一種新型永磁直線同步電機(jī)繞組的有限元分析

琚 莉，彭 云，袁振偉，王三保，周惠興

（1. 河南財(cái)政稅務(wù)?？茖W(xué)校，鄭州 450002；2. 鄭州大學(xué) 化工與能源學(xué)院，鄭州 450002；3. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，北京 100083）

一種新型永磁直線同步電機(jī)繞組的有限元分析

琚 莉1，彭 云2，袁振偉2，王三保2，周惠興3

（1. 河南財(cái)政稅務(wù)專科學(xué)校，鄭州 450002；2. 鄭州大學(xué) 化工與能源學(xué)院，鄭州 450002；3. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，北京 100083）

直線電機(jī)由旋轉(zhuǎn)電機(jī)演變而來(lái)，本文針對(duì)直線電機(jī)自身的特點(diǎn)，提出直線電機(jī)繞組的新型排列方式，并用Ansoft Maxwell 12進(jìn)行了有限元分析模擬，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這種排列方式的可行性和可靠性。

永磁直線電機(jī)；Ansoft Maxwell 12；有限元分析

0 引言

在許多場(chǎng)合，被控對(duì)象是直線運(yùn)動(dòng)，傳統(tǒng)的獲得直線運(yùn)動(dòng)的方法，一般是旋轉(zhuǎn)電機(jī)加絲杠。由于結(jié)構(gòu)上的限制，傳統(tǒng)方法的運(yùn)動(dòng)速度、精度和可靠性已經(jīng)達(dá)到極限。直線電機(jī)沒(méi)有中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)、無(wú)傳動(dòng)間隙和機(jī)械摩擦，可以獲得更高的速度和精度。U型永磁同步直線電機(jī)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能適應(yīng)高精度、高加速以及高速運(yùn)行狀態(tài)，越來(lái)越多的應(yīng)用于各種直線運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域。

本文在傳統(tǒng)直線電機(jī)的基礎(chǔ)上，分析提出了一種新型U型無(wú)鐵芯直線同步電機(jī)動(dòng)子的繞組，其推力波動(dòng)小、響應(yīng)快、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并且能有效降低成本。同時(shí)采用有限元軟件Ansoft Maxwell 12對(duì)這種繞組進(jìn)行了建模分析，最后通過(guò)實(shí)際的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了檢驗(yàn)。

1 新型繞組的由來(lái)

把旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿徑向展開(kāi)，定子和動(dòng)子部分都做成直線形式，就得到了直線電機(jī)。這里以3相4極永磁同步電機(jī)為例，說(shuō)明直線電機(jī)的轉(zhuǎn)變過(guò)程。

圖1 直線電機(jī)的由來(lái)

電機(jī)沿徑向展開(kāi)，氣隙磁場(chǎng)由原來(lái)的圓型轉(zhuǎn)變成直線（如圖1所示），磁鋼磁力線分布情況可以近似看做一個(gè)正弦曲線（如圖2所示）。分析永磁體所產(chǎn)生的磁場(chǎng)變化可知，要想獲得最大的直線驅(qū)動(dòng)力，同步直線電機(jī)繞組所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)，同定子永磁體所產(chǎn)生的磁場(chǎng)一樣，也應(yīng)該是正弦形式。

圖2 直線電機(jī)正弦變化的定子磁場(chǎng)

旋轉(zhuǎn)電機(jī)繞組部分，由旋轉(zhuǎn)電機(jī)展開(kāi)得到的繞組平面圖如圖3所示，按星型接法，在ABC中通入正弦交流電后，繞組產(chǎn)生正弦變化的行波磁場(chǎng)，這是制造直線電機(jī)繞組最常見(jiàn)的方式。

圖3 旋轉(zhuǎn)電機(jī)繞組展開(kāi)圖（并聯(lián)）

從圖3中可以看出，電機(jī)只有12槽，可以采用單層繞組排列方式，但是每一項(xiàng)繞組所跨的槽數(shù)較多，增加了電機(jī)的銅耗，同時(shí)使得無(wú)用功功率增加，難以提高電機(jī)的功率因數(shù)。線圈與線圈的疊加，也增加了電機(jī)制造和裝配的難度?？紤]到直線電機(jī)有它自身的特點(diǎn)，我們只需要使繞組產(chǎn)生如圖2所示的正弦磁場(chǎng)，就能得到我們想要的直線驅(qū)動(dòng)力。再結(jié)合U型電機(jī)的特點(diǎn)和U型電機(jī)磁鋼的間距，可以把繞組分開(kāi)排列。這樣處理，首先避免了線圈與線圈之間的疊加，從結(jié)構(gòu)上保證了線圈與線圈之間的絕緣性能。其次，線圈分開(kāi)后，間距和厚度相對(duì)容易保證，線圈之間的相互擾動(dòng)會(huì)減少，這也有助于提升電機(jī)的電氣性能。

