姜忠臣+趙璽

摘 要：文章主要以扁平型短次級(jí)長(zhǎng)初級(jí)直線感應(yīng)電機(jī)為分析對(duì)象。文章采用有限元分析軟件Ansoft對(duì)銅鋼復(fù)合次級(jí)直線電機(jī)進(jìn)行仿真研究，分別分析了氣隙大小、次級(jí)鐵軛厚度、銅層厚度對(duì)電機(jī)性能的影響。對(duì)直線電機(jī)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)有一定的幫助。

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

中圖分類號(hào)：TM346 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）21-0075-02

直線電機(jī)由于可以直接產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)，省去了由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)繁瑣的中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以替代機(jī)械機(jī)構(gòu)用于直線傳動(dòng)[1]。直線電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、速度快、控制精度高，在直線傳動(dòng)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

1 有限元分析

考慮到直線電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度比較低，可以使用緩慢直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)電媒質(zhì)中的電磁場(chǎng)方程[2]進(jìn)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(gè)坐標(biāo)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(jí)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(jí)運(yùn)動(dòng)速度，渦流場(chǎng)分析時(shí)速度為0。

以X-Y平面為二維場(chǎng)仿真，Y方向?yàn)榇渭?jí)運(yùn)動(dòng)方向。電流只在Z軸方向流動(dòng)，所以， ，（1）式可簡(jiǎn)化為：

式中，？琢=，？子為極距。

2 仿真模型建立

本文用渦流場(chǎng)與瞬態(tài)場(chǎng)結(jié)合的方法對(duì)直線電機(jī)進(jìn)行分析，渦流場(chǎng)可以仿真穩(wěn)態(tài)情況，瞬態(tài)場(chǎng)可以仿真動(dòng)態(tài)情況并能獲得Fs曲線。對(duì)直線電機(jī)的模型進(jìn)行仿真時(shí)為了減小縱向端部效應(yīng)的影響，本文采用了6極電機(jī)，當(dāng)電機(jī)極數(shù)大于或等于6時(shí)靜態(tài)縱向端部效應(yīng)的影響可以忽略不計(jì)[2]。初級(jí)、次級(jí)鐵軛均采用硅鋼片，可以認(rèn)為電導(dǎo)率為0，不需要考慮渦流與磁場(chǎng)透入深度的影響。圖1為直線電機(jī)仿真模型，為了簡(jiǎn)化分析，將電機(jī)設(shè)計(jì)為無(wú)槽電機(jī)。無(wú)槽電機(jī)相當(dāng)于將氣隙變大，對(duì)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(duì)電機(jī)性能的影響

保持其他條件不變，只改變氣隙大小，起動(dòng)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(lì)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(lì)下，氣隙越大，氣隙中的磁密越小，導(dǎo)致電機(jī)出力減小。氣隙的增大導(dǎo)致了勵(lì)磁電抗的減小，相同的電流激勵(lì)產(chǎn)生的磁場(chǎng)更弱，導(dǎo)致氣隙磁密更小。所以在進(jìn)行直線電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)在機(jī)械方面允許的情況下應(yīng)盡量減小氣隙。

3.2 次級(jí)鐵軛厚度對(duì)電機(jī)性能的影響

保持其他條件不變，只改變次級(jí)鐵軛厚度，起動(dòng)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(jí)電流恒定的情況下，隨著次級(jí)鐵軛厚度的增大電機(jī)推力逐漸增加，當(dāng)厚度增加到一定程度時(shí)，電機(jī)推力變化很小。造成這種現(xiàn)象的原因在于次級(jí)鐵軛厚度過(guò)小導(dǎo)致導(dǎo)磁面積減小，鐵軛容易達(dá)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(jí)鐵軛厚度應(yīng)保證在額定電流時(shí)次級(jí)鐵軛磁密不達(dá)到飽和。

3.3 次級(jí)導(dǎo)電層厚度對(duì)直線電機(jī)性能的影響

對(duì)次級(jí)導(dǎo)電層厚度的影響進(jìn)行研究時(shí)，保持了直線電機(jī)氣隙大小不變，即次級(jí)鐵軛到初級(jí)距離不變，因?yàn)殂~的磁導(dǎo)率跟空氣相同。仿真了次級(jí)銅層厚度分別為1、2、3、4mm的情況，電機(jī)的Fs特性曲線。

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

4 結(jié)束語(yǔ)

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

參考文獻(xiàn)：

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

[2]上海工業(yè)大學(xué)，上海電機(jī)廠.直線異步電動(dòng)機(jī)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1979.