● 摘要
目前电动静液作动器EHA利用旋转电机带动斜盘部件将旋转运动转变为柱塞泵多个柱塞的往复直线运动实现泵系统吸排油，将电能转换为液压能，直接驱动作动筒完成需要的运动，所以具有相对高的功率密度，同时又消除了液压节流损失，提高了系统效率，但旋转电机驱动柱塞泵这种方式给EHA带来如下问题：旋转电机和柱塞泵的惯量大，造成系统频响低；柱塞泵磨损严重，摩擦与泄露问题突出；柱塞运动耦合，容错能力差，可靠性低。
所以，针对目前EHA旋转电机驱动柱塞泵存在的问题，本课题组首次提出一种基于直线振荡电机驱动的直接驱动液压伺服泵新原理，相比于传统旋转柱塞泵，新型直驱泵概念具有动态响应快、余度配置灵活、可靠性高等优势，而新型直驱泵系统中最关键的技术之一是直线振荡电机的设计，其所能达到的输出性能是决定新型直驱泵能否实现上述优势的关键，因此，本文提出了一种基于哈尔巴赫磁极阵列“自屏蔽”效应的空心动子式直线振荡电机，多磁极组成结构与谐振弹簧置于空心动子内部的安装方式，使设计电机结构紧凑，具备更大的输出力密度与功率密度，基于此，本文从以下几个方面对新型直线振荡电机的设计及其关键技术进行研究：
（1）阐述设计电机的工作原理并对电机进行等效磁路建模。设计电机磁路采用多绕组串接结构，用于减小漏磁，增大气隙磁密，电机动子空心设计能够减小动子质量，提高电机动态响应能力，电机定子采用闭口槽结构，用于减小齿槽力；利用等效磁路法建立电机的解析模型，推导出电机的气隙磁密、输出力解析表达式，并研究其与电机主要设计参数之间关系，为电机的电磁设计与结构设计提供理论支撑。
（2）对直线振荡电机进行电磁场有限元仿真分析。采用Ansoft Maxwell软件建立电机二维稳态磁场模型，对电机进行空载与负载情况下的磁场分析，获取电机气隙磁密与输出力特性，同时利用参数化有限元仿真对影响电机输出力特性的主要设计参数进行优化；针对初版电机实体定子结构存在的涡流损耗问题，提出硅钢片叠装定子磁路结构，并对磁路结构进行3D磁场分析，仿真获得的输出力-位置特性表明定子齿宽与齿靴角度是影响电机磁路性能与饱和程度的重要设计参数。
（3）直线振荡电机数学建模与谐振频率特性分析。建立电机系统集中参数时域模型与频域模型，获得电机谐振频率工作点；针对直驱泵负载特点，分析矩形负载对电机系统谐振频率特性的影响，分析结果表明：与阻尼负载不同，矩形负载能够引起电机系统谐振频率偏移；针对绕组电感引起的电机功率因数低等问题，在电气回路设置谐振电容进行补偿，分析比较了有无串接谐振电容对电机各种性能等的影响；利用Ansoft Maxwell有限元瞬态场仿真软件与Simplorer集中参数仿真软件对设计电机进行联合时域仿真，验证了集中参数建模方法的可靠性与准确性；利用推导获得的电机输出性能与电机电磁设计参数关系指导电机结构设计。
（4）电机样机结构设计与试验测试。阐述了电机组成结构及主要部件设计，突出了电机在空心动子与谐振弹簧安装上的紧凑性设计；对比了两版电机实心定子与硅钢片定子结构上的差异，对两版电机进行瞬态涡流场分析，验证了硅钢片定子电机除了消除涡流损耗，还具有更好的动态特性与更高的效率；利用硅钢片定子自身空间结构，提出了一种新的直线电机定子风冷散热方式，通过对电机进行温度场仿真与测试，验证了散热设计方式的可行性与有效性；对电机进行静态力与动态性能实验，并根据实验结果对设计电机能达到的功率密度性能指标进行评估，与EHA旋转电机进行对比，证明两者功率密度相当，从而验证了本文设计的直线振荡电机用于新型直驱泵系统的可行性。