永磁直線電機(jī)電磁設(shè)計(jì)與有限元仿真分析

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書專業(yè)班級(jí) 學(xué)生姓名 一、題目 二、起止日期 年 月 日至 年 月 日三、主要任務(wù)與要求 指導(dǎo)教師 職稱 學(xué)院領(lǐng)導(dǎo) 簽字（蓋章）年 月 日河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評(píng)閱人評(píng)語(yǔ)題目 評(píng) 閱 人 職稱 工作單位 年 月 日河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評(píng)定書題目 指導(dǎo)教師 職稱 年 月 日河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯許可證答辯前向畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯委員會(huì)（小組）提交了如下資料：1、設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明 共 頁(yè)2、圖紙 共 張3、指導(dǎo)教師意見(jiàn) 共 頁(yè)

2、4、評(píng)閱人意見(jiàn) 共 頁(yè)經(jīng)審查， 專業(yè) 班 同學(xué)所提交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），符合學(xué)校本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的相關(guān)規(guī)定，達(dá)到畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書的要求，根據(jù)學(xué)校教學(xué)管理的有關(guān)規(guī)定，同意參加畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯。 指導(dǎo)教師 簽字（蓋章）年 月 日根據(jù)審查，準(zhǔn)予參加答辯。答辯委員會(huì)主席（組長(zhǎng)） 簽字（蓋章）年 月 日河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)（小組）決議 學(xué)院 專業(yè) 班 同學(xué)的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）于 年 月 日進(jìn)行了答辯。根據(jù)學(xué)生所提供的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）材料、指導(dǎo)教師和評(píng)閱人意見(jiàn)以及在答辯過(guò)程中學(xué)生回答問(wèn)題的情況，畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)（小組）做出如下決議。一、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的總評(píng)語(yǔ)二、

3、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的總評(píng)成績(jī)： 三、答辯組組長(zhǎng)簽名：答辯組成員簽名：答辯委員會(huì)主席： 簽字（蓋章）年 月 日目錄 TOC o 1-3 h z u 摘要在傳統(tǒng)的直線驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合，都是由旋轉(zhuǎn)電機(jī)提供原動(dòng)力，再由絲杠、絲桿、齒條等中間機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)。這樣的設(shè)置，不僅在中間傳動(dòng)過(guò)程中消耗了大量的能量，而且摩擦產(chǎn)生的噪聲也非常明顯，同時(shí)也給系統(tǒng)的維護(hù)工作帶來(lái)了麻煩。 直線電機(jī)的出現(xiàn)可以使上述問(wèn)題得到解決，由于具備直接將電能轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)的能力，直線電機(jī)已經(jīng)在機(jī)床驅(qū)動(dòng)、集成電路組裝等場(chǎng)合逐漸取代了傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)的位置。 與旋轉(zhuǎn)電機(jī)類似，按工作原理的不同，直線電機(jī)也有著各種類型，應(yīng)用較多的是直線步進(jìn)電機(jī)、直線

4、同步電機(jī)和直線感應(yīng)電機(jī)。其中直線步進(jìn)電機(jī)更多的是應(yīng)用在需要精確定位的場(chǎng)合，比如半導(dǎo)體工業(yè)；后兩者則被應(yīng)用在需要連續(xù)和大推力的場(chǎng)合，比如機(jī)床。而直線同步電機(jī)，尤其是永磁直線同步電機(jī)，憑借更大的單位面積推力、更高的效率等優(yōu)點(diǎn)受到了更多的青睞，與此同時(shí)，由于沒(méi)有了勵(lì)磁繞組，電機(jī)的整個(gè)結(jié)構(gòu)也得以簡(jiǎn)化。另一方面，我國(guó)豐富的稀土資源也為這種電機(jī)的發(fā)展提供了廣泛空間。 在完成永磁同步直線電機(jī)電機(jī)設(shè)計(jì)任務(wù)的基礎(chǔ)上，本文利用加拿大Infolytica公司出品的電磁場(chǎng)有限元分析軟件MagNet對(duì)電機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行了仿真分析，并得到了電機(jī)的額定輸出推力曲線和反電動(dòng)勢(shì)曲線。關(guān)鍵詞：永磁直線； 設(shè)計(jì)； 有限元； MagNe

5、t； 仿真分析The design and simulation of magnetic linear motorIn conventional linear driving applications, original force is generated from rotary motor, so transmission devices is need, which causes large sum of energy loss, friction noise and brings out complicated maintenances. The introduction of lin

6、ear motor targets at these problems, being able to directly convert electrical energy to linear moving,linear motor has gradually replaced rotary motor in linear driving applications such as lathe driving and integrated circuit assembly. Similar to rotary motor, linear motor can be divided into vari

7、ous types according to working principles. Among these different types, linear stepping motor,linear synchronous motor and linear induction motor receive most focus, usually linear stepping motor is utilized in applications demand high precision, such as semi-conductor industry, while the later two

8、often go with large and continuous thrust applications,such as lathe.Linear synchronous motor, especially permanent magnet ones, receive more favor for larger thrust per area unit and higher efficiency,and the construction of motor can be simplified due to the absence of exciting armature.On the oth

9、er hand, abundant lanthanon in our country provides vast space for this kind of motor.Finishing design work of the motor,we use finite element method software for electromagnetic analysis MagNet manufactured by a Canadian corporation Infolytica.Key word: magnetic liner; design; finite element; MagNe

10、t; simulation1 引言1.1 課題研究目的及意義隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代先進(jìn)制造裝備向著高精度、高響應(yīng)、高速度、大行程并不斷改善工件加工質(zhì)量的方向發(fā)展。例如在現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床上，往往要求機(jī)床進(jìn)給裝置擁有在有限行程中實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)動(dòng)和精密定位的能力，這就必須要求該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)反應(yīng)靈敏、高速、輕便。然而傳統(tǒng)的“旋轉(zhuǎn)電機(jī)+滾珠絲杠”的進(jìn)給方式由于其自身的弱點(diǎn)無(wú)法滿足現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的要求，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的進(jìn)給方式從動(dòng)力源（原動(dòng)機(jī)）到工作臺(tái)之間，需要齒輪齒條或聯(lián)軸器等一系列的中間傳遞機(jī)構(gòu)，冗雜的中間傳遞機(jī)構(gòu)降低了整個(gè)系統(tǒng)的剛性，系統(tǒng)彈性變形又使該系統(tǒng)階次變高，進(jìn)而降低系統(tǒng)魯棒性，惡化伺服性能1。近年來(lái)，直線電機(jī)

11、在先進(jìn)制造裝備中被逐步推廣，特別是在一些大行程、高精度的場(chǎng)合，傳統(tǒng)的絲杠由于其自身的局限性被直線電機(jī)所取代。在直線電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)中沒(méi)有聯(lián)軸器等中間傳遞機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)到運(yùn)動(dòng)臺(tái)之間所謂的“零傳動(dòng)”，即直接驅(qū)動(dòng)（direct drive）技術(shù)。在一般的數(shù)控機(jī)床中，因?yàn)槠鋺?yīng)用條件不是很苛刻所以一般采用性價(jià)比比較高的絲杠間接驅(qū)動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，但是在半導(dǎo)體工業(yè)、激光加工等這些要求高速、高精、大推力、或是快速響應(yīng)的行業(yè)，滾珠絲杠已經(jīng)無(wú)法滿足系統(tǒng)要求的剛度、慣性、加速度等動(dòng)態(tài)性能，并且絲杠副還有反向間隙，絲杠螺距的誤差較大，高精度的 絲杠成本很高，并且絲杠與工件臺(tái)反復(fù)摩擦磨損會(huì)引起絲杠精度

