由图13可以清楚地看到移相后边端力的幅值、波动都得到了减少.原因在于端部效应的力在空载情况下是以极距τ为周期的,且其波形成类似正弦波分布.当移向时,相当于各相相差120度电角度,从而可以实现叠加消除波动的效果,因此波动都得到很大地消除.仿真进一步验证了进行齿槽移相可以有效地抑制齿槽效应. 针对永磁直线电机的端部效应和齿槽效应采取结构优化,对LPM的端部效应采取动子长度优化,选取动子长度为(k＋0.5)τ,此时的边端力波动及幅值最小.对LPM的齿槽效应采取齿槽移相,移相后的边端力波动及幅值也得到了减少.分析结果为进一步研究LPM的端部效应和齿槽效应奠定基础.【相关文献】[1] 张伯霖,杨庆东,陈长年.高速切削技术及应用[M].北京:机械工业出版社,2002.[2] 郭庆鼎,王成元.直线交流伺服系统的精密控制技术[M].北京:机械工业出版社,2000.[3] 程远雄.永磁同步直线推力波动的优化设计研究[D].武汉:华中科技大学,2010.[4] 朱诗威.新型永磁直线电动机动态性能分析与研究[D].武汉:华中科技大学,2009.[5] 叶云岳.直线电机原理与应用[M].北京:机械工业出版社,2000.[6] 鲁军勇,梁得亮,丰向阳.基于ANSOFT的永磁直线无刷直流电动机的仿真研究[J].中小型电机,2004,31(1):18-20.[7] 林家春,李伟,赵彤,等.永磁直线同步电动机推力波动抑制策略[J].控制理论与应用,2007,24(3):449-452.[8] 张明超,尹文生,朱煌.永磁同步直线电机推力波动建模与抑制[J].清华大学学报,2010,50(8):1 253-1 257.。
永磁同步伺服电动机工作原理
永磁同步伺服电动机工作原理永磁同步伺服电动机（Permanent Magnet Synchronous Servo Motor，简称PMSM）是一种利用永磁体产生磁场与电流产生磁场之间的相互作用来实现转动的电动机。
它具有高效率、高功率密度、高控制精度等优点，在众多领域得到了广泛应用。
PMSM的工作原理可以简单概括为：通过在转子上安装永磁体，使得转子具有永久磁性，而在定子上通过绕组通以交流电流，产生旋转磁场。
转子上的永磁体与定子上的旋转磁场之间产生磁力作用，从而使得转子转动。
同时，通过改变定子绕组的电流，可以实现对电机的速度和力矩的精确控制。
PMSM的转子通常由两种类型的永磁体组成：永磁体沿轴向排列的表面永磁体和沿轴向排列的内部永磁体。
这两种类型的永磁体都可以产生强大的磁场，从而使得电机具有较高的输出功率。
PMSM中的转子磁场与定子磁场之间的相互作用可以通过反电动势来实现。
当定子绕组中的电流改变时，会产生反电动势。
这个反电动势与转子磁场的相对运动速度成正比，反电动势与转子磁场之间的相对运动速度的方向相反。
因此，通过检测反电动势的大小和方向，可以获得转子位置和速度信息，并实现对电机的精确控制。
PMSM的控制系统通常采用矢量控制技术，即通过控制定子绕组中的电流矢量来实现电机的转速和力矩的精确控制。
矢量控制技术可以将电机的转子磁场与定子磁场的相对运动速度的大小和方向进行精确控制，从而实现对电机的高效率控制。
PMSM的工作原理可以通过以下步骤进行简单说明：1. 通过外部电源将交流电流输入到定子绕组中，产生旋转磁场；2. 定子绕组中的交流电流会产生一个旋转磁场，这个旋转磁场与转子上的永磁体之间产生磁力作用；3. 磁力作用使得转子开始转动，转动的速度和方向与定子绕组中的电流有关；4. 通过改变定子绕组中的电流，可以改变磁力的大小和方向，从而改变转子的转动速度和方向；5. 反电动势的检测可以获得转子位置和速度信息，通过控制定子绕组中的电流矢量，可以实现对电机的精确控制。
永磁同步直线电机的数学模型分析
舰 船 电 子 工 程
Ｓ ｉ ｅ ｔ ｏ ｉ Ｅ ｇ ｎ ｅ ｉｇ ｈ ｐ Ｅｌｃ ｒ ｎ ｃ ｎ ｉ ｅ ｒｎ
Ｖｏ ． Ｏ Ｎｏ ９ １３ ．
１Ｏ ２
永 磁 同步 直 线 电机 的 数 学模 型 分 析
余凤 豪 吕 飞 张松 涛
ｃ ｎ ｒ ｌ ｄ ｍｅ ｅ ．Ｔｈ ｉ ｌ ｍａ ｈ ｍａ ｉａ ｄ ｌ ｓｒ ｆ ｒ ｎ ｅ ｐ ｒ ｏ ｅ ｆ ｒ ｆ ｒ ｈ ｒａ ｐ ｏ ｃ ． ｏ ｔ ｏ ｌ ｍｂ ｒ ｅ ｅ ｓｍｐ ｅ ｔｅ ｔ ｌ ｃ ｍｏ ｅ ｅ ｅ ｅ ｃ ｕ ｐ ｓ ｏ ｕ ｔ ｅ ｐ ｒ ａ ｈ ｉ Ｋｅ ｏ ｄ Ｐ Ｓ ｙＷ ｒ ｓ Ｍ ＬＭ ，ｅ ｄ ｅ ｆ ｃ ，ｍａ ｈ ｍａ ｉａ ｄ ｌ ｏ ｐ ｅ ｎ ｆｅ ｔ ｔｅ ｔ ｌ ｃ ｍｏ ｅ ，ｃ ｕ ｌ Ｃｌｓ ｍ ｂ ｒ ＴＭ ］ ａ ｓ Ｎｕ ｅ ５
