（电工理论与新技术专业论文）低速永磁直线同步电机电磁场分析及仿真.pdf

：墼竺奎兰堡圭姜些堡圣 a b s t r a c t t h es t u d yo fp e r m a n e n t - m a g n e tl i n e a rs y n c h r o n o u sm o t o rw i t he l e c t r o m a g n e r i e l o ws p e e d ( p m l s m l ) i san e w t o p i c t h ea r i s i n go f r l l l te a r t hp e r m a n e n tm a t e r i a l p r o v i d e sp m l s m lw i t hg r e a tf a c i l i t i e s f o ri t sd e v e l o p m e n t i nt h i sp a p e r , t h e f u n d s m e a t a c o n s t r u c t i o na n do p e r a t i n gp r i n t p i eo fp m l s m la g eo f f e r e d , t h e a d d i t i o n a lm a g n e t o m o t i v ef o r c ca n de q u i v a l e n tp f i n c i p i ea r ea n a l y s e d a n dt h e l l p r o c e e dt oe s t a b l i s ht h ef i v el a y e r sl i n e a ra n a l y s i sm o d e lf o rp m l s m l m e a n w h i l e , m a g n e t i cf l u xd e n s i t yd i s t r i b u t i v ee x p r e s s i o no fe a c hr e g i o nw i t hm o t o rp e r f o r m a n c e p a r a m e t e r s i sd e d u c e di nt e r m so fs u p e r p o s i t i o np r i n e i p i e o nt h er e a s o n a b l e a s s u m p t i o nt h a tt h r e e d i m e n s i o n a le l e o t r o m a g n e t i c6 e l do fp m l s m li sc o n v e r t e d i n t o t w o - d i m e n s i o n a l e l e c t r o m a g n e t i cf i o l d a n dt h e nat w o - d i m e n s i o n a l e l e c t r o m a g n e t i cf i e l da n a l y s i sm o d e li sb u i l t f u r t h e r m o r e , a nm a g n e t i cf i e l da n a l y s i s t 0t h em o t o rr o o d e li sc a r r i e do nw i t l lt h ea p p l i c a t i o no fa n s y ss o f t w a r e o nt h e g r o u n d so ft h er a t i o n a li n s t a l l m e n to fm o t o rp a r a m e t e r s 。t h es e l e c t i o no fa 1 1 口i r i e p a r a m e t e r s ，a n dt h ec o m p a g i s o i lb e t w e e nt h ec a l c u l a t e dr e s u l tb a s e do nd e d u c i b l e t h e o r e t i c a lf o r m u l aa n ds i m u l a t i v er e s u l tb a s e do f t _ f i n i t e - e l e m e n tm e t h o da n a l y s i s s o f l w a g e ，t h eo d r r e c - * u t e s $ o fe l c c t r o m a g n e t i c - f i e l dt h e o r e t i c a lf o r m u l ai se x p l a i n e d ， a n d t h e c a l 稻e s o f e 牡o r i n t h e t h e o r e t i c a l f o r l n u h a i sa n a l y s e d k e yw o r d sp m l s m l ；r a g ee a r t hp e r m a n e n tm a t e r i a l ；f i v el a y 口sl i n e a ra n a l y s i sm o d e l ； f e m ；, d t o r n 1 1 课题背景 l 绪论 低速永磁直线同步电机( p m l s r l ) 的工作原理近似于混合式步进电机，是利 用动子和定子( 转子和定予) 双边开槽所造成的气隙磁导变化的原理工作的。 