12、不穩(wěn)定，工作臺(tái)重量引起絲杠彈性變形等一些列問(wèn)題。在一些運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合要求苛刻的機(jī)床上，工程上甚至采用空心強(qiáng)冷技術(shù)來(lái)減少絲杠高速運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量，以免絲杠受熱變形。相對(duì)而言，其技術(shù)的復(fù)雜性與成本都迅速增加，不適合市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展規(guī)律。所以說(shuō)，直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床上的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)日益明顯，尤其應(yīng)用于那些特殊的加工領(lǐng)域。相對(duì)于傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式，直線電機(jī)有以下優(yōu)點(diǎn)： 1）直線電機(jī)最大的優(yōu)點(diǎn)是可以與執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接相連，省去了中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，這樣使得使系統(tǒng)得到簡(jiǎn)化，提高了系統(tǒng)的剛度，降低了系統(tǒng)的震動(dòng)和噪音，并且使傳遞效率提高，易于維護(hù)。 2）直線電機(jī)速度高，可以很容易地達(dá)到5m/s甚至更高的速度，而滾珠絲杠達(dá)到2m

13、/s 的速度已經(jīng)是極限了。實(shí)際中如果采用氣壓導(dǎo)軌或者磁懸浮作為支撐，可以消除機(jī)械摩擦，運(yùn)動(dòng)部件無(wú)磨損，則可以達(dá)到非常高的速度，如磁懸浮列車。 3）直線電機(jī)加速度高，由于沒(méi)有中間環(huán)節(jié)，直線電機(jī)產(chǎn)生的推力直接用于加速，最高可以達(dá)到10g的加速度，因此響應(yīng)迅速，這對(duì)于滾珠絲杠來(lái)講是遙不可及的。 4）直線電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其特殊的開放式結(jié)構(gòu)使動(dòng)子直接暴露在空氣中，不像旋轉(zhuǎn)電機(jī)動(dòng)子被封在電機(jī)內(nèi)部，從而具有很好的散熱條件，一般不需要附加冷卻裝置。 5）直線電機(jī)在某些特殊場(chǎng)合具有不可替代的作用。如磁懸浮列車，已經(jīng)核工業(yè)中液態(tài)金屬的輸送。表1-1為直線電機(jī)與傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式的性能比較。表1.1 直線電機(jī)與傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式

14、的性能比較性能滾珠絲杠方式直線電機(jī)方式精度（um）250.5重復(fù)精度（um）20.1最高速度（m/s）1.5215最大加速度（g）1.5210靜態(tài)剛度（N/um）9018070270動(dòng)態(tài)剛度（N/um）90120160210平穩(wěn)性（%速度）101調(diào)整時(shí)間（ms）1001020工作壽命（h）60001000050000由于永磁材料性能的提高，特別是釹鐵硼（NdFeB）材料的發(fā)明和應(yīng)用，引起了電機(jī)領(lǐng)域的巨大變化。釹鐵硼是當(dāng)今磁性能最強(qiáng)的磁材料，它具所能提供的磁場(chǎng)強(qiáng)度比氧化鐵磁材料大 10-15 倍，比鋁鎳鈷磁材料大 5-10 倍，甚至高于電勵(lì)磁，僅次于超導(dǎo)勵(lì)磁。所以采用釹鐵硼材料作為磁極可以使永磁

15、電動(dòng)機(jī)尺寸減小、功率增大、性能提高。同時(shí)由于沒(méi)有勵(lì)磁線圈，減小了銅耗，也不存在電刷與滑環(huán)，使電機(jī)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單。以釹鐵硼材料作為磁極使高性能的永磁同步直線電機(jī)的發(fā)展成為可能。永磁同步直線電機(jī)兼具永磁電動(dòng)機(jī)和直線電機(jī)的共同優(yōu)勢(shì)。與感應(yīng)式的直線電機(jī)相比，永磁同步直線電機(jī)能提供更大的推力，在相同的推力要求下可以使電機(jī)體積更小，且具有發(fā)電制動(dòng)功能，適用于重載機(jī)床、高速運(yùn)輸系統(tǒng)等場(chǎng)合2。表1.2 兩類直線電機(jī)的性能比較電機(jī)類型感應(yīng)式永磁式推力小大效率低高平穩(wěn)性較好好塵埃防護(hù)易難磁極傳感器不需要需要然而永磁同步直線電機(jī)也有其自身的缺點(diǎn)，如表1.2，主要是存在較大的推力波動(dòng)，嚴(yán)重影響電機(jī)的推力性能，增加了對(duì)電

16、機(jī)控制的難度。這與其高速高精的應(yīng)用要求不相符合，也是永磁同步直線電機(jī)至今未能得到廣泛應(yīng)用的一個(gè)重要原因。因此，對(duì)永磁同步直線電機(jī)的推力波動(dòng)進(jìn)行深入分析，研究各種減小甚至消除推力波動(dòng)的方法，提高永磁同步直線電機(jī)的推力性能和控制特性具有重要意義。1.2 直線電機(jī)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1 直線電機(jī)的發(fā)展近幾年，直線電機(jī)研究開發(fā)很快，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制理論和電機(jī)原理等方面都有了很大的進(jìn)展，并已應(yīng)用到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的多個(gè)領(lǐng)域，很多機(jī)械的直線運(yùn)動(dòng)均由直線電機(jī)完成，它是一種很有發(fā)展前途的新型電機(jī)。直線電機(jī)的歷史最早可以追溯到1840年惠斯登提出和制作雛形但不成功的直線電機(jī)至今已有170多年。氣發(fā)展大致可分為三個(gè)階

17、段：探索實(shí)驗(yàn)階段（18401955）、開發(fā)應(yīng)用階段（19561970）和實(shí)用商品化階段（1971）。1）探索實(shí)驗(yàn)階段（18401955）從1840年到1955年的116年期間，直線電機(jī)從設(shè)想到實(shí)驗(yàn)到部分實(shí)驗(yàn)性應(yīng)用，經(jīng)歷了一個(gè)不斷探索，屢遭失敗的過(guò)程。由于當(dāng)時(shí)的制造技術(shù)，工程材料以及控制技術(shù)的現(xiàn)狀，在經(jīng)過(guò)斷斷續(xù)續(xù)20多年的頑強(qiáng)努力后，最終卻未能獲得成功。2）開發(fā)應(yīng)用階段（19561970）自1955年以來(lái)，直線電機(jī)進(jìn)入了全面的開發(fā)階段。這個(gè)時(shí)期，它可以說(shuō)是直線電機(jī)的“文藝復(fù)興時(shí)期”。特別是該時(shí)期的控制技術(shù)和材料的驚人發(fā)展，更加助長(zhǎng)了這種勢(shì)頭。這種增長(zhǎng)一方面固然是控制技術(shù)和材料促進(jìn)了這種勢(shì)頭，另一

18、方面，前些年的理論探索和實(shí)驗(yàn)研究工作作為多面的技術(shù)儲(chǔ)備起到了重要作用。3）實(shí)用商品化階段（1971）從1971年始到目前的這個(gè)階段，直線電機(jī)終于進(jìn)入了獨(dú)立的應(yīng)用時(shí)代，在這個(gè)時(shí)代，各類直線電機(jī)的應(yīng)用得到了迅速的推廣，制成了許多具有實(shí)用價(jià)值的裝置和產(chǎn)品。1.2.2 直線電機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)在直線電機(jī)被世界各國(guó)、各個(gè)行業(yè)廣泛應(yīng)用，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1）在物流運(yùn)輸系統(tǒng)中的應(yīng)用：郵政系統(tǒng)的郵包、印刷品的物流分揀、輸送線, 如日本東京多摩郵局的大型郵政分揀機(jī),深圳海關(guān)也采用了由浙江大學(xué)提供直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的物流分揀線。目前 許多行業(yè)如電工、電子、機(jī)械、化工、醫(yī)藥等生產(chǎn)流水線和裝配線也有部分使用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的傳輸

19、線。 2）在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用：傳統(tǒng)機(jī)床的驅(qū)動(dòng)裝置依賴絲桿驅(qū)動(dòng)，絲桿驅(qū)動(dòng)本身具有一系列不利因素，如：長(zhǎng)度限制、機(jī)械間隙、磨擦、扭曲、螺距周期誤差等，而直線電機(jī)不僅無(wú)此缺陷，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度可以是絲桿的10 倍甚至100 倍，加速度可以是傳統(tǒng)機(jī)床的20 倍以上，高速、超高速、高加速度、高精度數(shù)控機(jī)床只有使用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)才能夠達(dá)到要求。自1993年德國(guó)Ex-Cell-O公司研發(fā)出世界上第一臺(tái)直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)的加工中心以來(lái)，直線電機(jī)已在不同種類的機(jī)床上得到應(yīng)用。德國(guó)、日本和美國(guó)等國(guó)家均有幾十家公司的展品采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。美國(guó)Gincinnati公司的HYPCR MACH高速加工中心，X軸長(zhǎng)達(dá)46

