一種永磁式開(kāi)關(guān)磁阻直線電機(jī)的設(shè)計(jì)與有限元分析

孫海濤，陳 燕，段巍釗，馬春燕，竇銀科

(太原理工大學(xué)，太原 030024 )

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一種永磁式開(kāi)關(guān)磁阻直線電機(jī)的設(shè)計(jì)與有限元分析

孫海濤，陳 燕，段巍釗，馬春燕，竇銀科

(太原理工大學(xué)，太原 030024 )

介紹一種新型永磁式開(kāi)關(guān)磁阻直線電機(jī)的設(shè)計(jì)方案，在開(kāi)關(guān)磁阻直線電機(jī)與永磁電機(jī)的工作原理基礎(chǔ)上，建立了不同結(jié)構(gòu)的電機(jī)模型并運(yùn)用有限元分析軟件對(duì)其進(jìn)行電磁有限元分析，研究電機(jī)磁場(chǎng)分布以及電磁推力的變化，將軟件仿真運(yùn)行結(jié)果與解析結(jié)論對(duì)比證明該設(shè)計(jì)的合理性。

永磁體；開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)；直線電機(jī)；有限元分析

0 引 言

開(kāi)關(guān)磁阻直線電動(dòng)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱LSRM)是一種結(jié)合了直線電動(dòng)機(jī)原理與開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)(SRM)特性的新型特種電機(jī)，它既能高速度、高精度實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，又具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于維護(hù)的特點(diǎn)。但是，由于LSRM在具備了SRM的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也繼承了SRM自身的不足，例如LSRM的能量轉(zhuǎn)換密度普遍低于電磁式直線電動(dòng)機(jī)或磁軌式直線電動(dòng)機(jī)，運(yùn)行時(shí)推力脈動(dòng)較大，從而導(dǎo)致噪聲問(wèn)題突出，同時(shí)在特定頻率下電機(jī)本體會(huì)產(chǎn)生諧振問(wèn)題。通常在電磁場(chǎng)中，電機(jī)磁阻力一般大于所產(chǎn)生的安培力，因此，以磁阻力為主要?jiǎng)恿Φ腖SRM通?？色@得更大的電磁推力。安培力通常與線圈電流成線性關(guān)系，而磁阻力的產(chǎn)生條件導(dǎo)致其較安培力難以控制，所以導(dǎo)致上述缺點(diǎn)存在。

針對(duì)現(xiàn)有的LSRM樣機(jī)模型，我們?cè)噲D通過(guò)在電機(jī)結(jié)構(gòu)中引入高性能永久磁鋼，使電機(jī)的比功率密度增加，同時(shí)減小磁阻推力脈動(dòng)，減小噪聲問(wèn)題對(duì)電機(jī)運(yùn)行的影響。改進(jìn)后，由于樣機(jī)模型的運(yùn)行原理以及結(jié)構(gòu)變化，我們稱之為永磁開(kāi)關(guān)磁阻直線電動(dòng)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱PMLSRM)。

1 PMLSRM的結(jié)構(gòu)改進(jìn)及運(yùn)行原理

LSRM樣機(jī)動(dòng)子、定子結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。動(dòng)子、定子均采用疊壓系數(shù)0.9、厚度0.5 mm的電磁硅鋼片，圖3為樣機(jī)組裝模型。結(jié)構(gòu)尺寸以及材料參數(shù)如表1～表3所示。

圖1 動(dòng)子結(jié)構(gòu)

圖2 定子結(jié)構(gòu)

圖3 LSRM原型模型

表1 定子結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 線圈繞組參數(shù)

表3 動(dòng)子結(jié)構(gòu)參數(shù)

由樣機(jī)結(jié)構(gòu)可以看出，采用三相分隔式的動(dòng)子結(jié)構(gòu)，可以使得三相線圈之間互相解耦，從而線圈之間可以實(shí)現(xiàn)零互感。中間動(dòng)子通電情況下，電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)分布如圖4所示，可以看出，相鄰動(dòng)子內(nèi)部磁場(chǎng)分布幾乎可以忽略不計(jì)，實(shí)現(xiàn)零互感。

