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)推力可以通過增減永磁體的極對(duì)數(shù)來達(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，但通過組合不但能夠滿足超大推力的要求，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，定子的中問是裝有永磁體的動(dòng)子，整個(gè)系統(tǒng)的推力可以通過增減系統(tǒng)的電機(jī)數(shù)量和動(dòng)子的長(zhǎng)度來實(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。
分析過程中加載電流總的安匝數(shù)750安匝不變，通過調(diào)整直線電動(dòng)機(jī)的相關(guān)參數(shù)來分析各個(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， |
