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步进电机需要使用一些减速设备来减速和提高力矩，由于存在各种损耗，会导致电机
力矩损失，也存在摩擦、弹性所造成的非线性。于是人们发明了直线电机，这种电机
将负载直接加到电机上由电机直接驱动。直接驱动机器人具有的优点主要有高速，高
精度．重量轻、高刚性、机械结构设计简单。另外由于其较理想的刚体动力学模型，
很适合作为控制方法的研究对象。
很多直线驱动装置中普遍采用旋转电机作为动力源，然后通过一些转换装置（如
链条、齿轮、丝杠皮带等）将电机的旋转运动转换成直线运动。在工业机器人领域，
对驱动元件的精度和速度的要求越来越越高，传统的步进电机需要使用一些减速设备
来减速和提高力矩，由于存在各种损耗，会导致电机力矩损失[1]
，也存在摩擦、弹性
所造成的非线性。最终影响机器人的控制及可操作性。于是人们发明了直线电机，这
种电机将负载直接加到电机上由电机直接驱动。直接驱动技术的核心是设计专门的直
接驱动电机，以获得低速、高力矩输出，从而免除了使用齿轮减速器的必要，同时也
可以获得更高的驱动性能。直接驱动机器人具有的优点主要有高速，高精度．重量轻、
高刚性、机械结构设计简单[2]
。另外由于其较理想的刚体动力学模型，很适合作为控
制方法的研究对象[3]
。在需要直线运动的场合下与旋转电机结合中间变换环节的传动
形式相比具有明显的优势，因此直线电机驱动技术近年来一直是人们研究的一个热门
问题。
动圈式直流直线电机作为一种特殊结构的直线电机，它具有运行效率高，控制简
单，速度控制范围广的优点。对直线电机的电磁性能进行准确的计算分析，研究掌握
电机主要性能对电机的设计以及电机的控制尤为重要，研究掌握电机的工作性能或设
计电机的重要前提是获得正确的磁场分布。对直线电机的分析一直采用等效磁路法作
为基本的工具，但是一些与场有关的问题无法用磁路的概念进行研究，要准确地分析
研究动圈式直流直线电机的性能，必须通过研究电磁场的计算来获得。随着计算机技
术的发展，以及先进的计算技术的出现，应用现代电磁场数值计算方法来研究电机的
性能成为了可能，电磁场数值计算能够从定量的角度解决经典电磁学所无法解决的电
机内部复杂电磁场计算问题，并且在对实际问题的计算上能够获得相当高精度的解，
能为提高电机运行性能提供了理论参考依据，满足了实际工程应用的需要。
基于电机内部电磁场数值计算基础之上的电机运行性能分析是目前世界上受到广
泛重视和深入研究，而有限元方法被认为是一种最有效、应用最普遍的分析电机电磁
场的数值方法[4]
.由于计算机数字处理能力的进步，基于有限元方法的电磁场仿真软件
已经广泛应用于电气设备产品开发的前期研究，在产品的设计阶段就能够对其进行精
确的计算和性能分析，从而改变了以往的产品设计制造方法，进而可以节约成本，缩
短产品的开发周期。
基于以上背景，本文以用于驱动汽车无人驾驶机器人的动圈式直流直线电机为分
析对象，通过有限元的方法对其进行研究，并最终获得结构位移场和电磁场的场耦合
理论模型，确定了电磁线圈匝数与速度响应之间的定量关系，从而为电机的控制提供
了有力的依据。
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