20、m，采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)后，加工大型薄壁飛機(jī)零件，用傳統(tǒng)方法加工一件要8小時(shí)，而用該機(jī)床只需30分鐘。北京機(jī)電院高技術(shù)股份有限公司承擔(dān)的“十五”攻關(guān)項(xiàng)目直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的高速立式加工中心，于2003年研制成功國(guó)內(nèi)第一臺(tái)直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的加工中心，并在2003年北京國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)展出。長(zhǎng)沙一派自主研制成功的短行程高頻響高剛度音圈式直線電機(jī)（頻響300Hz以上，剛度達(dá)到10Kg/m），驅(qū)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床成功應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)關(guān)鍵零部件活塞的中凸變橢圓加工，得到行業(yè)好評(píng)，我國(guó)60%以上活塞中凸變橢圓是長(zhǎng)沙一派數(shù)控機(jī)床加工的。3）直線電機(jī)在IT行業(yè)中的應(yīng)用：PCB板定位、打孔機(jī),計(jì)算機(jī)硬盤、軟盤、光驅(qū)的磁頭定位裝置，打印機(jī)

21、，掃描儀等。如日本松下公司則將直線伺服電動(dòng)機(jī)用于驅(qū)動(dòng)數(shù)字掃描儀，使掃描儀總重減輕，啟動(dòng)推力提高，圖象波動(dòng)減少，掃描速度提高近5 倍。 4）直線電機(jī)在交通與民用方面的應(yīng)用：直線電機(jī)應(yīng)用于交通方面最典型的就是磁懸浮列車，它改變了傳統(tǒng)軌道車輛靠輪軌摩擦力推進(jìn)的方式，采用磁力懸浮車體、直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，使列車在軌道上浮起滑行，在交通技術(shù)發(fā)展史上是一個(gè)重大的突破，被譽(yù)為21 世紀(jì)一種理想的交通工具。磁浮車與現(xiàn)有常規(guī)車相比，主要優(yōu)點(diǎn)是：速度快（500km/h）；安全，無(wú)翻車；無(wú)噪聲振動(dòng)；占地??；爬坡強(qiáng)；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；節(jié)能。國(guó)內(nèi)外許多國(guó)家如德、日、美、法、英、俄、加拿大、韓國(guó)、瑞士、瑞典及中國(guó)都已投入了這方面的

22、研制，其中尤以德、日最為突出。中國(guó)目前除上海的磁浮列車外，還有北京、四川等地也正在進(jìn)行這方面的工作。直線電機(jī)在民用方面發(fā)展也非常迅速，有直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的門、窗、窗簾，盤形直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的洗衣機(jī)，空調(diào)、冰箱用直線電機(jī)壓縮機(jī)，還有用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的家用針織機(jī)和縫紉機(jī)、炒茶機(jī)等。特別是用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電梯，它具有的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、省材、省空間、高速、低噪聲、節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)。 5）直線電機(jī)在軍事上的應(yīng)用：直線電機(jī)在軍事上也得到了一些應(yīng)用，如前面所述的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的潛艇，還有直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電磁炮，美國(guó)曾在1995 年宣布已完成。此外在一些軍事設(shè)施上，如軍用靶場(chǎng)、軍用仿真系統(tǒng)、軍用戰(zhàn)斗武器如導(dǎo)彈的發(fā)射等等。隨著工廠自動(dòng)化

23、、精細(xì)化及機(jī)械制造行業(yè)的高速發(fā)展，對(duì)移動(dòng)機(jī)構(gòu)的定位精度、移動(dòng)速度、以及啟動(dòng)、 停止的平穩(wěn)性，執(zhí)行元件的性能及控制技術(shù)提出了日益嚴(yán)格的要求，用傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)已無(wú)法滿足要求，而直線電機(jī)在這些重要場(chǎng)合彌補(bǔ)了旋轉(zhuǎn)電機(jī)的不足。在新的需求和新材料新技術(shù)的推動(dòng)下，直線電機(jī)將獲得更大的發(fā)展。如智能型驅(qū)動(dòng)器、智能型控制器的發(fā)展對(duì)直線電機(jī)的性能與精度提供了更高可靠性。為了擴(kuò)大直線電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，人們根據(jù)新的原理開發(fā)專用直線電機(jī)。如用復(fù)合彈性材料CFRP的新型超聲直線電機(jī)3。1.2.3 直線電機(jī)控制技術(shù)的成熟隨著控制理論的不斷發(fā)展，直線電機(jī)的控制技術(shù)也日趨成熟，這在某種程度上也推進(jìn)了直線電機(jī)本體設(shè)計(jì)的研究。目前，國(guó)

24、內(nèi)對(duì)于直線電機(jī)控制系統(tǒng)的理論研究已經(jīng)超過(guò)了對(duì)電機(jī)本體的研究，理論成果很多，但應(yīng)用成果還很少。在不同的階段，針對(duì)不同的直線電機(jī)，要有不同的控制方法。 1）直線感應(yīng)電機(jī)的控制仍然以矢量控制為主 直線感應(yīng)電機(jī)通常是調(diào)速的控制和精度要求不高的伺服控制，目前雖然有許多直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的控制方法，但應(yīng)用最多的仍然是技術(shù)成熟矢量控制。 2）永磁直線電機(jī)向直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)方向發(fā)展 目前，永磁直線電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的研究和樣品較多，而應(yīng)用中的永磁直線電機(jī)仍有不少采用矢量控制，這里有一些技術(shù)問(wèn)題尚需完善，但永磁直線電機(jī)總會(huì)向直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)方向發(fā)展。 3）無(wú)位置傳感器技術(shù)正在得到人們的重視 目前，不管是旋轉(zhuǎn)電機(jī)還是直

25、線電機(jī)，無(wú)位置傳感器技術(shù)得到了越來(lái)越多的關(guān)注。相關(guān)人員也研究了很過(guò)方法，但到目前為止，高精度的直線電機(jī)無(wú)位置傳感器技術(shù)尚未得到真正的應(yīng)用。1.3 本文研究的主要內(nèi)容本文主要研究永磁直線同步電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)并進(jìn)行有限元仿真分析。首先對(duì)直線電機(jī)的工作原理進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹，并通過(guò)比較得出直線同步電機(jī)的工作性能的優(yōu)越性。隨后對(duì)傳統(tǒng)永磁直線同步電機(jī)的設(shè)計(jì)方案的局限性進(jìn)行簡(jiǎn)要的闡述，在此基礎(chǔ)上引出本文的永磁直線同步電機(jī)設(shè)計(jì)理念，即使用單層繞組和集中式線圈的設(shè)計(jì)方案完成一個(gè)單元電機(jī)的設(shè)計(jì)。有限元法在工程中的應(yīng)用廣泛，近些年來(lái)在電機(jī)的設(shè)計(jì)和性能模擬中也逐漸廣泛應(yīng)用。本文第5章將簡(jiǎn)要介紹有限元法的原理和理論基礎(chǔ)，以

26、及在電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算中的應(yīng)用，并通過(guò)MagNet軟件對(duì)設(shè)計(jì)出的電機(jī)進(jìn)行仿真分析。2 永磁直線同步電機(jī)的工作原理2.1 直線電機(jī)原理直線電機(jī)可以認(rèn)為是旋轉(zhuǎn)電機(jī)在結(jié)構(gòu)方面的一種演變，它可看作是將一臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿徑向剖開，然后將電機(jī)的圓周展成直線，如圖2-1所示。這樣就得到了由旋轉(zhuǎn)電機(jī)演變而來(lái)的最原始的直線電機(jī)。由定子演變而來(lái)的一側(cè)稱為初級(jí)或原邊，由轉(zhuǎn)子演變而來(lái)的一側(cè)稱為次級(jí)或副邊。圖2-1 旋轉(zhuǎn)電機(jī)演變?yōu)橹本€電機(jī)的過(guò)程2.2 直線電機(jī)的分類直線電機(jī)的分類在不同的場(chǎng)合有不同的分類方法。例如在考慮外形結(jié)構(gòu)時(shí)，往往以結(jié)構(gòu)型式上將其進(jìn)行分類；當(dāng)考慮其功能用途時(shí)，則又以其功能用途進(jìn)行分類；而在分析或闡述電機(jī)的性

