| 動(dòng)磁式永磁直線同步電動(dòng)機(jī)電磁力分析
郝雙暉，劉吉柱，龍瑞政，鄭偉峰，郝明暉
(哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱150001)
摘要：結(jié)合永磁直線同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，介紹了在超大功率場(chǎng)合的動(dòng)磁式永磁直線同步電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用結(jié)構(gòu)形式。利用有限元分析方法分析了電動(dòng)機(jī)相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電動(dòng)機(jī)推力和齒擼力的影啊，得到了齒槽力波動(dòng)周期的計(jì)算方法，以及相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電動(dòng)機(jī)推力、推力波動(dòng)的影啊曲線和不同結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)的齒槽力波形，實(shí)驗(yàn)論證了分析結(jié)果的正確性。
關(guān)鍵詞：動(dòng)磁式；永磁直線同步電動(dòng)機(jī)；齒槽力；有限元分析
中圖分類(lèi)號(hào)：TM34l；TM359．4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：l004—71118(2010)01—0001—03
0 引 言
永磁直線同步電動(dòng)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)PMLsM)具有推力大、功率密度高、損耗低、時(shí)間響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，在民用和軍用領(lǐng)域都得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。與動(dòng)圈式直線電動(dòng)機(jī)相比，短次級(jí)、長(zhǎng)初級(jí)結(jié)構(gòu)的動(dòng)磁式永磁直線同步電動(dòng)機(jī)在大功率、長(zhǎng)行程、高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用場(chǎng)合，具有更大的優(yōu)勢(shì)。動(dòng)磁式直線電動(dòng)機(jī)配合合適的機(jī)械結(jié)構(gòu)，電機(jī)推力可以通過(guò)增減永磁體的極對(duì)數(shù)來(lái)達(dá)到增減推力的目的，因此其模塊性更強(qiáng)。本文介紹了用于超大功率場(chǎng)合的直線電動(dòng)機(jī)的總體結(jié)構(gòu)，并利用有限元分析方法，綜合分析了動(dòng)磁式永磁直線同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電機(jī)電磁力特性的影響。
1超大功率直線電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用結(jié)構(gòu)
為提供足夠的推力以及克服電機(jī)單邊磁拉力的影響，在超大功率的場(chǎng)合一般采用雙邊直線電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)。但是超大功率的雙邊直線電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸大、工藝難度高，同時(shí)也對(duì)電源系統(tǒng)提出了很大的挑戰(zhàn).因此可將超大功率的直線電動(dòng)機(jī)拆分成多個(gè)雙邊直線電動(dòng)機(jī)在空間上的組合，這些直線電動(dòng)機(jī)功率相對(duì)更小，但通過(guò)組合不但能夠滿(mǎn)足超大推力的要求，而且降低了工藝難度和單個(gè)電機(jī)對(duì)電源系統(tǒng)的要求。這種多層多列的空間陣列組合如圖l所示，定子的中問(wèn)是裝有永磁體的動(dòng)子，整個(gè)系統(tǒng)的推力可以通過(guò)增減系統(tǒng)的電機(jī)數(shù)量和動(dòng)子的長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)增減。
在驅(qū)動(dòng)繞組結(jié)構(gòu)上，定子采用集中繞組的形式，電機(jī)加工和裝配更簡(jiǎn)單，也有利于將定子結(jié)構(gòu)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。永磁直線同步電動(dòng)機(jī)無(wú)論功率多大，它都具有一般刀(磁直線電動(dòng)機(jī)的特性，所以磁極寬度、磁極高度、槽距、槽寬、槽深、氣隙對(duì)電機(jī)的推力及其波動(dòng)以及齒槽力都有很大的影響。
