結(jié)構(gòu)參數(shù)對直線電機性能的影響

姜忠臣+趙璽

摘 要：文章主要以扁平型短次級長初級直線感應(yīng)電機為分析對象。文章采用有限元分析軟件Ansoft對銅鋼復(fù)合次級直線電機進行仿真研究，分別分析了氣隙大小、次級鐵軛厚度、銅層厚度對電機性能的影響。對直線電機的設(shè)計開發(fā)有一定的幫助。

關(guān)鍵詞：直線感應(yīng)電機；銅鋼復(fù)合次級；Ansoft

中圖分類號：TM346 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）21-0075-02

直線電機由于可以直接產(chǎn)生直線運動，省去了由旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動繁瑣的中間傳動機構(gòu)，可以替代機械機構(gòu)用于直線傳動[1]。直線電機結(jié)構(gòu)簡單、速度快、控制精度高，在直線傳動領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。

1 有限元分析

考慮到直線電機的運動速度比較低，可以使用緩慢直線運動導(dǎo)電媒質(zhì)中的電磁場方程[2]進行研究：

（1）

式中， 、 、 分別為X、Y、Z軸的單位矢量， 為外加電流密度復(fù)振幅矢量， 為矢量磁位復(fù)振幅矢量， 、 、 為三個坐標軸的矢量磁位的復(fù)振幅的分量，？滋0為空氣磁導(dǎo)率，？酌為次級導(dǎo)電板（銅層）的電導(dǎo)率，？棕為供電電源的角頻率，v為次級運動速度，渦流場分析時速度為0。

以X-Y平面為二維場仿真，Y方向為次級運動方向。電流只在Z軸方向流動，所以， ，（1）式可簡化為：

式中，？琢=，？子為極距。

2 仿真模型建立

本文用渦流場與瞬態(tài)場結(jié)合的方法對直線電機進行分析，渦流場可以仿真穩(wěn)態(tài)情況，瞬態(tài)場可以仿真動態(tài)情況并能獲得Fs曲線。對直線電機的模型進行仿真時為了減小縱向端部效應(yīng)的影響，本文采用了6極電機，當電機極數(shù)大于或等于6時靜態(tài)縱向端部效應(yīng)的影響可以忽略不計[2]。初級、次級鐵軛均采用硅鋼片，可以認為電導(dǎo)率為0，不需要考慮渦流與磁場透入深度的影響。圖1為直線電機仿真模型，為了簡化分析，將電機設(shè)計為無槽電機。無槽電機相當于將氣隙變大，對于本文的研究不存在影響。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 氣隙大小對電機性能的影響

保持其他條件不變，只改變氣隙大小，起動推力仿真結(jié)果如表1所示。

（相電流f=50Hz，幅值2500A，轉(zhuǎn)差率S=1）

改變氣隙大小，在相同的激勵下氣隙磁密平均值如表2所示。

從表2中可以看出在相同的激勵下，氣隙越大，氣隙中的磁密越小，導(dǎo)致電機出力減小。氣隙的增大導(dǎo)致了勵磁電抗的減小，相同的電流激勵產(chǎn)生的磁場更弱，導(dǎo)致氣隙磁密更小。所以在進行直線電機設(shè)計時在機械方面允許的情況下應(yīng)盡量減小氣隙。

3.2 次級鐵軛厚度對電機性能的影響

保持其他條件不變，只改變次級鐵軛厚度，起動推力仿真結(jié)果如表3所示。

（相電流f=2Hz，幅值2500A，轉(zhuǎn)差率S=1）

從表3中可以看出在保持初級電流恒定的情況下，隨著次級鐵軛厚度的增大電機推力逐漸增加，當厚度增加到一定程度時，電機推力變化很小。造成這種現(xiàn)象的原因在于次級鐵軛厚度過小導(dǎo)致導(dǎo)磁面積減小，鐵軛容易達到飽和，導(dǎo)致磁導(dǎo)率下降，氣隙磁密下降從而使推力減小。所以次級鐵軛厚度應(yīng)保證在額定電流時次級鐵軛磁密不達到飽和。

3.3 次級導(dǎo)電層厚度對直線電機性能的影響

對次級導(dǎo)電層厚度的影響進行研究時，保持了直線電機氣隙大小不變，即次級鐵軛到初級距離不變，因為銅的磁導(dǎo)率跟空氣相同。仿真了次級銅層厚度分別為1、2、3、4mm的情況，電機的Fs特性曲線。

從仿真結(jié)果可以看出不同厚度銅層電機的特性曲線中推力最大值相差很小，且變化趨勢非常像旋轉(zhuǎn)電機的轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速。事實上銅鋼復(fù)合次級的銅層就相當于次級的電阻，改變銅層的厚度就相當于改變了導(dǎo)電截面積，改變了次級的電阻大小，使電機的特性曲線發(fā)生了變化。但是實際情況是改變次級銅層厚度雖然電磁氣隙沒有發(fā)生變化，但導(dǎo)致了機械氣隙發(fā)生了變化。所以改變次級銅層厚度需要綜合機械氣隙一起考慮。

4 結(jié)束語

針對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的銅鋼復(fù)合次級進行仿真研究發(fā)現(xiàn)，在機械方面允許的情況下氣隙越小電機性能越好。次級鐵軛厚度應(yīng)該保證額定電流下不使次級鐵軛達到飽和。而次級導(dǎo)電層厚度的選擇，需要綜合考慮特性曲線與機械氣隙的大小進行選擇。

參考文獻：

[1]葉云岳.直線電機原理與應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000.

[2]上海工業(yè)大學(xué)，上海電機廠.直線異步電動機[M].北京：機械工業(yè)出版社，1979.