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图 １ Ｐ Ｓ 的结 构 模 型 ＭＬ Ｍ
如 图 ２ 示 ， 设 动子 在 ｚ处 时 ， 所 假 ｄ轴 与 ａ轴
合 成行波磁 场 的 角 速 度 。若 ｚ一０时 ， ｄ轴 与 ａ 轴 的初始夹 角为 （ 电气 角 ） 假 设磁 极 沿 直线 均 匀 ，
蚌埠
吉
哲
（ 军 蚌 埠 士 官 学 校机 电 系 海 摘
一
２３１） ３０ ２
要
文 章 推 导 了永 磁 同步 直 线 电 机 （ ＭＬ Ｍ） 磁 链 方 程 、 Ｐ Ｓ 的 电压 方 程 和 电磁 推 力 方 程 ， 到永 磁 同步 直 线 电 机 是 得
考虑端部效应的永磁直线电机等效磁路模型
考虑端部效应的永磁直线电机等效磁路模型李斌;宋双利;李桂丹【摘要】To improve the simulation speed of permanent magnet linear motor(PMLM),an improved magnetic equiva?lent circuit(MEC)model is proposed considering end effect. Firstly,the magnetic field of each primary tooth except the end teeth are divided into four magnetic branches,and the periodicity of branch parameters is analyzed. Secondly, through the comparison of the lengths of flux lines,the leakage flux between permanent magnetic poles is separated from the main flux,thus an individual leakage circuit is built. Finally,by analyzing the fringing magnetic field obtained by finite element analysis(FEA),two additional branches are constructed. In this way,the MEC model of PMLM is built and simplified. The equivalent model considers slot effect,magnetic saturation and armature reaction. Further?more,its topological structure can be kept fixed during the operation of PMLM,and merely the branch parameters need to be changed. Taking an 8-pole 9-slot PMLM as an example,the validity of the proposed model is verified from the comparison with the results of 2D FEA.%为了提高永磁直线电机的仿真速度,提出了一种考虑端部效应的改进等效磁路模型.首先,不包括直线电机端部齿,交链每个初级齿的磁场被划分为4个磁路支路,分析了支路参数的周期性;其次,通过比较磁力线的长度,将永磁极之间的漏磁通与主磁路分离,建立了单独的漏磁磁路;最后,通过分析有限元方法获得的端部磁场,构造了2条附加支路,建立了直线电机的等效磁路模型,并进行了简化.等效模型考虑了齿槽效应、磁饱和和电枢反应,并在电机运行时保持拓扑结构不变,只需改变支路参数.以8极9槽永磁直线电机为例,通过与二维有限元仿真结果进行比较,验证了所提模型的有效性.【期刊名称】《电力系统及其自动化学报》【年(卷),期】2017(029)005【总页数】6页(P91-95,103)【关键词】等效磁路;端部效应;永磁电机;直线电机;磁阻力【作者】李斌;宋双利;李桂丹【作者单位】天津大学电气自动化与信息工程学院,天津 300072;天津大学电气自动化与信息工程学院,天津 300072;天津大学电气自动化与信息工程学院,天津300072【正文语种】中文【中图分类】TM351永磁直线电机推力密度大、效率高、且能实现直线运动形式，在工业领域应用十分广泛[1-2]。
