两自由度直驱电机可实现旋转、直线及螺旋等运动形式,由于省掉了传统的机械转换和传动装置,此种电机具有空间集成度高、控制精度高、检修量小、成本低等优势,在机器人、数控机床、汽车生产线等领域具有广泛的应用前景。本文对一种两自由度直驱感应电机(2DoFDDIM)进行研究,该2DoFDDIM由空间扣合的两个弧形定子及一个共用的镀铜实心转子构成,电机具有结构简单、机械强度高等优势。实心转子表面镀铜是提高电机力能指标的一种有效方法,但是会带来转子铜层损耗大、温升严重等问题。本文以2DoFDDIM为研究对象,对其转子损耗进行分析计算,并从减少转子损耗、提高电机效率的角度,对电机进行优化。本文研究内容如下:1.提出一种可以考虑转子铁心饱和效应的非线性解析法对2DoFDDIM的转子铜耗进行求解。在忽略耦合效应的情况下,将2DoFDDIM看作旋转和直线两部分,选择旋转部分为研究对象,从单自由度的角度对旋转部分的转子铜耗进行计算。新的解析法将时间周期均分为若干段,利用麦克斯韦方程可对任意时刻的磁场分布进行求解,并可以计算气隙基波磁场在转子铁心和转子铜层中造成的涡流损耗。采用二维解析法对气隙谐波磁场在转子铁心和转子铜层中造成的表面涡流损耗进行计算。对各层的涡流损耗和表面涡流损耗进行求和,可得到各层中总的铜耗。在计算转子铁心铜耗时,引入修正系数来考虑端部等效应的影响。将各层铜耗的解析计算值与三维有限元法仿真值进行对比,以验证所提出的非线性解析法的正确性。对比结果显示,铁心铜耗和铜层铜耗的误差分别小于7%和8%,新方法具有较高的精确度。2.从改变转子外层参数的角度,对2DoFDDIM进行优化,实现降低转子损耗,提高电机效率的目的。采用解析法计算转子铜耗的优势在于,可以找出影响损耗的主要参数。根据2DoFDDIM转子铜耗解析计算过程可以看出,转子外层材料的电磁特性是影响转子铜耗的重要因素。本文以转子外层材料的电导率和磁导率为变量,首先,在其他参数保持不变的前提下,转子外层材料分别采用纯铜、20%铜的铜铁合金以及16%铜的铜铁合金,建立相应的二维有限元模型进行仿真,将不同电机的性能进行对比来验证转子外层材料的电磁参数的影响;为了得到最佳的电机性能,在外层采用不同材料时,改变转子外层厚度,并构建相应的电机模型,综合考虑电机的各项性能,选择出最佳的转子外层材料和厚度的组合。3.对采用双向开槽铸铜实心转子的2DoFDDIM等效电路模型及等效电路参数进行研究计算。在忽略耦合效应的前提下,从单自由度的角度,首先选择双向开槽铸铜实心转子2DoFDDIM旋转部分为研究对象,对转子涡流和磁场分布进行分析,根据涡流和磁场的分布特点,将双向开槽铸铜实心转子等效为鼠笼转子,确立旋转部分的等效电路模型,提出结构修正系数来考虑半圆弧型特殊定子结构的影响,为了考虑转子铁心饱和效应对励磁电抗的影响,引入附加气隙对励磁电抗表达式进行修正。根据确立的等效电路模型对双向开槽铸铜实心转子2DoFDDIM旋转部分的电机性能进行计算。相同的思路应用于直线部分,并求得直线部分的电机性能。将旋转部分和直线部分的电机性能解析计算值与有限元法仿真值进行对比,对比结果显示,各项性能误差均小于8.2%,由此验证了等效电路模型及等效电路参数计算的正确性。为了研究转子槽中铸合金时对电机性能的影响,在双向开槽铸铜实心转子的基础上,改变槽内材料分别为16%铜和20%铜的铜铁合金,并建立相应的三维有限元模型进行仿真,仿真结果对比显示,槽内铸铜铁合金会削弱电机的多项性能,因此,铜铁合金不适用于开槽实心转子电机。