直线振荡执行器是一种无需中间机械转换部件即可实现高频往复直线运动的执行机构,其具有机械结构简单、噪音小、响应速度快和系统效率高等优点,适用于驱动制冷压缩机、电磁泵、人工心脏和振动筛等设备。动磁式结构直线振荡执行器由于动子质量轻、振荡频率高和推力密度高等优点得到日益广泛的重视,但结构复杂、内定子叠装困难和加工工艺要求高等一直是制约其发展的关键问题。对此,本文首次提出一种无需内定子的直线振荡执行器,并对其若干关键问题进行深入的分析与研究。本文的主要研究成果如下:(1)首次提出一种无需内定子的动磁式直线振荡执行器拓扑结构在分析现有各种拓扑结构的基础上,首次提出一种无需内定子的动磁式直线振荡执行器的新结构。新结构采用间隔一定距离的两个对称“C”型外定子,动子永磁体位于两个“C”型齿中间,具有无需内定子、结构简单、加工方便、漏磁小、电磁推力密度高和电磁推力可控性好等优点。(2)执行器的等效磁路建模及三维有限元分析在分析该直线振荡执行器运行原理的基础上,建立其等效磁路模型,采用虚功法推导出电磁推力和电感的解析计算公式。为准确分析其磁场分布和电磁特性,建立了结构尺寸参数化的三维有限元模型,计算了气隙磁链和电磁推力的电流和位移特性,分析了永磁体尺寸等多个关键参数对执行器输出电磁推力和有效行程的影响。(3)执行器的设计方法及多目标优化分析了该直线振荡执行器设计的基本方法,结合等效磁路法和三维有限元分析法推导出执行器关键参数的设计依据及解析公式。针对该动磁式直线振荡执行器需综合电磁推力较大和永磁体体积较小的要求,结合表面响应模型法和量子行为粒子群算法对执行器的永磁体尺寸进行多目标优化,克服了等效磁路优化模型计算精度低和三维磁场模型计算效率低的不足,同时避免了传统粒子群算法可能陷入局部最优解的问题。有限元结果验证了优化结果的正确性并表明,采用该方法优化后的执行器相比优化前输出电磁推力提高了 6.2%,永磁体体积减小了12.8%。(4)执行器机电系统谐振特性分析及等效机械谐振频率跟踪控制以驱动压缩机负载为例,建立集机械动力系统和电磁系统一体化的等效数学模型。在此基础上采用矢量法分析系统谐振特性,并推导出效率和功率因数等重要性能指标的解析计算公式。为实现等效机械谐振频率跟踪,提出一种基于改进扰动观察法的最大功率点跟踪方法。仿真结果证明,改进算法能加快其等效机械谐振频率跟踪速度,降低其在最大功率点附近的功率振荡,较好实现该执行器在变工况条件下的等效机械谐振频率跟踪。(5)执行器动子位移自传感算法研究提出一种基于全维状态观测器的执行器动子位移自传感算法,该算法通过端电压和电流的处理和计算来估算动子位移。仿真和实验结果表明,该算法能实现不同运行频率下的动子位移自传感,实测行程估算绝对误差的最大值为0.32 mm,相对误差的最大值为2.6%。针对直线振荡执行器在运行过程中等效电阻参数摄动问题,提出一种带等效电阻辨识的自适应动子位移观测器,推导出基于李雅普诺夫稳定性的自适应律。仿真结果表明,该算法能较好抑制等效电阻参数变化引起的动子位移观测误差。(6)样机实验研究在理论分析和设计的基础上,实际加工了一台实验样机,并设计了一套基于DSP的性能测试平台。样机的测试结果与理论分析结果吻合良好,证明本文提出的新结构、所建模型和理论计算均是正确,体现该新型执行器具有较高研究价值和应用前景。