琚 莉,彭 云,袁振偉,王三保,周惠興
(1. 河南財政稅務(wù)??茖W校,鄭州 450002;2. 鄭州大學 化工與能源學院,鄭州 450002;3. 中國農(nóng)業(yè)大學,北京 100083)
一種新型永磁直線同步電機繞組的有限元分析
琚 莉1,彭 云2,袁振偉2,王三保2,周惠興3
(1. 河南財政稅務(wù)??茖W校,鄭州 450002;2. 鄭州大學 化工與能源學院,鄭州 450002;3. 中國農(nóng)業(yè)大學,北京 100083)
直線電機由旋轉(zhuǎn)電機演變而來,本文針對直線電機自身的特點,提出直線電機繞組的新型排列方式,并用Ansoft Maxwell 12進行了有限元分析模擬,實驗驗證了這種排列方式的可行性和可靠性。
永磁直線電機;Ansoft Maxwell 12;有限元分析
在許多場合,被控對象是直線運動,傳統(tǒng)的獲得直線運動的方法,一般是旋轉(zhuǎn)電機加絲杠。由于結(jié)構(gòu)上的限制,傳統(tǒng)方法的運動速度、精度和可靠性已經(jīng)達到極限。直線電機沒有中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)、無傳動間隙和機械摩擦,可以獲得更高的速度和精度。U型永磁同步直線電機,其結(jié)構(gòu)簡單,能適應(yīng)高精度、高加速以及高速運行狀態(tài),越來越多的應(yīng)用于各種直線運動領(lǐng)域。
本文在傳統(tǒng)直線電機的基礎(chǔ)上,分析提出了一種新型U型無鐵芯直線同步電機動子的繞組,其推力波動小、響應(yīng)快、體積小、結(jié)構(gòu)簡單并且能有效降低成本。同時采用有限元軟件Ansoft Maxwell 12對這種繞組進行了建模分析,最后通過實際的實驗進行了檢驗。
把旋轉(zhuǎn)電機沿徑向展開,定子和動子部分都做成直線形式,就得到了直線電機。這里以3相4極永磁同步電機為例,說明直線電機的轉(zhuǎn)變過程。
圖1 直線電機的由來
電機沿徑向展開,氣隙磁場由原來的圓型轉(zhuǎn)變成直線(如圖1所示),磁鋼磁力線分布情況可以近似看做一個正弦曲線(如圖2所示)。分析永磁體所產(chǎn)生的磁場變化可知,要想獲得最大的直線驅(qū)動力,同步直線電機繞組所產(chǎn)生的電磁場,同定子永磁體所產(chǎn)生的磁場一樣,也應(yīng)該是正弦形式。
圖2 直線電機正弦變化的定子磁場
旋轉(zhuǎn)電機繞組部分,由旋轉(zhuǎn)電機展開得到的繞組平面圖如圖3所示,按星型接法,在ABC中通入正弦交流電后,繞組產(chǎn)生正弦變化的行波磁場,這是制造直線電機繞組最常見的方式。
圖3 旋轉(zhuǎn)電機繞組展開圖(并聯(lián))
從圖3中可以看出,電機只有12槽,可以采用單層繞組排列方式,但是每一項繞組所跨的槽數(shù)較多,增加了電機的銅耗,同時使得無用功功率增加,難以提高電機的功率因數(shù)。線圈與線圈的疊加,也增加了電機制造和裝配的難度??紤]到直線電機有它自身的特點,我們只需要使繞組產(chǎn)生如圖2所示的正弦磁場,就能得到我們想要的直線驅(qū)動力。再結(jié)合U型電機的特點和U型電機磁鋼的間距,可以把繞組分開排列。這樣處理,首先避免了線圈與線圈之間的疊加,從結(jié)構(gòu)上保證了線圈與線圈之間的絕緣性能。其次,線圈分開后,間距和厚度相對容易保證,線圈之間的相互擾動會減少,這也有助于提升電機的電氣性能。
圖4 繞組的轉(zhuǎn)化
如圖4所示,把線圈展開后,采用合適的間距和合適的電壓頻率,就可以得到和定子一致的正弦交變磁場,進而得到我們想要的直線驅(qū)動力。與傳統(tǒng)直線電機繞組比較,這種新型繞組具有銅耗低、結(jié)構(gòu)簡單、效率高、制造以及裝配方便等諸多優(yōu)點。
Ansoft公司的Maxwell 是一個功能強大、結(jié)果精確、易于使用的二維/三維電磁場有限元分析軟件。它可以用于靜電場、靜磁場、時變電場,時變磁場,渦流場、瞬態(tài)場和溫度場計算,在分析電機、傳感器、變壓器、永磁設(shè)備、激勵器等電磁裝置的靜態(tài)、穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、正常工況和故障工況的特性方面都很有優(yōu)勢。Maxwell具有很強的專業(yè)性,并且容易掌握,越來越多的受到工程技術(shù)人員的青睞。
下面以最簡單的三個線圈的直線電機為例,分析檢驗這種繞組的可行性,電機為三相,每相一個線圈,平行排列,電機參數(shù)見表1。
表1 U型直線電機分析參數(shù)
電機速度設(shè)定為5mm/s,加載電壓為15V三相交流電,暫不考慮磁鋼軛部的影響,在Ansoft中建立2D瞬態(tài)分析模型,建立模型如圖5所示。
圖5 直線電機2D模型
采用手動設(shè)置網(wǎng)格精度,對線圈、氣隙及磁鋼部位進行網(wǎng)格細化,以提高計算結(jié)果的準確性。網(wǎng)格劃分如圖6所示:
圖6 網(wǎng)格劃分
以下是分析結(jié)果, 圖7是新型繞組的運動方向推力曲線。
圖7 電機推力曲線
從推力曲線上可以看出,當加載15v的電壓時,持續(xù)推力穩(wěn)定在14.5N,推力波動幅度很小,達到我們的預(yù)期目標,圖8是電機的反電動勢曲線,電機運行平穩(wěn)后,反電動勢曲線嚴格遵循三相交流電的相位和波形,這也符合電機的實際運行特征。
圖8 繞組反電動勢曲線
圖9是繞組的磁鏈曲線。
在t=2.5s時磁力線分布情況如圖10所示。
在t=3.5s時電機磁通密度分布情況如圖11所示。
這種三組線圈動子繞組的仿真分析結(jié)果,和我們所制做動子的實際實驗數(shù)據(jù)結(jié)果基本一致。
圖9 繞組磁鏈曲線
圖10 繞組磁力線分布
圖11 繞組磁通分布云圖
本文提出的新型繞組排列方式,簡化了無鐵芯直線電機動子的制作過程,同時也便于電機模型的有限元分析,并且能夠有效的保證電機的電氣性能,再加上可運用高效便捷的Ansoft Maxwell軟件進行分析,能有效避免設(shè)計中的失誤,縮短設(shè)計周期,優(yōu)化電機性能,有助于直線電機事業(yè)的快速發(fā)展。
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A novel winding method based on fi nite element analysis for permanent magnet linear synchronous motor
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B
1009-0134(2011)5(下)-0139-03
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2011-01-24
河南省基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計劃項目(092300410037)
琚莉(1967-),女,河南武陟人,講師,本科,研究方向為工程問題的教學分析與計算。
致謝:本文撰寫過程中得到了鄭州微納科技有限公司的大力支持,在此表示衷心感謝。