次級材料對直線電動機性能影響的Maxwell 2D仿真分析
襄昌利1.2，劉少克2，宋敏2
（1空軍航空大學(xué)，吉林長春130022；2國防科技大學(xué)，湖南長沙410073）
摘要：使用Maxwell 2D軟件對直線感應(yīng)電動機進行仿真，介紹了仿真方法和邊端效應(yīng)的調(diào)整方法，主要分析了氣隙大小和次級材料的厚度對直線感應(yīng)電動機運行性能的影響，對直線感應(yīng)電動機的設(shè)計開發(fā)、科研應(yīng)用有一定的參考價值。
關(guān)鍵詞：直線感應(yīng)電動機；仿真；Maxwell 2D
中圖分類號：TM359.4 文獻標識碼：A 文章編號：1004 -7018 (2008) 09 -0022 -03
0引言
直線感應(yīng)電動機的設(shè)計制造和科研開發(fā)中，常常需要做大量的實驗來考察電機性能，這無論在人力、物力、財力和時間上都有較大的消耗。而采用仿真分析的方法，則具有方便迅速、節(jié)省成本的優(yōu)點。用有限元軟件Maxwell 2D進行仿真可以實現(xiàn)這個目的，從而加速其設(shè)計制造和科研開發(fā)。
1模型樣機
本文樣機為國防科大CM S03和CMS03A磁浮列車用直線感應(yīng)電動機，其幾何模型的基本樣式如圖l所示。隨著仿真目的不同，具體的幾何參數(shù)也將發(fā)生相應(yīng)的變化。
建模中假設(shè)初級鐵心的電導(dǎo)率為0，不會產(chǎn)生渦流，即忽略渦流損耗。
電機運行中其電磁場隨時間和運動狀態(tài)而發(fā)生變化，故選用Transient（瞬態(tài)）模塊進行建模。Transient模塊適用于模型中具有平動或轉(zhuǎn)動物體(Object)的情況，能夠計算出運動過程中任意時刻的磁通密度、磁場強度、感應(yīng)電流等電磁場量。次級材料及其高度則按照不同的仿真目的進行繪圖和設(shè)置。
2邊端效應(yīng)的調(diào)整
直線感應(yīng)電動機特有的邊端效應(yīng)必須在建模中得以體現(xiàn)才能保證仿真結(jié)果的正確。直線感應(yīng)電動機的極數(shù)大于或等于6時可以認為負序和零序電流與正序電流相比已足夠小而忽略；由于鐵心開斷造成的脈振磁勢也可以忽略不計[2]。對于動態(tài)縱向邊端效應(yīng)，由于幾何建模的方向是沿著其運動方向，因此可以反映出動態(tài)縱向邊端效應(yīng)產(chǎn)生的影響。但是，2D模型并不能反映出橫向邊端效應(yīng)的影響。橫向邊端效應(yīng)的影響可以近似認為僅使次級電阻率有所增加，即可以通過調(diào)整次級電阻率的大小來加以改善[2]。在定量計算時需要把次級電阻率乘以一個修正系數(shù)Kt，其表達式為：
式中：c ——次級導(dǎo)體板單邊伸出初級鐵心的寬度(cm)；lδ——初級鐵心疊厚( cm)；τ——直線電機極距( cm)。可以看出，kr值僅與電機尺寸有關(guān)，在本文中其值為1.92。因此，建模時需要將次級材料的電導(dǎo)率一電阻率的倒數(shù)除以kr。
3添加鐵磁材料
Maxwell 2D軟件允許用戶自定義材料屬性（如磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率等），本文電機次級所用到的鐵板材料是某型鋼材，其B-H曲線由手工輸入，其曲線如圖2所示。
仿真過程中鋁板和鐵板材料的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率設(shè)置如表l所示。
4仿真結(jié)果分析
當直線感應(yīng)電動機作為磁浮列車的動力源時，除了推力作為重點的研究對象外，法向力對列車懸浮性能的影響也是巨大的，因而推力和法向力往往需要同時研究。
(1)氣隙大小對推力和法向力的影響
改變氣隙的長度，研究電機的氣隙大小對推力和法向力的影響，仿真結(jié)果如表2所示。
表2中數(shù)據(jù)表明，當氣隙逐漸變大時，推力隨著減小；但法向力則有變化。在氣隙從1 mm變至3mm時法向吸引力由小變大，其余情況為隨氣隙增大而減小。通過觀察仿真結(jié)果中的電磁力矢量圖，發(fā)現(xiàn)當氣隙很小時，初級對次級感應(yīng)電流層（鋁板）之間的排斥力效果顯著，所以法向力會有這樣的變化。在氣隙較大時，初次級間的水平推力和法向力同為隨氣隙增大而減小的 |
