張允彪，瞿遂春，邱愛兵，姜亞海

(南通大學，南通 226019)

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徑向和橫向磁場直線開關(guān)磁阻電動機的比較分析

張允彪，瞿遂春，邱愛兵，姜亞海

(南通大學，南通 226019)

結(jié)合兩種不同結(jié)構(gòu)型式的直線開關(guān)磁阻電動機，分析了它們的結(jié)構(gòu)特點和工作原理。利用ANSYS有限元軟件對兩種不同結(jié)構(gòu)的電機進行了瞬態(tài)和靜態(tài)電磁場數(shù)值計算和仿真，得到了它們的性能曲線，在此基礎(chǔ)上對其性能進行了分析比較，得出了相關(guān)結(jié)論，為兩種結(jié)構(gòu)型式的直線開關(guān)磁阻電動機的工程應用提供了理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

徑向磁場直線開關(guān)磁阻電動機；橫向磁場直線開關(guān)磁阻電動機；ANSYS；牽引力；法向力

0 引 言

開關(guān)磁阻電動機結(jié)構(gòu)簡單堅固，容錯能力強，調(diào)速性能好，可靠性高，現(xiàn)已越來越廣泛的應用到各個領(lǐng)域。直線開關(guān)磁阻電動機(以下簡稱 LSRM)與旋轉(zhuǎn)開關(guān)磁阻電動機(以下簡稱 SRM)是相對應的，LSRM相當于沿旋轉(zhuǎn)式SRM的圓周方向，將定子、轉(zhuǎn)子依次展開，對應的轉(zhuǎn)子部分為 LSRM 的次級，定子部分為 LSRM的初級，如圖1所示。隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展, LSRM以其簡單牢固的機械結(jié)構(gòu)、優(yōu)越的直線驅(qū)動性能愈來愈受到人們的重視。

圖1 SRM展開成LSRM的截面圖

本文以徑向磁場LSRM(以下簡稱 RFLSRM)和橫向磁場LSRM(以下簡稱 TFLSRM)為研究對象，針對該兩種電機對其性能特性進行比較分析，為其工程應用提供了理論支撐。

1 電機結(jié)構(gòu)

LSRM從磁通與電機運動方向的關(guān)系上可以分為RFLSRM和TFLSRM兩種結(jié)構(gòu)形式。

1.1 RFLSRM結(jié)構(gòu)

RFLSRM的結(jié)構(gòu)如圖2所示，電機的初級上繞有線圈，次級上無繞組。圖2的主次級位置，B相通電，根據(jù)磁通沿磁導最大路徑閉合的原理，電機的次級將在牽引力作用下將沿水平方向運向右動，且電機的磁通與運動方向在一個平面上。

圖2 RFLSRM的結(jié)構(gòu)圖

1.2 TFLSRM結(jié)構(gòu)

TFLSRM的結(jié)構(gòu)如圖3所示，它的磁通方向和電機運行方向相互垂直，從而實現(xiàn)了電機的電路和磁路在幾何結(jié)構(gòu)上的解耦，電機設計更加靈活，可以提高電機的功率密度。圖3的主次級位置A相通電，電機的次級將在牽引力作用下將沿水平方向運向右動。

(a) TFLSRM二維橫截面圖

(b) TFLSRM二維側(cè)面圖

2 性能對比分析

為了便于對比分析，設兩種結(jié)構(gòu)電機的初級極數(shù)，次級極數(shù)，初級極距，次級極距，初級極寬，次級極寬，初級極高，次級極高，每相繞組，氣隙以及速度均相同，其主要參數(shù)如表1所示。

表1 兩種直線開關(guān)磁阻電動機主要參數(shù)

根據(jù)電機學知識，可得電機產(chǎn)生的平均電磁力：

(1)

單個極下電機的氣隙力密度FA：

(2)

式中：Bδ為電機的氣隙磁密；A為電機的電負荷。由式(2)看出，有兩條途徑可以增加力密度：一是增加電負荷 A 值，二是增加氣隙磁密Bδ。但是，由圖2可以看出，RFLSRM的初級齒部和線槽處于同一平面內(nèi)，因此它們之間不是獨立的，它們的相互關(guān)系如下：

(3)

(4)

式中：bt為初級齒寬；τ為一個齒節(jié)距；Bt為齒部磁密；JS為電流密度；AS為槽面積。電流密度JS取決于電機的冷卻方式，齒部磁密Bt取決于鐵磁材料的飽和程度，所以只能通過增加槽面積AS和初級齒寬bt來提高轉(zhuǎn)矩密度。對于RFLSRM，由于線槽和初級齒部處于同一個平面內(nèi)，在電流密度JS保持不變和電機齒部磁密Bt不會過飽和的情況下，若要增加氣隙磁密Bδ，增加初級齒寬就必須減小線槽面積，反之，增加線槽面積就必須減小初級齒寬。因此RFLSRM由于磁負荷和電負荷存在同一平面內(nèi)，使得在增加氣隙磁密Bδ時受到限制。在RFLSRM的初級和次級極寬以及線圈匝數(shù)一定的情況下，很難增加RFLSRM的氣隙磁密。

