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        圓筒型永磁直線電機(jī)的磁場(chǎng)解析研究

        2021-07-01 08:50:45付開源
        機(jī)電信息 2021年17期
        關(guān)鍵詞:有限元

        摘要:圓筒型永磁直線電機(jī)具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)性能好等優(yōu)點(diǎn),且由于圓柱形的整體外型結(jié)構(gòu),其運(yùn)行速度較快且行程相對(duì)較長(zhǎng),非常適合鉆進(jìn)系統(tǒng)?,F(xiàn)從圓筒型永磁直線電機(jī)技術(shù)指標(biāo)入手,運(yùn)用磁場(chǎng)解析法來求解復(fù)雜區(qū)域的電磁場(chǎng)分布問題,根據(jù)磁場(chǎng)分析和數(shù)學(xué)推導(dǎo),完成重要電磁參數(shù)及磁場(chǎng)分布的計(jì)算,構(gòu)建出電機(jī)的磁場(chǎng)解析計(jì)算模型,并用有限元法仿真驗(yàn)證該解析模型的正確性。

        關(guān)鍵詞:圓筒型永磁直線電機(jī);磁場(chǎng)解析;有限元

        0 引言

        電磁場(chǎng)分析是電機(jī)理論研究工作的重要前提,電機(jī)性能分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性取決于能否獲得正確的磁場(chǎng)分布。直線電機(jī)由于其結(jié)構(gòu)具有一定的特殊性,不再完全適用一般用于分析旋轉(zhuǎn)電機(jī)的相關(guān)理論,因此針對(duì)直線電機(jī)建立相匹配的分析理論和研究方法是十分必要的[1]。圓筒型永磁直線電機(jī)的磁場(chǎng)存在強(qiáng)耦合非線性,且電機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有多樣性,目前尚無完善的系統(tǒng)理論和有效的研究方法來解決該類型電機(jī)磁場(chǎng)解析模型的建模問題。本文將針對(duì)磁場(chǎng)解析模型的建立過程開展研究,用數(shù)學(xué)理論推導(dǎo)出電磁場(chǎng)重要參數(shù)及磁場(chǎng)分布的計(jì)算公式,并通過有限元法進(jìn)行驗(yàn)證。

        1 磁場(chǎng)解析模型

        根據(jù)設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)規(guī)范,本文采用12槽8極結(jié)構(gòu)的圓筒型永磁直線電機(jī)結(jié)構(gòu)模型,初級(jí)鐵芯和次級(jí)鐵芯采用冷軋硅鋼片,如圖1所示。綜合參數(shù)設(shè)計(jì),圓筒型永磁直線電機(jī)電磁設(shè)計(jì)的主要尺寸參數(shù)和繞組及槽形參數(shù)如表1所示。

        1.1 ? ?磁場(chǎng)分布計(jì)算

        由于圓筒型永磁直線電機(jī)獨(dú)有的特性,傳統(tǒng)的電磁場(chǎng)理論在這類電機(jī)中的應(yīng)用受到一定限制,要獲得電機(jī)內(nèi)電磁場(chǎng)的解析解非常困難。為了簡(jiǎn)化磁場(chǎng)解析法的分析過程,對(duì)電機(jī)的實(shí)際模型做出以下假設(shè):

        (1)初級(jí)繞組中的電流向一個(gè)方向流動(dòng);

        (2)電機(jī)所有組成部分的電導(dǎo)率設(shè)為0,鐵芯損耗忽略不計(jì);

        (3)初級(jí)繞組中無感應(yīng)渦流;

        (4)次級(jí)只有z方向的運(yùn)動(dòng)速度;

        (5)永磁體的物理常數(shù)是均質(zhì)的,且未達(dá)到飽和。

        在實(shí)際電機(jī)運(yùn)行過程中,圓筒型永磁直線電機(jī)的磁場(chǎng)分布是時(shí)刻變化的,其氣隙磁場(chǎng)是一個(gè)具有大小和方向的變化矢量。通常為了分析的簡(jiǎn)單方便,而將其按照電機(jī)結(jié)構(gòu)劃分為徑向分量和軸向分量,其中徑向分量的氣隙磁密是電機(jī)推力的主要來源,因此主要討論徑向磁密的分布和計(jì)算[2]。在磁場(chǎng)解析計(jì)算中,將電機(jī)的內(nèi)鐵芯表面(r=R3)的磁位分布近似處理為呈梯形形狀的磁位,一個(gè)極距的磁位φ(z)的分布如圖2所示。