2有限元分析模型
利用二維有限元方法對(duì)永磁直線同步電動(dòng)機(jī)的電磁場(chǎng)進(jìn)行分析，二維穩(wěn)態(tài)電磁場(chǎng)的Maxwell基本方程用矢量磁位A表示，則其滿(mǎn)足準(zhǔn)泊松方程：
式中：Az為A的z方向分量；μ為材料磁導(dǎo)率；J0為初級(jí)電樞電流密度;Jm為永磁體等效磁化電流密度。
在二維磁場(chǎng)分析中，采用MaxwelJ張量法計(jì)算電磁力，推力Fx和法向力Fy分別為：
式中：s為氣隙中圍繞電機(jī)運(yùn)動(dòng)部分的積分路徑；nx和ny為單位切向矢量和單位法向矢量；BX和By為磁通密度矢量B的切向和法向矢量；μ0為磁導(dǎo)率。
分析過(guò)程中加載電流總的安匝數(shù)750安匝不變，通過(guò)調(diào)整直線電動(dòng)機(jī)的相關(guān)參數(shù)來(lái)分析各個(gè)參數(shù)對(duì)電磁力的影響，初級(jí)繞組采用每對(duì)極對(duì)應(yīng)3槽的集中繞組結(jié)構(gòu)。圖2是有限元分析的基本模型，模型的極距為45 mm，槽距為30 mm，設(shè)定定子寬度為50 mm，額定推力為273. 57 N·m，法向力為1 888 .78 N·m。
3結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)PMLSM電磁推力的影響分析
3 1結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電磁推力的影響分析
推力是直線電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)重要的性能指標(biāo)，經(jīng)過(guò)有限元分析得到圖3和圖4的曲線簇。圖3是推力在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下隨著氣隙變化曲線圖。
從圖3可以看出，在電機(jī)其它參數(shù)不變的情況下，推力隨著氣隙的增大而減小，氣隙的增大直接導(dǎo)致了電機(jī)磁場(chǎng)的磁阻增加，也就減弱了氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度。氣隙恒定時(shí)，各個(gè)參數(shù)對(duì)電機(jī)推力的影響是有區(qū)別的，電機(jī)推力隨著定子槽寬、槽深的增大而減小，但是對(duì)比圖3a和圖3b可以看出，槽寬對(duì)推力的影響更為敏感，槽深對(duì)推力的影響則微小。永磁體寬度和永磁體厚度的增加都使得推力上升。永磁體寬度的增加增強(qiáng)了氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度，因此推力增加，從圖3d也可以看到，雖然永磁體厚度的線性增加，但推力的增加逐漸變緩，這可以從曲線的疏密程度來(lái)判斷。
圖4反映了PMLsM的各個(gè)參數(shù)不同的情況下，電機(jī)推力隨水磁體厚度變化而變化的曲線簇。從圖中看到，推力在開(kāi)始時(shí)隨著永磁體厚度的增加而顯著增加，永磁體厚度增加到一定值后，推力逐漸趨于一個(gè)穩(wěn)定值，也就是說(shuō)當(dāng)永磁體的厚度增加到一定程度后，永磁體厚度的顯著增加并不能帶來(lái)推力的有效提升。
3．2結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)推力波動(dòng)的影響分析
PMLSM的鐵心是開(kāi)斷的，磁路不像旋轉(zhuǎn)電機(jī)那樣閉合，因此其磁場(chǎng)畸變比旋轉(zhuǎn)電機(jī)更嚴(yán)重，推力波動(dòng)也更大。推力波動(dòng)的計(jì)算公式為：
圖5是推力波動(dòng)大小隨不同參數(shù)變化的曲線。圖5說(shuō)明氣隙的增大使得推力波動(dòng)大幅減小。槽寬、槽深的增加使得推力波動(dòng)增加，但槽寬大小對(duì)推力波動(dòng)的影響較槽深更明顯，因?yàn)椴蹖挼募哟笾苯釉黾恿藲庀兜幕儯簿驮黾恿藲庀洞抛瑁觿×她X槽效應(yīng)，齒槽力增加，因此增加了推力波動(dòng)。同時(shí)從圖5d看到，隨著永磁體厚度的增加，推力波動(dòng)加大。從圖5e看到，永磁體寬度(極弧系數(shù))對(duì)電機(jī)推力波動(dòng)的影響較為復(fù)雜，當(dāng)永磁體寬度為30 mm，即極弧系數(shù)ap=O. 67左右時(shí)推力的波動(dòng)達(dá)到最小值，因此極弧系數(shù)的選擇既要考慮推力的要求，又要使推力的波動(dòng)在合理的范圍內(nèi)。
4齒槽力的特性分析
4．1齒槽力的波動(dòng)周期分析