27、質(zhì)或機(jī)理時(shí)，則是以其工作原理進(jìn)行分類。2.2.1 按結(jié)構(gòu)形式的分類直線電機(jī)按其結(jié)構(gòu)型式主要可分為扁平型、圓筒型（或管型）、圓盤形和圓弧型四種。所謂扁平型直線電機(jī)，顧名思義，即為一種扁平的矩形結(jié)構(gòu)的直線電機(jī)。它有單邊型和雙邊型，。每種形式下又分別有短初級(jí)、長(zhǎng)次級(jí)或長(zhǎng)初級(jí)、短次級(jí)，分別如圖2-2、圖2-3 所示。圖2-2 單邊型直線電機(jī)圖2-3 雙邊型直線電機(jī)所謂圓筒型直線電機(jī)，即為一種外形如旋轉(zhuǎn)電機(jī)的圓柱形的直線電機(jī)。這種電機(jī)一般為短初級(jí)、長(zhǎng)次級(jí)型式。在需要的場(chǎng)合，我們還將這種電機(jī)做成既有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)又有直線運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)直線電機(jī)，至于旋轉(zhuǎn)直線的運(yùn)動(dòng)體既可以是初級(jí)，也可以是次級(jí)。所謂圓盤型直線電機(jī)，即該

28、電機(jī)的次級(jí)是一個(gè)圓盤，不同型式的初級(jí)驅(qū)動(dòng)圓盤次級(jí)做圓周運(yùn)動(dòng)。其初級(jí)可以是單邊型也可以是雙邊。所謂圓弧型電機(jī)，它的運(yùn)動(dòng)型式是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，且與普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)非常接近，然而它與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比也是具有如圓盤型直線電機(jī)那樣的優(yōu)點(diǎn)，圓弧形與圓盤型的主要區(qū)別，在于次級(jí)的形式和初級(jí)對(duì)次級(jí)的驅(qū)動(dòng)點(diǎn)有所不同。2.2.2按功能用途的分類直線電機(jī)，特別是直線感應(yīng)電機(jī)，按其功能用途主要可分為力電機(jī)、功電機(jī)和能電機(jī)。力電機(jī) 力電機(jī)是指單位輸入功率所能產(chǎn)生的推力，或單位體積所能產(chǎn)生的推力，主要用于在靜止物體上或低速的設(shè)備上施加一定的推力的直線電機(jī)。它以短時(shí)運(yùn)行、低速運(yùn)行為主，例如閥門的開閉、門窗的移動(dòng)、機(jī)械手的操作、推車等等。這

29、種電機(jī)效率低，甚至為零（如對(duì)靜止物體上施加推力時(shí)，效率為零），因此，對(duì)這類電機(jī)不能用效率這個(gè)指標(biāo)去衡量它，而是用推力/功率的比來(lái)衡量，即在一定的電磁推力下，其輸入的功率越小，則說(shuō)明其性能越好。功電機(jī) 功電機(jī)主要作為長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行的直線電機(jī)，它衡量性能的指標(biāo)與旋轉(zhuǎn)電機(jī)基本一樣，即可用效率、功率因數(shù)等指標(biāo)來(lái)衡量其電機(jī)性能的優(yōu)劣，例如高速磁懸浮列車用直線電機(jī)各種告訴運(yùn)行的輸送線等等。能電機(jī) 能電機(jī)是指運(yùn)動(dòng)構(gòu)件在短時(shí)間內(nèi)所能產(chǎn)生的極高能量的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，它主要是在短時(shí)間、短距離內(nèi)提供巨大的直線運(yùn)動(dòng)能，例如導(dǎo)彈、魚雷的發(fā)射，飛機(jī)的起飛以及沖擊、碰撞等試驗(yàn)機(jī)的驅(qū)動(dòng)等等。這類直線電機(jī)的主要性能指標(biāo)是能效率（能效率

30、=輸出的動(dòng)能/電源所能提供的動(dòng)能）。2.2.3按工作原理的分類從原理上講，每種旋轉(zhuǎn)電機(jī)都有與之相對(duì)應(yīng)的直線電機(jī)， 然而從使用角度來(lái)看，直線電動(dòng)機(jī)得到了更廣泛的應(yīng)用。直線電機(jī)按其工作原理可分為兩個(gè)大的方面，即直線電動(dòng)機(jī)和直線驅(qū)動(dòng)器，直線電動(dòng)機(jī)包括直流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（LIM）、交流直線同步電動(dòng)機(jī)（LSM）、直線直流電動(dòng)機(jī)（LDM）和直線步進(jìn)（脈沖）電動(dòng)機(jī)（LPM）、混合式直線電動(dòng)機(jī)（LHM）等。直線驅(qū)動(dòng)器包括直線震蕩電機(jī)（LOM）、直線電磁螺線管（LES）、直線電磁泵（LEP）、直線超聲波電動(dòng)機(jī)（LUM）等。這些直線電機(jī)又可分成不同的種類4。2.3 直線電機(jī)的特點(diǎn)當(dāng)一種電機(jī)的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，它的運(yùn)行條件

31、和設(shè)計(jì)規(guī)范就要起很大的變化。由于電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)的變化，出現(xiàn)了一些用常規(guī)理論不能解釋的新現(xiàn)象。因此，就需要對(duì)舊的分析方法做出修改，而且有時(shí)還需要發(fā)展新的理論。 直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 機(jī)械結(jié)構(gòu)：無(wú)須齒輪、絲杠等動(dòng)力傳遞結(jié)構(gòu)，可以直接獲得直線推力。 電機(jī)的級(jí)數(shù)：直線電機(jī)在由旋轉(zhuǎn)電機(jī)“剖開”和“拉直”的過(guò)程中，由于兩端繞組的變化，會(huì)有許多種結(jié)構(gòu)，這時(shí)直線電機(jī)的特點(diǎn)之一。例如，直線電機(jī)的動(dòng)子初級(jí)的磁極數(shù)可以是單數(shù)、雙數(shù)甚至是分?jǐn)?shù)，所以在直線電機(jī)中，不采用極對(duì)數(shù)的說(shuō)法，而是說(shuō)幾個(gè)極。 定子和動(dòng)子的長(zhǎng)度：直線電機(jī)的定子和動(dòng)子長(zhǎng)度一般是不相等的，即兩邊的級(jí)數(shù)不一致，但極距必須相等。以永磁直線同步電機(jī)為例，電樞繞組

32、（即動(dòng)子）一般設(shè)計(jì)得較短，而作為定子的永磁體一般設(shè)計(jì)得比較長(zhǎng)。 繞組的槽數(shù)：當(dāng)采用雙層繞組時(shí)，鐵心的槽數(shù)要比相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)槽數(shù)多一些（由線圈節(jié)距決定），才能放下三相繞組。這時(shí)，在鐵心兩端的一些槽內(nèi)只放一層線圈邊而空出半個(gè)槽。2.4 永磁同步直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)根據(jù)永磁體的安裝位置，永磁直線同步電機(jī)可分為面裝磁極型（Surface Permanent Magnet）和內(nèi)部磁極型（Interior Permanent Magnet）。用于伺服目的的永磁直線同步電機(jī)一般采用表面磁極的結(jié)構(gòu)，其凸極效應(yīng)很弱，氣隙均勻且有效氣隙大。根據(jù)動(dòng)子和定子的結(jié)構(gòu)，永磁直線同步電機(jī)有單邊磁極式，雙邊磁極式和圓筒形。以單邊磁