        2 有限元建模和驗(yàn)證

        由于圓筒型永磁直線電機(jī)選用的材料多為非線性,同時(shí)電機(jī)結(jié)構(gòu)各組成部分的幾何形狀大小不一,難以通過簡(jiǎn)單的公式獲得電機(jī)性能參數(shù),為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)電機(jī)參數(shù)的合理性,需要建立較為精確的模型加以校驗(yàn)。有限元法(Finite Element Method)將電機(jī)建模過程中的各項(xiàng)因素考慮在內(nèi),能夠比較準(zhǔn)確地反映電機(jī)的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性,目前在工程實(shí)踐中被廣泛應(yīng)用[3]。

        2.1 ? ?電機(jī)有限元模型

        按照表1中電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸完成電機(jī)各部分幾何模型的繪制,在有限元軟件Ansoft Maxwell中建立電機(jī)的二維有限元模型,如圖3所示[4]。

        在有限元后處理功能中選擇對(duì)電機(jī)運(yùn)行過程中的磁場(chǎng)變化進(jìn)行分析,可以得到該電機(jī)模型的氣隙磁密分布和推力曲線。

        2.2 ? ?電機(jī)解析模型和有限元模型對(duì)比

        將氣隙磁場(chǎng)的解析公式Br在Matlab軟件環(huán)境下編程,并代入電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)參數(shù),即可得到在不同次級(jí)軸向(z)位置時(shí),磁通密度的徑向分量Br沿軸向位置運(yùn)動(dòng)的解析值,如圖4所示。利用有限元模型求得的氣隙磁密分布圖如圖5所示。

        由磁場(chǎng)解析法得到的磁通密度變化曲線反映了電機(jī)的磁場(chǎng)分布,可以看出磁密峰值近似是一個(gè)正弦波的曲線,同時(shí),從整體來看電機(jī)的磁密分布良好,并且平均磁密值在0.6 T左右,與平均磁密值基本吻合。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn),所建立的氣隙磁場(chǎng)解析模型較好地體現(xiàn)了徑向磁密隨著位移的變化過程和取值范圍,與有限元模型得到的氣隙磁密分布圖基本一致,說明了所研究磁場(chǎng)解析計(jì)算方法中磁通密度計(jì)算的可靠性。

        同理,在Matlab程序中也完成了對(duì)推力F的解析方程的編程,得到的推力曲線如圖6所示。有限元模型求解得到的推力曲線如圖7所示。

        推力曲線圖可以表明,采用磁場(chǎng)解析法得到的電機(jī)推力曲線也能夠較好地體現(xiàn)推力取值和變化范圍及變化趨勢(shì),說明磁場(chǎng)解析法用于構(gòu)建電機(jī)解析模型是較為準(zhǔn)確的。當(dāng)然磁場(chǎng)解析法也存在一定的誤差,主要原因是分析中做出了大量的假定,忽略了部分因素的影響[5]。

        3 結(jié)語(yǔ)

        本文提出采用磁場(chǎng)解析法來求解電機(jī)復(fù)雜區(qū)域中的電磁場(chǎng)分布問題,在簡(jiǎn)化圓筒型永磁直線電機(jī)實(shí)際模型的基礎(chǔ)上,通過磁場(chǎng)分析和數(shù)學(xué)推理得到了其電磁場(chǎng)重要參數(shù)及磁場(chǎng)分布的解析計(jì)算模型;并通過電磁場(chǎng)仿真軟件Ansoft Maxwell建立了有限元模型,仿真結(jié)果驗(yàn)證了解析模型的正確性,解析模型與有限元模型存在一定誤差,但誤差均在可以接受的范圍內(nèi)。

        [參考文獻(xiàn)]

        [1] 沈建新,王燦飛,費(fèi)偉中,等.永磁開關(guān)磁鏈直線電機(jī)若干優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2013,28(11):1-8.

        [2] 郭丹.圓筒型直線電機(jī)推力計(jì)算及其設(shè)計(jì)方法的研究[D].沈陽(yáng):沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué),2008.

        [3] ZOU W,ZHU Y D,ZHANG G,et al.Optimization of Cogging Torque for Disc-Type Permanent Magnet Motor Based on Ansoft Maxwell[J].Small & Special Electrical Machines,2015,43(12):10-13.

        [4] 吳蘇敏.基于Ansoft的永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究[D].成都:電子科技大學(xué),2014.

        [5] 黃允凱,周濤.基于等效磁路法的軸向永磁電機(jī)效率優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2015,30(2):73-79.

        收稿日期:2021-04-09

        作者簡(jiǎn)介:付開源(1994—),男,湖北十堰人,碩士研究生,研究方向:軌道交通機(jī)電工程。

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