動磁式永磁直線同步電動機(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)合水磁直線同步電動機(jī)的特點，介紹了在超大功率場合的動磁式永磁直線同步電動機(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機(jī)相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)對電動機(jī)推力和齒槽力的影響，得到了齒槽力波動周期的計算方法，以及相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)對電動機(jī)推力、推力波動的影響曲線和不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對的齒槽力波形，實驗論證了分析結(jié)果的正確性.
關(guān)鍵詞：動磁式；水磁直線同步電動機(jī)；齒槽力；有限元分析
中圖分類號：tm341；tm359．4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：a 文章編號：1004—7018(2010)01—0001—03
0引言
永磁直線同步電動機(jī)(以下簡稱pmlsm)具有推力大、功率密度高、損耗低、時間響應(yīng)快等優(yōu)點，在民用和軍用領(lǐng)域都得到了越來越廣泛的應(yīng)用：與動圈式直線電動比，短次級、長初級結(jié)構(gòu)的動磁式永磁直線同步電動機(jī)在大功率、長行程、高速往復(fù)運(yùn)動的應(yīng)用場合，具有更大的優(yōu)勢。動磁式直線電動機(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合的直線電動機(jī)的總體結(jié)構(gòu)，并利用有限元分析方法，綜合分析了動磁式永磁直線同步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)對電機(jī)電磁力特性的影響。
1超大功率直線電動機(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，在超大功率的場合一般采用雙邊直線電動機(jī)的結(jié)構(gòu)。但是超大功率的雙邊直線電動機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸大、工藝難度高，同時也對電源系統(tǒng)提出了很大的挑戰(zhàn)。因此可將超大功率的直線電動機(jī)拆分成多個雙：沁邊直線電動機(jī)在空間上的組合，這些直線電動機(jī)功；登率相對更小，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電機(jī)對電源系統(tǒng)的要求。這種多層多列的空間陣列組合如圖1所示，定子的中問是裝有永磁體的動子，整個系統(tǒng)的推力可以通過增減系統(tǒng)的電機(jī)數(shù)量和動子的長度來實現(xiàn)增減。
在驅(qū)動繞組結(jié)構(gòu)上，定子采用集中繞組的形式，電機(jī)加工和裝配更簡單，也有利于將定子結(jié)構(gòu)進(jìn)行模塊化設(shè)計。永磁直線同步電動機(jī)無論功率多大，它都具有一般永磁直線電動機(jī)的特性，所以磁極寬度、磁極高度、槽距、槽寬、槽深、氣隙對電機(jī)的推力及其波動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永磁直線同步電動機(jī)的辮電磁場進(jìn)行分析，二維穩(wěn)態(tài)電磁場的maxweli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為初級電樞電流密度；jm為永磁體等效磁化電流密度。
在二維磁場分析中，采用maxwell張量法計算電磁力，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[1-2]。
分析過程中加載電流總的安匝數(shù)750安匝不變，通過調(diào)整直線電動機(jī)的相關(guān)參數(shù)來分析各個參數(shù)對電磁力的影響，初級繞組采用每對極對應(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l 888 78 n·m．
3結(jié)構(gòu)參數(shù)對pmi．sm電磁推力的影響分析
3 1結(jié)構(gòu)參數(shù)對電磁推力的影響分析
推力是直線電動機(jī)設(shè)計重要的性能指標(biāo)，經(jīng)過有限元分析得到圖3和圖4的藍(lán)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。
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