圖4 三相分隔式動(dòng)子結(jié)構(gòu)零互感

5 A額定激勵(lì)電流下，LSRM的額定功率20 W，額定電磁推力14 N,最大電磁推力18 N。利用Maxwell軟件對(duì)單相通電情況下動(dòng)子在一個(gè)周期內(nèi)所受電磁推力進(jìn)行計(jì)算(圖7(a))，由曲線可以看出，推力變化近似為正弦變化，但運(yùn)動(dòng)過(guò)程中推力脈動(dòng)較大。

圖5 改進(jìn)前后動(dòng)子結(jié)構(gòu)變化示意

圖6 改進(jìn)后電機(jī)結(jié)構(gòu)

(a) 改進(jìn)前

(b) 改進(jìn)后

在動(dòng)子結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，在動(dòng)子軛部和動(dòng)子齒之間嵌入2 mm厚高性能永久磁鋼(圖5、圖6)，5 A直流激勵(lì)下，動(dòng)子運(yùn)動(dòng)一個(gè)周期的過(guò)程中，電磁推力變化如圖7(b)所示。

由圖7的數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，正向推力的上升及下降階段，曲線的平滑性更好，同時(shí)到達(dá)峰值的時(shí)間更短，峰值持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)，推力曲線更加近似于矩形。

改進(jìn)后，LPMSRM工作原理與傳統(tǒng)SRM原理不同，通電繞組可以對(duì)動(dòng)子提供勵(lì)磁磁通，同時(shí)可以對(duì)嵌入的永磁體所產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行控制，電機(jī)內(nèi)通電繞組勵(lì)磁源和永磁體勵(lì)磁源相互耦合，兩種勵(lì)磁源所產(chǎn)生的磁通相互疊加構(gòu)成氣隙磁通，總磁通量要比樣機(jī)原型多，因此改進(jìn)后的電磁推力要比改進(jìn)之前的大，效率得到了提高。

2 LPMSRM特性分析

2.1 空載磁場(chǎng)分析

電機(jī)空載時(shí)，勵(lì)磁源僅為永磁體，在空載運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)電機(jī)進(jìn)行有限元分析，磁鋼單獨(dú)激磁時(shí)，在動(dòng)子運(yùn)行過(guò)程中，繞組磁鏈數(shù)值的變化波形如圖8所示。

圖8 空載時(shí)動(dòng)子線圈磁鏈周期變化曲線

空載運(yùn)行過(guò)程中，根據(jù)繞組磁鏈變化情況可以由公式(1)推算出線圈繞組反電動(dòng)勢(shì)：

(1)

式中：e為反電動(dòng)勢(shì)；h為磁鏈大小；t為時(shí)間；s為位移；v為速度。

由圖8可知，電機(jī)空載運(yùn)行過(guò)程中線圈磁鏈的變化情況與動(dòng)子位置基本呈線性關(guān)系，反電動(dòng)勢(shì)為一近似矩形波。

空載時(shí)，電機(jī)磁場(chǎng)密度分布如圖9所示，可以看出，永磁體的磁通均在大回路中閉合，形成磁短路。

圖9 空載時(shí)動(dòng)子定子內(nèi)部磁場(chǎng)密度分布情況

由于漏磁情況存在，動(dòng)子中磁場(chǎng)分布并不根據(jù)動(dòng)子位置對(duì)稱，所以初始狀態(tài)下動(dòng)子依然受到電磁推力的作用，由于動(dòng)子采用三相分隔結(jié)構(gòu)，任何位置下三相動(dòng)子內(nèi)部所嵌入的永磁體均對(duì)定子產(chǎn)生磁場(chǎng)作用，導(dǎo)致周期內(nèi)動(dòng)子所受平均作用力不為0，如圖10所示。

圖10 空載情況下動(dòng)子電磁推力隨動(dòng)子位置變化波形

2.2 負(fù)載磁場(chǎng)分析

電機(jī)單相通電情況下，動(dòng)子齒以及動(dòng)子軛部嵌入的永磁體構(gòu)成了電機(jī)工作磁通的主要分量，線圈繞組中磁鏈φ(圖11)由永磁體產(chǎn)生的磁鏈φm以及繞組通電產(chǎn)生的磁鏈φa兩部分構(gòu)成。