永磁直线电机端部效应力的解析计算
永磁直线电机端部效应力的解析计算永磁直线电机是一种新型的高效能电机，具有高能量密度和高可靠性的特点。
由于其具有高性能与高效率，这种电机已被广泛应用于工业机械、航空及航天等领域。
然而，由于永磁直线电机的受力机构比较复杂，因此，端部效应力的解析计算一直是永磁直线电机动力学和控制研究的一个重要研究领域。
首先我们从表面效应力的解析计算开始。
首先，我们使用传统的桥分析方法建立永磁直线电机的动力学模型，其中包括一个永磁直线电机系统和一个电机结构。
然后，我们根据电机结构绘制出表面效应力分布图，并利用共轭矩绘制出表面效应力的多项式表达式，从而可以计算出各时刻的表面效应力大小。
其次，我们通过对端部效应力分布图进行绘制，从而可以得到端部效应力的分布图。
通过对端部效应力的分布图进行数值分析，可以解析出端部效应力的分布规律，并计算出其时变过程的特性。
最后，我们利用有限元方法进行端部效应力的解析计算，从而得出其不同时刻的端部效应力的值。
最后，借助有限元分析，我们对永磁直线电机的端部效应力进行了详细的数值模拟分析，从而确定其时变情况、端部效应力分布特性及端部效应力大小等关键因素。
由此，我们可以更加清晰地了解永磁直线电机在结构设计、动力学研究及参数设定等方面的重要性。
通过上述研究，我们可以看出，永磁直线电机的端部效应力是一个复杂的问题，必须综合考虑电机的桥分析、有限元分析及表面效应力等多种因素，才能够正确地解析出永磁直线电机的端部效应力。
进一步的研究不仅有助于提高永磁直线电机的可靠性和性能，还可以为其他电机结构的优化设计提供重要的参考。
综上所述，永磁直线电机端部效应力的解析计算是电力学及机械学研究中的一个重要的课题，其研究结果不仅可以为永磁直线电机的动力学及控制研究奠定坚实的理论基础，而且还可以为其他电机结构的优化设计提供重要的参考。
未来，将继续深入研究永磁直线电机的端部效应力，以期提高永磁直线电机的可靠性及性能，为更好的机械之间运动性能提供强有力的技术支持。
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科技广场2011.3
0引言
在许多工业领域中，被控对象的运动路径往往是直线形式，以电磁原理工作的各种形式的直线电动机是提供大功率、高推力的主要执行元件。
由于它能直接产生连续单向或往复短行程的直线机械运动，而不需要中间机械传动变换装置，因而在国民经济各个部门都获得了越来越广阔的应用。
从目前的发展趋势来看，将形成具有巨大市场的“直线运动工业”。
由于PMLSM采用“零传动”方式，负载扰动尤其是直线电机所特有的端部效应引起的推力波动，直接影响到系统的性能指标和机床加工精度。
所以端部效应分析及快速而有效的扰动补偿技术研究已变得越来越重要。
永磁直线同步伺服电动机由于其结构上的特点，又产生了其固有的特殊性，其中的端部效应是它不同于普通旋转电动机的主要方面。
永磁直线伺服电动机的端部效应包括静态端部效应和动态端部效应两个方面，无论是静态端部效应和动态端部效应又都可分为纵向和横向端部效应。
1静态纵向端部效应
这种端部效应是由于初级和次级为有限长度，磁路在两端开断而引起的现象。
这时的气隙磁场分
永磁直线同步伺服电机的端部效应分析
ＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔＬｉｎｅａｒＳｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＳｅｒｖｏＭｏｔｏｒｅｎｄＥｆｆｅｃｔ
曹江1,2
Cao Jiang
（1.沈阳建筑大学信息与控制工程学院，辽宁沈阳110168；2.沈阳职业技术学院，辽宁沈阳110045）（1.College of Information and Control Engineering，Shenyang Jianzhu University，Liaoning Shenyang110168；2.