圖4 繞組的轉(zhuǎn)化

如圖4所示，把線圈展開(kāi)后，采用合適的間距和合適的電壓頻率，就可以得到和定子一致的正弦交變磁場(chǎng)，進(jìn)而得到我們想要的直線驅(qū)動(dòng)力。與傳統(tǒng)直線電機(jī)繞組比較，這種新型繞組具有銅耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、制造以及裝配方便等諸多優(yōu)點(diǎn)。

2 繞組分析

Ansoft公司的Maxwell 是一個(gè)功能強(qiáng)大、結(jié)果精確、易于使用的二維/三維電磁場(chǎng)有限元分析軟件。它可以用于靜電場(chǎng)、靜磁場(chǎng)、時(shí)變電場(chǎng)，時(shí)變磁場(chǎng)，渦流場(chǎng)、瞬態(tài)場(chǎng)和溫度場(chǎng)計(jì)算，在分析電機(jī)、傳感器、變壓器、永磁設(shè)備、激勵(lì)器等電磁裝置的靜態(tài)、穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、正常工況和故障工況的特性方面都很有優(yōu)勢(shì)。Maxwell具有很強(qiáng)的專業(yè)性，并且容易掌握，越來(lái)越多的受到工程技術(shù)人員的青睞。

下面以最簡(jiǎn)單的三個(gè)線圈的直線電機(jī)為例，分析檢驗(yàn)這種繞組的可行性，電機(jī)為三相，每相一個(gè)線圈，平行排列，電機(jī)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 U型直線電機(jī)分析參數(shù)

電機(jī)速度設(shè)定為5mm/s，加載電壓為15V三相交流電，暫不考慮磁鋼軛部的影響，在Ansoft中建立2D瞬態(tài)分析模型，建立模型如圖5所示。

圖5 直線電機(jī)2D模型

采用手動(dòng)設(shè)置網(wǎng)格精度，對(duì)線圈、氣隙及磁鋼部位進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，以提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。網(wǎng)格劃分如圖6所示：

圖6 網(wǎng)格劃分

以下是分析結(jié)果， 圖7是新型繞組的運(yùn)動(dòng)方向推力曲線。

圖7 電機(jī)推力曲線

從推力曲線上可以看出，當(dāng)加載15v的電壓時(shí)，持續(xù)推力穩(wěn)定在14.5N，推力波動(dòng)幅度很小，達(dá)到我們的預(yù)期目標(biāo)，圖8是電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)曲線，電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)后，反電動(dòng)勢(shì)曲線嚴(yán)格遵循三相交流電的相位和波形，這也符合電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行特征。

圖8 繞組反電動(dòng)勢(shì)曲線

圖9是繞組的磁鏈曲線。

在t＝2.5s時(shí)磁力線分布情況如圖10所示。

在t＝3.5s時(shí)電機(jī)磁通密度分布情況如圖11所示。

這種三組線圈動(dòng)子繞組的仿真分析結(jié)果，和我們所制做動(dòng)子的實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果基本一致。

圖9 繞組磁鏈曲線

圖10 繞組磁力線分布

圖11 繞組磁通分布云圖

3 結(jié)論

本文提出的新型繞組排列方式，簡(jiǎn)化了無(wú)鐵芯直線電機(jī)動(dòng)子的制作過(guò)程，同時(shí)也便于電機(jī)模型的有限元分析，并且能夠有效的保證電機(jī)的電氣性能，再加上可運(yùn)用高效便捷的Ansoft Maxwell軟件進(jìn)行分析，能有效避免設(shè)計(jì)中的失誤，縮短設(shè)計(jì)周期，優(yōu)化電機(jī)性能，有助于直線電機(jī)事業(yè)的快速發(fā)展。

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A novel winding method based on fi nite element analysis for permanent magnet linear synchronous motor

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TP391

B

1009-0134(2011)5(下)-0139-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.5(下).44

2011-01-24

河南省基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計(jì)劃項(xiàng)目（092300410037）

琚莉（1967－），女，河南武陟人，講師，本科，研究方向?yàn)楣こ虇?wèn)題的教學(xué)分析與計(jì)算。

致謝：本文撰寫過(guò)程中得到了鄭州微納科技有限公司的大力支持，在此表示衷心感謝。