圖11 負(fù)載情況下線圈磁鏈隨電機(jī)運(yùn)行變化情況

磁鏈：

(2)

磁共能：

(3)

負(fù)載推力：

(4)

式中：Wco為磁共能；i為電流；F為推力；s為位移；L為電感。

線圈電感隨電機(jī)運(yùn)行變化如圖12所示。

圖12 負(fù)載時(shí)線圈電感數(shù)值隨電機(jī)運(yùn)行變化波形

由圖12可以看出，線圈電感值較小，線圈電流為直流電的情況下式(4)可以推算出周期內(nèi)電機(jī)平均磁阻推力數(shù)值為零。在LPMSRM中，電機(jī)運(yùn)行的推力分量不再是磁阻推力，取而代之的是由永磁體磁場(chǎng)以及通電繞組電流共同作用產(chǎn)生的電磁推力。

由于磁阻力的作用減弱，根據(jù)負(fù)載推力公式可知，電磁推力在工作磁通線性上升階段近似為矩形波，這解釋了上節(jié)改進(jìn)結(jié)構(gòu)電機(jī)電磁推力矩形變化的原因；同時(shí)，在φm變化率較大的情況下，電磁推力的絕對(duì)值會(huì)在磁阻力的基礎(chǔ)上繼續(xù)增大。

負(fù)載時(shí)，電機(jī)磁場(chǎng)密度分布如圖13所示，中間線圈5A直流激勵(lì)下，線圈電流產(chǎn)生的磁勢(shì)改變了永磁體附近的磁場(chǎng)分布。由于三相分隔式動(dòng)子結(jié)構(gòu)，電機(jī)動(dòng)子之間互感較小，磁場(chǎng)分布影響幾乎可以忽略不計(jì)，可以看出，動(dòng)子內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化對(duì)于三相動(dòng)子之間的解耦以及互感影響較小，繼承了初始結(jié)構(gòu)的優(yōu)良特性。

圖13 負(fù)載時(shí)動(dòng)子定子內(nèi)部磁場(chǎng)密度分布情況

3 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種永磁式開(kāi)關(guān)磁阻直線電機(jī)，同時(shí)在建立3D模型的基礎(chǔ)上對(duì)LPMSRM進(jìn)行電磁瞬態(tài)有限元分析。結(jié)果說(shuō)明，由于軛部及動(dòng)子齒永磁體的嵌入，電機(jī)的工作磁通主要改由永磁體提供，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，安培力近似線性變化，電機(jī)電磁推力曲線近似矩形，動(dòng)子結(jié)構(gòu)采用三相分隔式結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)子之間零互感，電機(jī)在保持傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)雙凸極簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的同時(shí)，提高了能量利用效率，克服了電磁推力脈動(dòng)以及噪聲問(wèn)題，為進(jìn)一步進(jìn)行電機(jī)控制奠定了良好的基礎(chǔ)。

[1] 廖海平，陳永校.新型永磁式開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)電磁場(chǎng)的二維有限元分析[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào) 1998,2(3)：166-172.

[2] 陸曉峰.新型永磁式開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].南京：南京理工大學(xué)，2012.

[3] 廖海平,陳永校.新型永磁式開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研制[J].中小型電機(jī) 1999,26(3)：31-33.

[4] 廖海平,陳永校.新型永磁式開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)研究[J].電工電能新技術(shù) 1998,(3)：61-64.

Design and Finite Element Analysis of a New Type of Linear Permanent Magnet Switch Reluctance Motor

SUN Hai-tao,CHEN Yan,DUAN Wei-zhao,MA Chun-yan,DOU Yin-ke

(Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China)

A new type design of linear permanent magnet switch reluctance motor was mentioned in this paper. Based on the theory of permanent magnet synchronous motor and linear switch reluctance motor, different structures of motors were designed and the models were analyzed electromagnetically by using electromagnetic finite element analysis software, the comparison that different structural parameters affect motor performance was made as well. The rationality of design was proved by the comparison between the simulation results and the analytical conclusions.

permanent magnet; switched reluctance motor; linear motor; finite element analysis

2015-05-04

山西省科技攻關(guān)項(xiàng)目(20110302602)

TM352

A

1004-7018(2016)03-0014-02