Shenyang Polytechnic College，Liaoning Shenyang110045）
摘要：现代高档数控机床对伺服进给系统提出了“高速、高精度”的双重要求，采用永磁直线电机直接驱动是实现机床高速、高精度进给的必要途径之一。
然而，由直线电机端部效应引起的扰动，也成为影响着机床主轴系统性能的主要因素。
本文系统地分析了永磁直线同步伺服电机的静态纵向端部效应、静态横向端部效应、动态纵向端部效应和动态横向端部效应的起因、机理及对电机性能的影响。
关键词：永磁直线伺服电机；端部效应；附加力；附加损耗
中图分类号：TM351文献标识码：A文章编号：1671-4792-(2011)3-0154-03
Abstract：Modern high-end CNC machine tool servo system on the proposed"high-speed,high-precision" dual requirements.Direct drive linear motor with permanent magnet machine is to achieve high-speed,high preci-sion necessary to feed one of the ways.However,the linear motor disturbance caused by end effect,but also an im-pact on the machine tool spindle system performance factors.This systematic analysis of permanent magnet linear synchronous servo motor end effect of the static longitudinal,transverse end effect the static and dynamic longitu-dinal end effect and the dynamic causes of transverse end effect,mechanism and the motor performance Keywords：Permanent Magnet Linear Servo Motor；End Effect；Additional Force；Additional Loss
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布如图一所示：此时，由于磁路开断，每相绕组所铰链的磁通不相等，导致三相阻抗不可避免地不对称。
所以即使外加电压是对称的，各相电流也不会对称。
静态端部效应引起附加损耗，使直线电动机推力下降，效率降低。
当初级和次级保持相对静止时，存在这种端部效应。
2静态横向端部效应
这种端部效应是由于初级和次级的宽度（对应于旋转电动机的轴向长度）都是有限的，通常次级比初级宽一些。
直线电动机的这种实际特点的影响叫做横向端部效应，图二为次级伸出的直线电机的横向剖面图。
图二中横向磁通的分布不是均匀的，为了简化起见，用一矩形分布近似代表它。
在这种情况下，初级铁心的近似宽度是2a e >2a 。
经过这一假设后，就可以用一理想电动机代替实际的电动机。
这时理想的电动机的铁心比实际的电动机的铁心宽一些，也即用这种方法考虑横向端部效应的影响，而忽略实际的横向端部效应。
3动态纵向端部效应
动态端部效应是由于有限长的初级和较长的次级之间存在相对移动而产生的。
对于永磁直线同步电动机，电机以同步速度运行。
为了分析动态端部效应的影响，假设次级上面的回路P 在时间为t 0,t 1,t 2，t 3,t 4时，它的空间位置分别为P 0,P 1,P 2，P 3,P 4。
当P 在
P 0和P 4位置时，没有磁通与该回路铰链，所以没有感应电势。
但是当P 在P 1和P 3位置时，与回路铰链的磁通随时间而变化，根据楞次定律，在次级就引起局部感应电势和电流。
当P 以高速从位置P 0移动到P 4时，则从P 1到P 4时，次级导体板中便会感应电动势并产生电流，这些感应电流称为端部效应电流，如图三所示。
端部效应电流要产生附加损耗和附加力，这些附加损耗和附加力随着速度的增加而增加。
这种端部效应的存在使电机的效率、功率因数和输出推力降低。
4动态横向端部效应
当初级与次级之间存在相对运动时，初级的感
应电流如图四所示。
由图四可见，初级电流具有纵向分量J X 和横向分量J Z ，电流密度J X 是产生横向端部效应的主要来源。
如果初级与次级等宽，则纵向电流密度J X 分量增大，因而初级和次级等宽的直线电机的横向端部效应要大一些。
必须指出，直线电机的横向端部效应和初级回路（如端环连接）引起的效应本质上是不同的，横向端部效应的影响使得等值的初级电阻率增加，并可以看出，J X 分量的存在，
电机有
图一
静态纵向端部效应简图
图二
直线电动机横剖面及横向磁场分布
图三动态纵向端部效应
永
磁直线同步伺服电机的端部效应分析
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科技广场
2011.3
向不稳定的趋势，气隙磁场也要发生畸变，三个因素的影响均使电机的特性变坏。
5结束语
现代精密数控机床采用永磁直线同步电机直接驱动，以提高系统的精度和快速响应能力。
而永磁直线同步电机所特有的端部效应扰动是影响系统性能指标和机床加工精度的关键。
分析和测试表明，端部效应扰动是位置的周期性波动函数，具有可知性和可观测性。
为了满足直线伺服系统高精度的要求，本文设计了具有神经网络前馈补偿的IP 位置控制系统。
基于神经网络的给定补偿控制有效地补偿了包括端部效应扰动的各种扰动对直线伺服系统性能的影响。
参考文献
[1]郭庆鼎，王成元.交流伺服系统[M].北京：机械工业出版社，1994.
[2]夏加宽.高精度永磁直线电机端部效应推力波动及补偿策略研究[D].沈阳：沈阳工业大学，2006.
[3]夏加宽，王成元，李
东，黄伟.高精度数控
机床用直线电机端部效应分析及神经网络补偿技术
研究[J].中国电机工程学报，2003，23（8）：100-104.
[4]郭庆鼎,周悦,郭威.高精度永磁直线同步电动机伺服系统鲁棒位置控制器的设计[J].电机与控制学报,1998,(04).
[5]李东.电火花机床用永磁直线电机的端部效应及其控制的研究[D].沈阳：沈阳工业大学，2002.
[6]王昊，张之敬，刘成颖.永磁直线同步电机纵向端部效应补偿方法[J].中国电机工程学报，2010，30（36）：46-52.
作者简介
曹江(1982—），男，满族，吉林省镇赉县人，助教，研究生在读，主要研究方向：控制工程。
图四次级电流路径
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