磁阻力是造成推力波動(dòng)的主要原因。在短次級(jí)、長(zhǎng)初級(jí)的PMLSM中，次級(jí)完全在初級(jí)區(qū)域內(nèi)，只存在磁阻力的齒槽分量。本文分析的動(dòng)磁式PMIsM屬于長(zhǎng)初級(jí)短次級(jí)結(jié)構(gòu)，次級(jí)完全在初級(jí)的范圍內(nèi)，因此齒槽力是磁阻力的主要部分，起主要作用。
參照文獻(xiàn)[5]對(duì)旋轉(zhuǎn)電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的研究方法可知，永磁電機(jī)的齒槽效應(yīng)周期與轉(zhuǎn)子磁極數(shù)和定子槽數(shù)有關(guān)，PMLsM是旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿圓周方向的展開(kāi)。設(shè)動(dòng)子2p個(gè)磁極下的定子槽數(shù)為Nlc．極數(shù)與槽數(shù)的最小公倍數(shù)是Nlc,則PMLsM齒槽力的一個(gè)周期的波長(zhǎng)為：
式中：T為極距；P為極對(duì)數(shù)。
4．2齒槽力計(jì)算的有限元分析模型的處理
本文研究的永磁直線電動(dòng)機(jī)繞組結(jié)構(gòu)為每?jī)蓸O對(duì)應(yīng)3槽的結(jié)構(gòu)，以2極3槽作為一個(gè)單元電機(jī)做周期延拓，將PMLsM的有限元模型轉(zhuǎn)換為初級(jí)和次級(jí)均為無(wú)限長(zhǎng)的模型，然后分析電機(jī)齒槽力。相應(yīng)的邊界條件與幾何分析模型如圖6所示，左右為周期性邊界，上下兩邊的邊界為零磁勢(shì)。
利用建立的模型，分析模型運(yùn)動(dòng)兩個(gè)極距的齒槽力，將齒槽力乘以4得到4對(duì)極的齒槽力波形圖。用該模型得到4對(duì)極PMLsM運(yùn)動(dòng)兩個(gè)極距也就是90 mm的齒槽力波形，如圖7所示。從圖中得到齒槽力峰值為13. 04 N，波動(dòng)周期為15 mm。
4 3結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)齒槽力的影響特性分析
圖8是不同結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)PMLsM齒槽力波形圖。圖8a反映的是齒槽力的大小會(huì)隨著氣隙的增大而明顯減小。槽寬對(duì)齒槽力的影響從圖8b中可以看出，槽寬的增大直接加劇了齒槽效應(yīng)，因此隨著槽寬的增加齒槽力增大。槽深的增加對(duì)齒槽力的影響較為平穩(wěn)，影響有限。圖8d反映的永磁體寬度與齒槽力之間的關(guān)系較為復(fù)雜，峰值大小不呈現(xiàn)單一的趨勢(shì)變化，且永磁體寬度變化時(shí)，齒槽力波形的初始相位也發(fā)生了變化，選擇適當(dāng)?shù)挠来朋w寬度可以使齒槽力峰值很小，這也表明合理的選擇永磁體寬度對(duì)削弱永磁直線電動(dòng)機(jī)的齒槽力十分關(guān)鍵。從圖8e的情況來(lái)看，永磁體厚度的增加使得氣隙磁場(chǎng)增強(qiáng)，齒槽力也增加。
5實(shí)驗(yàn)研究
試制一臺(tái)單邊的PMLsM，選定****的結(jié)掏參數(shù)，如表1所示，并試制原理樣機(jī)。
給PMLsM加載q軸電流，測(cè)試電機(jī)在不同電流下的推力情況，并獲得電機(jī)的推力系數(shù)，實(shí)際值和理論分析值比較如圖9所示．
電機(jī)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較好地吻合了分析結(jié)果一實(shí)驗(yàn)樣機(jī)在9 A(900安匝數(shù))時(shí)出現(xiàn)r飽和現(xiàn)象，推力不再上升。實(shí)測(cè)結(jié)果證明廠有限元分析結(jié)果的可靠性和正確性。取實(shí)驗(yàn)樣機(jī)電流在O～8 A的實(shí)測(cè)結(jié)果可知，樣機(jī)的平均推力系數(shù)為29．1 N／A．
6結(jié)語(yǔ)
本文利用有限元分析方法，綜合分析了永磁直線電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如氣隙、定子槽寬、定子槽深、永磁體厚度以及永磁體寬度對(duì)推力的影響特性；同時(shí)根據(jù)長(zhǎng)初級(jí)短次級(jí)的動(dòng)磁式直線電動(dòng)機(jī)推力波動(dòng)主要由齒槽力引起的特點(diǎn)，分析了永磁直線電動(dòng)機(jī)的齒槽力，并且綜合分析了齒槽力隨著各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)改變時(shí)的變化情況。通過(guò)實(shí)驗(yàn)論證了有限元分析的正確性，為后續(xù)永磁直線同步電動(dòng)機(jī)的進(jìn)一步研究提供了依據(jù)。 |