33、極式為例，其結(jié)構(gòu)是在定子上沿行程方向，順次安裝N、S極永磁體（材料一般為NdFeB），如下圖2-4所示的橫向剖面圖所示。動(dòng)子材料為硅鋼片，線槽中放置三相繞組5。圖2-4 永磁同步直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)2.5 永磁同步直線電機(jī)的工作原理永磁同步直線電機(jī)的基本原理和特性同永磁同步旋轉(zhuǎn)電機(jī)是一致的，之所以稱為直線電機(jī)只是其結(jié)構(gòu)形式在旋轉(zhuǎn)電機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了演變。演變過(guò)程如下：將永磁旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿徑向剖開，然后將圓柱面展成平面即得到直線電機(jī)的雛形，如圖2-5所示。此時(shí)，原有旋轉(zhuǎn)電機(jī)的定子部分成為初級(jí)，轉(zhuǎn)子部分稱為次級(jí)。同常規(guī)旋轉(zhuǎn)電機(jī)不同，永磁直線電機(jī)可以選擇固定初級(jí)或者次級(jí)，在初級(jí)通入電流的情況下，未被固定的部分都

34、可以在磁場(chǎng)力的作用下運(yùn)動(dòng)。圖2-5 永磁直線同步電機(jī)演化圖二者之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的原理與旋轉(zhuǎn)電機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的原理相同。當(dāng)三相繞組中通入對(duì)稱的正弦電流后，理論上在氣隙中就產(chǎn)生了沿氣隙圓周正弦分布的氣隙磁場(chǎng)。經(jīng)過(guò) A-B-C 三相電流循環(huán)，等同于磁場(chǎng)過(guò)一周，并剛好是一對(duì)磁極的距離。根據(jù)同步電機(jī)的原理，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相同，稱為同步轉(zhuǎn)速，用ns（r/min）表示,大小是與電流的頻率f（Hz）成正比，與電機(jī)極對(duì)數(shù) p 成反比，此時(shí)有： 如果用vs（m/s）表示定子內(nèi)圓表面上磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的線速度，由相應(yīng)的幾何關(guān)系可以得到：v上式中極距（m）。永磁同步直線電機(jī)是在永磁旋轉(zhuǎn)電機(jī)的基礎(chǔ)上

35、進(jìn)行的結(jié)構(gòu)改變。當(dāng)向直線電機(jī)初級(jí)繞組中通入三相對(duì)稱電流時(shí)，在氣隙中會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。不考慮電機(jī)本身結(jié)構(gòu)兩端開斷而引起的縱向邊端效應(yīng)時(shí)，可以近似認(rèn)為磁場(chǎng)在縱向上也是呈正弦分布的，如圖2-6所示。而當(dāng)三相電流隨時(shí)間變化時(shí)，氣隙磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)半徑變?yōu)闊o(wú)窮大，即沿直線運(yùn)動(dòng)，此磁場(chǎng)稱為直線電機(jī)的行波磁場(chǎng)。很明顯，行波磁場(chǎng)的速度和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在定子內(nèi)表面的線速度是相同的。=2f行波磁場(chǎng)與次級(jí)永磁體磁場(chǎng)相互作用，從而形成推動(dòng)次級(jí)移動(dòng)的推力6。圖2-6 有槽鐵芯平板式永磁直線同步電機(jī)原理圖2.6 本章小結(jié)本章簡(jiǎn)要介紹直線電機(jī)的原理、直線電機(jī)的分類和直線電機(jī)的特點(diǎn)，直線電機(jī)可以看成是旋轉(zhuǎn)電機(jī)的一種演化，可看作是將一臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)

36、沿徑向剖開，然后將電機(jī)的圓周展成直線。直線電機(jī)在不同的場(chǎng)合有不同的分類方式，如按結(jié)構(gòu)形式分類、按功能用途分類、按工作原理分類等。最后，引出本文研究的重點(diǎn)-永磁同步直線電機(jī)，永磁同步直線電機(jī)是在永磁旋轉(zhuǎn)電機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的結(jié)構(gòu)改變。本章對(duì)永磁同步直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行研究，分析了是行波磁場(chǎng)和次級(jí)永磁體相互作用，從而形成推動(dòng)次級(jí)移動(dòng)的推力。下章將對(duì)永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。3 永磁同步直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)永磁電機(jī)設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，需要考慮的因素和確定的尺寸、數(shù)據(jù)很多。其任務(wù)就是根據(jù)用戶提出的產(chǎn)品規(guī)格、技術(shù)要求完成設(shè)計(jì)，其流程圖如圖3-1所示：圖3-1 電機(jī)設(shè)計(jì)流程圖本文所要設(shè)計(jì)的直線電

37、機(jī)主要性能指標(biāo)，如表3.1所示：表3.1 直線電機(jī)的性能指標(biāo)參數(shù)數(shù)據(jù)額定推力/N275額定功率/W106額定電流/A4.4額定加速度/g8.5同步速/ms-10.384反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)/vsm-120.68電氣時(shí)間常數(shù)/ms11.023.1 電機(jī)主要尺寸的確定在旋轉(zhuǎn)電機(jī)的電機(jī)設(shè)計(jì)中，電機(jī)的主要參數(shù)遵循一定的數(shù)學(xué)關(guān)系式（3-1）。電機(jī)外形大小主要收到參數(shù)A和參數(shù)B的影響，線負(fù)荷A和磁復(fù)合B的選定有相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)可以遵循。A及B主要影響電機(jī)的鐵耗和磁鋼的尺寸大小。然而在永磁直線同步電機(jī)中，電機(jī)內(nèi)各個(gè)參數(shù)的關(guān)系需要重新推導(dǎo)7交流電機(jī)的計(jì)算功率為:式（3-2）中：m:電樞繞組的相數(shù)，一般交流電機(jī)均為三相電機(jī)，

38、所以m=3E:電樞繞組的相電動(dòng)勢(shì)；I:電樞繞組的相電流；電樞繞組的相電勢(shì)為：E=2式（3-3）中：Knm:氣隙磁場(chǎng)的波形系數(shù)，當(dāng)氣隙磁場(chǎng)為正弦分布時(shí)其值為f：電流頻率；N：電樞繞組的每相串聯(lián)匝數(shù)；Kdp：電樞的繞組系數(shù)，計(jì)算時(shí)通常取基波繞組系數(shù)：電機(jī)每極磁通電機(jī)每極磁通式（3-4）中：B:氣隙lef：永磁同步直線電機(jī)的軸向計(jì)算寬度帶入各式可得永磁直線同步電機(jī)各個(gè)參數(shù)滿足公式（3-5），式（3-5）中：L: 永磁同步直線電機(jī)的縱向長(zhǎng)度。lefv：電機(jī)連續(xù)速度。BKdpKnmipA：永磁同步直線電機(jī)電負(fù)荷。上式（3-5）中，i、Knm、Kdp的變化并不大，電機(jī)的連續(xù)速度v以及計(jì)算功率p則是根據(jù)實(shí)際

39、的需要所給定的值，所以永磁直線同步電機(jī)的大小Llef主要由參數(shù)A和參數(shù)B的數(shù)值確定。散熱條件好或間歇運(yùn)行，連續(xù)輕載運(yùn)行工況的平板型直線同步電機(jī)一般取A為500A/cm到1000A/cm，B一般取為0.63.2 電機(jī)氣隙的選取對(duì)于永磁電機(jī)設(shè)計(jì),氣隙的選取是很重要的。不同氣隙的選取對(duì)電機(jī)的性能有影響，而且必須考慮永磁同步直線電機(jī)的安裝問(wèn)題、國(guó)內(nèi)機(jī)加件的尺寸精度及其安裝工藝的可行性，過(guò)小的氣隙雖然增大電機(jī)的推力，但是同時(shí)也增加電機(jī)的磁阻力和電磁吸力，從而導(dǎo)致工裝難度，過(guò)大的氣隙則會(huì)在很大程度上減低電機(jī)的額定推力，導(dǎo)致相同體積電機(jī)的額定推力不能滿足設(shè)計(jì)要求。綜合考慮，氣隙的選擇一般在0.8mm到1.0