由圖3可知，TFLSRM的磁通方向和電機運行方向相互垂直，從而實現(xiàn)了電機的電路和磁路在幾何結(jié)構(gòu)上的解耦，即它的電負荷和磁負荷在相互垂直的兩個平面內(nèi)，因此它們之間不會相互制約，可以分別增加它們，從而獲得較高的力密度。在TFLSRM的初級和次級極寬以及線圈匝數(shù)一定的情況下，可以選擇合適的鐵心寬度(圖3(a)中E形齒的中間齒寬度)，來增加TFLSRM的氣隙磁密，從而提高TFLSRM的出力。

2.1 有限元分析

通過ANSYS有限元軟件對兩種結(jié)構(gòu)電機建模計算，計算分析電機三維磁場的計算流程圖如圖4所示，通過后處理(畫出場圖、分析結(jié)果、計算參數(shù))可得到了其靜態(tài)磁化曲線、瞬態(tài)電感曲線、牽引力曲線和法向力曲線等。

圖4 ANSYS計算三維電磁場流程圖

2.1.1 電感曲線

理論上TFLSRM通過改變磁路結(jié)構(gòu)，使得電負荷和磁負荷相互解耦，從而在一定范圍內(nèi)通過提高磁能變化率來提高牽引力。圖5為電感曲線，當初級的齒與次級的槽對齊時(即x=0 mm)為最小電感。TFLSRM電感的最小值為6.312 5 mH，RFLSRM電感的最小值為6.598 7 mH。當初級的齒與次級的齒對齊時(即x=37.5 mm)為最大電感。TFLSRM電感的最大值是26.936 3 mH，RFLSRM電感的最大值是24.878 mH。圖6是磁化曲線，當初級的齒與次級的槽對齊時(即x=0 mm)為最小磁化

圖5 電機電感曲線

曲線，當初級的齒與次級的齒對齊時(即x=37.5 mm)為最大磁化曲線。由圖5和圖6可知，TFLSRM的電感和磁共能的變化率更大，有更大的出力。

圖6 磁化曲線

2.1.2 牽引力曲線

(a)TFLSRM牽引力曲線(b)RFLSRM牽引力曲線

(c) 20 A時TFLSRM和RFLSRM的牽引力曲線

2.1.3 法向力曲線

由圖7可知，TFLSRM的牽引力波動比較大，法向力是影響牽引力波動的原因之一。由前文TFLSRM的結(jié)構(gòu)可知，其法向力方向和電機的運動方向相互垂直。法向力會引起LSRM初級的變形，使得電機氣隙長度變得不均勻，氣隙磁場發(fā)生畸變。畸變的磁場與電流的相互作用使得LSRM電機的牽引力隨著初、次級齒極的相對位置的變化而波動。圖8是TFLSRM的法向力曲線圖?？芍娏鳛?0 A時其最大法向力為228 N，是其最大牽引力的10倍左右。TFLSRM的法向力比RFLSRM法向力更大。

(a)TFLSRM的法向力(b)RFLSRM的法向力

圖8 電機的法向力曲線

2.2 功率變換器分析

圖9 功率變換電路

3 結(jié) 語

本文分析了兩種不同結(jié)構(gòu)的LSRM，在尺寸相同的情況下，基于有限元軟件ANSYS，對所設計的兩臺樣機磁場和功率電路進行了分析比較。通過計算和仿真結(jié)果可知：(1)TFLSRM的最大牽引力和平均牽引力比RFLSRM更大，輸出功率更高，功率密度更大；(2)TFLSRM和RFLSRM的牽引力波動都比較大；(3)TFLSRM的法向力更大，導致其牽引力波動更大；(4)兩者的功率變換器相同，控制方法相似。

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Comparative Analysis of Radial Magnetic Field and Transverse Magnetic Field Linear Switched Reluctance Motors

ZHANGYun-biao，QUSui-chun，QIUAi-bing，JIANGYa-hai

(Nantong University，Nantong 226019，China)

Two different structure types of the linear switched reluctance motor (LSRM) were compared, and their structural characteristics and working principle were analyzed. The numerical calculation and simulation of transient and static electromagnetic field about these two different structures motors were made using the finite element software ANSYS, and the performance curves map was obtained. On the basis of this, their performance was compared and analyzed, providing a theoretical basis and technical support for engineering application of the two different structure types of linear switched reluctance motor (LSRM).

radial magnetic field linear switched reluctance motor (RFLSRM); transverse magnetic field linear switched reluctance motor (TFLSRM); ANSYS; thrust force; normal force

2015-10-13

國家自然科學基金項目(61473159)；江蘇省南通市科技局應用研究計劃(BK2014076)

TM352

A

1004-7018(2016)04-0026-03

張允彪(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向為新型電機及其控制。