40、mm。本文綜合考慮安裝工藝和設(shè)計(jì)要求選取氣隙為1mm910。3.3 電機(jī)永磁體尺寸的確定在永磁同步直線電機(jī)中，如何選擇合適的永磁材料直接關(guān)系到電機(jī)的性能與經(jīng)濟(jì)性，因?yàn)榇艌?chǎng)主要是由永磁體提供的，永磁體的尺寸設(shè)計(jì)與電機(jī)的磁路有關(guān)聯(lián)。永磁體的選擇一般應(yīng)該滿足以下的要求：(a) 永磁體應(yīng)能在自己所處的空間上產(chǎn)生所需的勵(lì)磁磁場(chǎng)，即能滿足所設(shè)計(jì)電機(jī)的推力要求；(b) 永磁體所產(chǎn)生的勵(lì)磁磁場(chǎng)應(yīng)該有良好的穩(wěn)定性，在工作時(shí)不會(huì)隨著溫度和外界環(huán)境的變化而波動(dòng)明顯。(c) 具有良好的耐腐蝕性能；(d) 具有較好的力學(xué)性能，如韌性好、抗壓強(qiáng)度高、可加工性強(qiáng)等；(e) 價(jià)格合理，經(jīng)濟(jì)性好；永磁體尺寸主要有三個(gè)參數(shù)：永磁

41、體的長(zhǎng)度lm,永磁體的寬度bm和永磁體的高度lm的確定一般原則上比永磁同步直線電機(jī)的橫向鐵芯長(zhǎng)度lef略小，一般等于或小于橫向鐵芯長(zhǎng)度1mm。所以確定永磁體的整體尺寸只需要確定永磁體的寬度bm永磁電機(jī)的預(yù)估公式為：式（3-5）（3-6）中：rp：永磁同步直線電機(jī)初級(jí)與次級(jí)之間的氣隙間隔 11 。本文中取BrB=1.2，則3.4 電機(jī)槽口的設(shè)計(jì)槽口的設(shè)計(jì)需要考慮到電機(jī)槽滿率、匝數(shù)、電密、熱負(fù)荷及各部分磁密分布是否合理等因素，還需要考慮如何盡量減少齒槽力波動(dòng)和方便漆包線嵌入初級(jí)槽內(nèi)1213。槽口的設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足以下條件：(a) 要有一定的槽面積便于合理放置線圈和絕緣紙，槽滿率Ks(b) 齒的厚度不能

42、太小，太小的話容易使得硅鋼片中 B 達(dá)到飽和，使得電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重。一般控制齒部磁密Bt(c) 為了便于電機(jī)嵌線，槽口應(yīng)該有一定的寬度，適當(dāng)?shù)脑捒梢栽O(shè)計(jì)一些小齒。(d) 槽深和槽寬的比例對(duì)電機(jī)的漏抗有很大的影響，可以改變齒和槽的形狀來(lái)改善電機(jī)的漏抗。3.5 電機(jī)繞組設(shè)計(jì)繞組設(shè)計(jì)是電機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要部分，直線電機(jī)繞組可分為分?jǐn)?shù)槽繞組與整數(shù)槽繞組。每極每相槽數(shù)q為分?jǐn)?shù)的電機(jī)稱為分?jǐn)?shù)槽。因?yàn)榉謹(jǐn)?shù)槽繞組設(shè)計(jì)方案解決了電機(jī)極數(shù)多的情況下，同時(shí)盡量增加電機(jī)槽數(shù)的問(wèn)題，所以現(xiàn)階段較多優(yōu)選考慮分?jǐn)?shù)槽繞組設(shè)計(jì)，特別是應(yīng)用到三相交流的場(chǎng)合，該分?jǐn)?shù)槽繞組設(shè)計(jì)應(yīng)用在多極大型水輪發(fā)電機(jī)、低速同步發(fā)電機(jī)等領(lǐng)域特別廣。分?jǐn)?shù)槽電

43、機(jī)通過(guò)繞組等效分布，削弱了電動(dòng)勢(shì)和磁動(dòng)勢(shì)的諧波分量，改善反電動(dòng)勢(shì)波形的正弦性，并且集中繞組減少了線圈端部的伸出量，減少電機(jī)銅耗，提高繞組利用率。本文所設(shè)計(jì)的電機(jī)采用12槽11極分?jǐn)?shù)槽繞組形式，采用單層繞組，繞組連接方式為每相兩個(gè)線圈串聯(lián)，三相繞組采用Y型連接。圖3-1為12槽11極繞組結(jié)構(gòu)圖。槽電勢(shì)相量星形圖如圖3-2所示，定子繞組連線方式圖如圖3-3所示。圖3-2 12槽11極繞組結(jié)構(gòu)圖圖3-3 槽電勢(shì)相量星形圖圖3-4 12槽11極繞組連線圖3.6 電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)=v/2f=0384/(2*12)=16,選取定子永磁體極距=16mm,又知永磁體寬度bm=14mm，定子軛部高度取極弧系數(shù)選

44、取動(dòng)子槽寬為bs=7mm,則齒寬bt=7.67mm,槽高h(yuǎn)s=25mm，動(dòng)子鐵心總高度42mm 一般情況下，動(dòng)子運(yùn)動(dòng)方向上兩側(cè)各留有/4長(zhǎng)度而在直線電機(jī)設(shè)計(jì)中，動(dòng)子運(yùn)動(dòng)方向長(zhǎng)、寬之比一般在3左右，遵循這一原則，我們定義動(dòng)子運(yùn)動(dòng)方向?qū)挾萳2=50mm14153.7 本章小結(jié)本章對(duì)永磁同步直線電機(jī)的設(shè)計(jì)步驟進(jìn)行了基礎(chǔ)的初步分析，主要從旋轉(zhuǎn)電機(jī)設(shè)計(jì)的理論公式推演直線電機(jī)設(shè)計(jì)所涉及參數(shù)之間的關(guān)系，使所推演的公式滿足直線電機(jī)的設(shè)計(jì)要求。對(duì)于永磁同步直線電機(jī)的氣隙大小的選擇，綜合考慮電機(jī)的安裝工藝和機(jī)加件的精度要求，初步確定電機(jī)的初級(jí)與次級(jí)之間的氣隙值為0.8mm。繞組設(shè)計(jì)確定為12槽11極的分?jǐn)?shù)槽繞組。

45、然后大致選定電機(jī)的主要尺寸、永磁體尺寸、槽口尺寸等。 確定了永磁同步直線電機(jī)的尺寸和結(jié)構(gòu)參數(shù)后，下章將對(duì)電機(jī)的電磁和電路進(jìn)行進(jìn)一步的計(jì)算和研究，并完成對(duì)永磁同步直線電機(jī)繞組匝數(shù)和線徑等參數(shù)的選擇。4 永磁同步直線電機(jī)磁路計(jì)算4.1 磁路計(jì)算4.1.1電機(jī)氣隙磁路計(jì)算極弧系數(shù)對(duì)電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩有很大影響1617，極弧系數(shù)可由公式（4-1）計(jì)算：由（4-1）代入數(shù)據(jù)得：然后通過(guò)計(jì)算極弧系數(shù)公式：由（4-2）代入數(shù)據(jù)計(jì)算得空載主磁通：式中0為空載漏磁系數(shù)，本文去0=1.12，bm0為假定永磁體空載工作點(diǎn)，本文取bm0=0.78，Br=1.2723將（4-4）以及已知參數(shù)帶入（4-3）中，則已知空載主磁通

46、，則氣隙磁密可由下面公式計(jì)算得出：式（4-5）中，Lef為將（4-6）代入（4-5）中，B所以，相鄰一對(duì)極下的氣隙磁位差為：式（4-7）中，0為真空中的磁導(dǎo)率，取值0=410由（4-8）帶入相應(yīng)的參數(shù)。求得kg=1.436由（4-7）代入相應(yīng)各值，則可計(jì)算得：電機(jī)動(dòng)子齒的磁密Bt1可由式（4-9）算出式（4-9）中，kfe為硅鋼片的疊加系數(shù)，本例中取在對(duì)電機(jī)動(dòng)子齒的磁場(chǎng)強(qiáng)度Ht1k進(jìn)行計(jì)算時(shí)，一般情況下可通過(guò)在曲線上描點(diǎn)獲得，該方法很難保證結(jié)果的精準(zhǔn)性，必須要采用計(jì)算機(jī)來(lái)完成，在此就要對(duì)材料采用線性插值的方法，來(lái)保證結(jié)果的精準(zhǔn)性，如圖4-1所示，在圖中x1kBt1kx則Ht1一對(duì)相鄰的磁極下動(dòng)

47、子齒的磁路計(jì)算過(guò)程中有效長(zhǎng)度lt1為因此，可算出電機(jī)動(dòng)子齒部的磁位差為：本文中Ht通過(guò)查表近似取為4317A/m,則算得4.1.2 動(dòng)子軛部磁路計(jì)算對(duì)電機(jī)動(dòng)子軛部磁路計(jì)算時(shí)，要先算出電機(jī)動(dòng)子軛部的磁通密度Bj1，B式（4-13）中Lj1為初級(jí)軛部磁路的計(jì)算長(zhǎng)度式（4-14）代入式（4-13）中，可算得：B再通過(guò)與齒部磁路磁路計(jì)算相同的方法，通過(guò)線性插值找到與Bj1點(diǎn)對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度H磁路校正系數(shù)為cj1，本文中選用c得：Fj14.1.3 定子軛部磁路計(jì)算對(duì)電機(jī)定子軛部磁路計(jì)算時(shí)，要先算出電機(jī)動(dòng)子軛部的磁通密度Bj2，B式中Lj1為初級(jí)軛部磁路的計(jì)算長(zhǎng)度式（4-17）代入式（4-16）中，可算得：

48、B再通過(guò)與齒部磁路磁路計(jì)算相同的方法，通過(guò)線性插值找到與Bj1點(diǎn)對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度H磁路校正系數(shù)為cj2，本文中選用c得：F4.2 電路計(jì)算對(duì)永磁直線電機(jī)的電路進(jìn)行計(jì)算，主要是針對(duì)電機(jī)的以下幾部分：1） 計(jì)算電機(jī)繞組所需的線圈匝數(shù)； 2） 依據(jù)電機(jī)的槽滿率，選取線徑及漆包線的型號(hào)； 3） 算出電機(jī)繞組的端部長(zhǎng)度，求電機(jī)的相電阻及其它參數(shù)1920。4.2.1線圈繞組匝數(shù)的設(shè)計(jì)電機(jī)線圈匝數(shù)可由電機(jī)的電勢(shì)系數(shù)求得。根據(jù)本文所設(shè)計(jì)的電機(jī)及電機(jī)繞組的結(jié)構(gòu)，電機(jī)的節(jié)距取為電機(jī)的槽距，則電機(jī)繞組的節(jié)距為：本文中，=24mm。則電機(jī)繞組的短距比可由下式求得：電機(jī)線圈的繞組系數(shù)可由下式求出： 在式(3-31)中其中

49、，q為每極所占的電機(jī)槽數(shù)，在本文中為4，則電機(jī)的繞組系數(shù)可由下式求得：線圈繞組基波繞組系數(shù)：其中kp1為而kd1為則kdp已知電機(jī)的反電勢(shì)常數(shù)ke=20.68vs可求得電機(jī)的空載反電動(dòng)勢(shì)：采用空載電勢(shì)的方法求電機(jī)線圈匝數(shù)，因?yàn)榫€圈匝數(shù)和空載電勢(shì)有如下關(guān)系：式中，E0為空載電勢(shì)，kdp為線圈繞組系數(shù)，N 為繞組每相串聯(lián)匝數(shù)，0表示的空載主磁通，K表示氣隙磁通波形系數(shù)，可求出氣隙磁通波形系數(shù)K電機(jī)每相繞組所串聯(lián)匝數(shù)可由下式求得：將相應(yīng)的值代入上式，可以得到每相串聯(lián)匝數(shù)N 的理論值為：因?yàn)榇穗姍C(jī)電樞繞組的并聯(lián)支路數(shù)為1，所以我們可以進(jìn)一步計(jì)算動(dòng)子線圈的每槽導(dǎo)體數(shù)為：式（4-31）中，Z 表示的是動(dòng)子

50、的槽數(shù)，此處取值12，所以每槽導(dǎo)體數(shù)的值為：因?yàn)樵摂?shù)值只能為整數(shù)，所以此處每槽導(dǎo)體數(shù)取值147，即每相串聯(lián)匝數(shù)294匝。4.2.2 線圈線徑的選取綜合制造工藝的實(shí)際，選取絕緣紙的厚度為Ci通過(guò)下式算得絕緣占的面積：式（4-32）中，hs為槽高，b由（4-32）代入相應(yīng)的值計(jì)算可以得到： A槽的面積： 將bs=7mm, A則槽的有效面積為：將式（4-33）和式（4-32）代入，可求得槽的有效面積： A則槽滿率可以用公式（4-35）表示：式中dL為加漆膜后導(dǎo)線的直徑 其中d為導(dǎo)線的裸導(dǎo)線直徑。假設(shè)該電機(jī)繞組為人工繞線，槽滿率較高，電機(jī)的槽滿率暫設(shè)定為 95%，則導(dǎo)線線徑可由下式計(jì)算：本文中導(dǎo)線雙邊

51、的絕緣厚度dd取為 0.06由此可知裸線線徑不得大于 0.9331mm ，本文中裸線線徑取為 0.93mm 。則實(shí)際導(dǎo)線的線徑和槽滿率分別如下式所示：則實(shí)際的導(dǎo)線的截面積為：4.2.3 電動(dòng)機(jī)相電阻的計(jì)算繞組每半匝線圈的端部長(zhǎng)度選為L(zhǎng)d=t/2+d0則平均每匝線圈的長(zhǎng)度lav常溫下（ 25C ），銅線的電阻率為:r則初級(jí)動(dòng)子的相電阻R20式（4-45）中，N為每相線圈的串聯(lián)匝數(shù)，Ac為代入數(shù)值計(jì)算可得：動(dòng)子端部相電阻R已知?jiǎng)幼酉嚯娮鑂20 ，則兩相串聯(lián)時(shí)的電阻槽漏抗：其中q1=4為每相式（4-50）為槽漏導(dǎo)系數(shù)求解公式。求得Xs端部漏抗可由下式求出：式中e為4.3 電動(dòng)機(jī)的效率及電動(dòng)機(jī)的電磁損

52、耗計(jì)算本節(jié)將采用路的方法對(duì)電機(jī)的工作效率、損耗、效率、電流密度及電負(fù)荷等參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算2122。本文選取硅鋼片的質(zhì)量密度為=7800kg/m式（4-53）中，V V=將相應(yīng)數(shù)值代入式（4-54），可求得初級(jí)硅鋼片的體積為：代入（4-53），算出硅鋼片的質(zhì)量為2.1895kg。動(dòng)子齒部的損耗Pt1式（4-55）中，Losst1為已知每極氣隙磁通d則基波的氣隙磁通永磁體的磁通由此可通過(guò)下式計(jì)算出動(dòng)子齒部磁通密度Bt1由此可得動(dòng)子齒部的損耗Pt1式（4-60）中，Loss前面已經(jīng)算得每極氣隙磁通d所以，基波氣隙磁通進(jìn)一步計(jì)算，可以得到磁鋼磁通的值為： 因此，就可以計(jì)算得到動(dòng)子齒部磁通密度的值為：所

53、以，通過(guò)查表得，磁通分別為1.6T 和1.7T 時(shí)，鐵損曲線對(duì)應(yīng)的鐵損耗分別為5.8W和 6.8W ，在兩點(diǎn)之間作線性取值為6.541W。因此，動(dòng)子齒部損耗的值為：下面用同樣的方法計(jì)算動(dòng)子軛部損耗，首先計(jì)算動(dòng)子軛部鐵重： 式（4-61）中，代入相應(yīng)的值，計(jì)算得到：而動(dòng)子軛部的磁通密度為：所以，通過(guò)查表，取連續(xù)的兩點(diǎn) 0.6Wb和 0.7Wb，得到對(duì)應(yīng)的鐵損值 0.97W 和1.25W ，再近似地通過(guò)線性插值得到與Bj1Loss最后，得到動(dòng)子軛部的損耗大小為：綜合動(dòng)子軛部和齒部的運(yùn)算結(jié)果，可以得到總鐵耗為：式中，k認(rèn)為在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中不存在摩擦，所以機(jī)械損耗取值為0，即：P所以，可以計(jì)算得到空載

54、損耗：由物理學(xué)知識(shí)，可以知道空載推力和空載損耗遵循以下關(guān)系：所以，空載推力T0由式（4-45）的計(jì)算，25攝氏度下動(dòng)子每相電阻值為：1.3082歐姆。則所以，電機(jī)總損耗大小為：根據(jù)以上數(shù)據(jù)可以算出電機(jī)的工作效率。電機(jī)動(dòng)子繞組的電流密度大小為：動(dòng)子電樞線負(fù)荷大小為：線負(fù)荷的大小一般要求保持在30000到50000之間，這一數(shù)值符合要求，既能滿足足夠的電流利用率，又不致電流過(guò)大而發(fā)生意外事故23。4.4 本章小結(jié) 本章主要研究了永磁直線同步電機(jī)的設(shè)計(jì)，并通過(guò)計(jì)算分析了電機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程，主要包括了電機(jī)的磁路部分和電路部分計(jì)算，并運(yùn)用路的方法對(duì)電機(jī)的鐵耗、工作效率等性能參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算分析。并對(duì)永磁同步直

55、線電機(jī)的線圈匝數(shù)和線型等參數(shù)做了計(jì)算和選擇。 由于使用路的方法無(wú)法直接方便的得到電機(jī)的額定輸出推力曲線，所以下兩章章我們將通過(guò)電磁場(chǎng)有限元分析軟件建模，以得到電機(jī)更完整的工作性能參數(shù)。在下一章中，將對(duì)有限元分析法做介紹。5 永磁直線電機(jī)的有限元分析基礎(chǔ)5.1 永磁直線電機(jī)電磁場(chǎng)理論5.1.1 Maxwell 方程組 Maxwell 方程組是在宏觀上解決有關(guān)電磁場(chǎng)問(wèn)題最基本的方程組。電磁場(chǎng)的分析實(shí)際上是求解給定邊界條件下的Maxwell方程問(wèn)題。該方程組不僅可以采用積分的形式來(lái)表示，還可以采用微分的形式來(lái)表示。采用有限元方法分析電機(jī)電磁場(chǎng)問(wèn)題時(shí)，Maxwell 方程組大多采用微分的形式。Maxw

56、ell 方程組的微分形式為：式（5-1）中，方程組從上到下分別為法拉第定律、麥克斯韋-安培定律、高斯定律、磁場(chǎng)高斯定律。式中的磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度、電場(chǎng)強(qiáng)度、電位移、電流密度和電荷密度它們之間遵循以下關(guān)系：不考慮位移電流時(shí)，Maxwell方程可表示為：上述Maxwell方程組為采用有限元法分析電磁場(chǎng)問(wèn)題提供了基本的理論基礎(chǔ)。從上式可看出，如果單純采用上述方程組來(lái)分析電磁場(chǎng)問(wèn)題是不太容易的。為了能夠快速有效的分析電磁場(chǎng)問(wèn)題，首先要對(duì)Maxwell方程組進(jìn)行合理的變換，針對(duì)不同電磁場(chǎng)問(wèn)題，要保證求解的準(zhǔn)確性就必須定義合適的電磁場(chǎng)邊界條件24。 在求解電磁場(chǎng)的問(wèn)題時(shí)，只要加入合適的邊界條件，就能采用

57、 Maxwell 方程組來(lái)解析。求解穩(wěn)定電磁場(chǎng)問(wèn)題時(shí)，主要求解B和J 之間所存在的關(guān)系問(wèn)題，加入合適的初始及邊界條件的情況下，通過(guò)引入位函數(shù)對(duì)其進(jìn)行求解，將使求解大為簡(jiǎn)化。求解電磁場(chǎng)無(wú)旋場(chǎng)問(wèn)題時(shí)，通過(guò)加入標(biāo)量磁位 ，令 J =0 ，則 H =0 ，同時(shí)假定：H=-(5-4)標(biāo)量磁位所有相等的點(diǎn)組成的面為電磁場(chǎng)的等磁位面，由于H 與等磁位面互相垂直。則可得：=0(5-5)媒質(zhì) 存在非線性和線性兩種形式，則式（5-5）相應(yīng)的也存在兩種形式。(1) 當(dāng)媒質(zhì) 不是常數(shù)時(shí)，即非線性時(shí)媒質(zhì) 不是常數(shù)，為非線性時(shí)，例如磁性材料，當(dāng)媒質(zhì) 是非線性時(shí)，則標(biāo)量磁位在坐標(biāo)系中可通過(guò)下式進(jìn)行求解。 (2) 當(dāng)媒質(zhì) 是

58、常數(shù)時(shí)，即線性時(shí)當(dāng)媒質(zhì) 是常數(shù)時(shí)，為線性時(shí)，則2在對(duì)標(biāo)量磁位進(jìn)行求解時(shí)，其只局限于J=0的情況下，只是一個(gè)特例問(wèn)題。然而電磁場(chǎng)問(wèn)題大部分情況是J0情況下進(jìn)行求解的16。為了能夠?qū)θ我怆姶艌?chǎng)問(wèn)題都能夠求解，可假定B =A，對(duì)于不同的媒質(zhì) ，式（5-8）存在相應(yīng)的方程形式：(1) 當(dāng)媒質(zhì)0時(shí)矢量磁位A滿足下式的關(guān)系：在假定B =A及A=0的情況時(shí)，式（5當(dāng)非線性時(shí)，式（5-8）變換為：則： 式(5-11)中，ex則電磁場(chǎng)的矢量方程可分出求解電磁場(chǎng)的標(biāo)量方程： 在電磁場(chǎng)的二維平面中，假定J=JZez、A=A 在電磁場(chǎng)的二維平面中，標(biāo)量磁位方程只能用來(lái)求解電磁場(chǎng)的無(wú)旋區(qū)，矢量磁位方程既可以用來(lái)求解無(wú)旋

59、區(qū)也可以求解有旋區(qū)。因此，求解電磁場(chǎng)二維平面的問(wèn)題時(shí)大多采用矢量磁位法。(2) 當(dāng)媒質(zhì) 為非線性時(shí)采用電磁場(chǎng)矢量分析時(shí)：當(dāng)A=0時(shí)，則： 式（5-17）直角坐標(biāo)系中可由下列方程表示：求解電磁場(chǎng)二維問(wèn)題時(shí)，J=JZez、A=AZez5.1.2 電磁場(chǎng)分析方法電磁場(chǎng)分析方法很多，主要可以分為以下四種類型：模擬法、圖解法、解析法和數(shù)值法。模擬法是通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量具有相同場(chǎng)域方程，相同邊界條件和交界面條件下的模擬量，實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁分布規(guī)律的求解這種方法僅用于二維或三維情況下的拉普拉斯方程求解，它不能考慮具有各向異性介質(zhì)或非線性介質(zhì)場(chǎng)域的情況下的求解問(wèn)題，特別是三維場(chǎng)域的情況，造價(jià)昂貴，工作繁重且使用范圍非常小

60、。圖解法的應(yīng)用比較早，這種方法僅用于二維形式的拉普拉斯方程，通常它們是以解析函數(shù)的性質(zhì)作為基礎(chǔ)的。即使很細(xì)心應(yīng)用這種方法，其精度也十分有限。在數(shù)值計(jì)算之前，解析法的發(fā)展比較成熟和完善。主要原因是當(dāng)時(shí)關(guān)于電磁分布的邊值問(wèn)題的主要研究?jī)?nèi)容就是解析法。有些解析方法或其結(jié)果至今仍應(yīng)用于工程中，如：分離變量法、保角變換法等。還有一些當(dāng)時(shí)流行的其他方法，如積分方程法，變分法，以及針對(duì)各種具體實(shí)際問(wèn)題的特殊求解方法，如鏡像法、逆問(wèn)題法、變分法，但這些方法只能用于簡(jiǎn)單的場(chǎng)域形狀或單一介質(zhì)，并需要運(yùn)用對(duì)稱條件等。解析法的推導(dǎo)過(guò)程相當(dāng)繁瑣和困難，但它的發(fā)展還是相當(dāng)龐大，包括各種具有普遍性和特殊性的算法。解析法的主