其性能指标的提高同电机的结构设计和工艺安排有较大的关系。目前世界上美、 德、法、英、日、俄等发达国家已经进行该方面的研究，尤其是日本对此类或相 关电机的理论和实验研究较多乜。”。 1 1 1 直线电机的发展概述 直线电机是一种能够做直线运动的电机，在l g 世纪末与2 0 世纪初就有人从 事直线电动机的研究，1 8 3 1 年世界上出现第一台旋转电机( 天然永磁铁励磁的永 磁电机) ，1 8 4 5 年，由w h e e t s t o n e 研究成功了世界上第一台原始直线电机，1 8 9 0 年美国匹兹堡市的市长首次发表了关于直线感应电机( l i n e a ri n d u c t i o nm o t o r ， l i m 的专利，接着1 8 9 5 年w e a v e rj a c g u a r d 电梭子公司发表了一篇将直线电机 用作织布梭子驱动装置的专利，当时研究直线电动机有两个目的，其一想用它来 推动织布机e 的梭子，其二想用它作为推动列车的动力，但均未获得成功。在以 后很长的一段时期内，虽有少量的研究成果，但都未进入实用阶段，直至5 0 年代 中期，随着核动力的发展。需要抽吸钠钾混合物之类液态金属，于是就产生了作 为电磁泵的直线电动机。1 9 5 2 年，美国最先研制成功钾钠电磁感应泵，1 9 5 4 年 荚国皇家飞机制造公司研制成功双边型直线电机的发射导弹的装置，同时苏联也 发表了熔融电磁感应泵理论，1 9 5 5 年以来，由于控制技术和材料技术的惊人发 展，特别是由于以英国e l a i t h w a i t e 教授为首的一些人致力于直线电机的基础 理论研究，取得了许多重要的研究成果，6 0 年代以来，随着超高速运输系统的 需要，直线电动机在这方面的应用受到了极大的重视，许多国家开展了对直线电 动机的专题研究，于是直线电动机的理论和应用均获得了迅速的发展，1 9 6 6 年 e l a i t h w a i t e 出版了比较系统介绍直线电机的专著 ，以及1 9 7 6 年s a n a s a ra n di b o l d e a 出版了直线电机的 专著 ，从而使直线感应电动机进一步受 到各国的重视。8 0 年代中期，n d f e b 稀土永磁材料问世，其优异的性能及较高的 性价比使其在直线同步电动机中应用得到较大的发展。9 0 年代国外研究单位将 永磁直线同步电动机( p m l s m ) 成功地应用到数控机床卸运输线中西门子公司生 产的用于高速精密机床上的p m l s m 最大移动速度可达2 0 0 m m i n ，最大推力为 6 6 0 0 n ，屉大位移5 0 4 m 。k o l l m o r g e n 公司也相继开发出了无铁芯和有铁芯两种永 磁直线同步电动机，前者可达到极高的动态性能，具有零齿槽效应和零引力的特 点，后者运行时至少可获得8 0 0 0 n 的推力1 。 我国于七十年代初也开始了直线电机的理论研究和应用试验，虽然起步较 晚，但发展较快，特别在直线电机的应用方面取得了很大的发展，如直线感应电 动机驱动的电磁锤、电磁螺旋压力机、减速器、加速器、冷藏砖生产线、电力电 容器环形试验线、自动送料机、炒茶机、选矿机、割蔗机、压铸机、自动窗帘、 煤矿井口的摧车、电动门等。近十多年来，在我国的矿业生产中，直线感应电动 机也得到了迅速发展和推广。且应用技术日趋成熟，应用范围日渐广泛。以直线 电机装各的安全门、摇台、推车机、翻车机、转辙机、阻车机、单轨吊、自动风 门、斜井防跑车装置以及相应的操车电控设备等都已形成了系列化产品。这些设 备占用空间小，搬运、安装、维护、检修、使用方便、运行噪声、机械磨损较小， 整机效能好。 与旋转电机对应，直线电机是一种利用电能产生直线运动的电机，它可以 直接驱动机械负载作直线运动。其最大优点是取消了从电机到工作台之间的一 切中间环节，把工作台进给传动链的长度缩短为零。直线电机可以实现无接触 传递力，没有机械损耗，结构简单，工作稳定，寿命长，容易密封，不怕污染， 适应性强。直线电机的推力体积比大，与控制系统相配合，可以达到位移精度 高，灵敏度高，随动性好，有精密定位与自锁能力。直线电机是一种直接将电 能转换成机械能而不需通过任何中间转换机构的新颖电机。 1 1 2 永磁直线同步电机的研究现状 永磁直线同步电机( p m l s m ) 是一种新型的节能电机，在交通运输系统工业 机床等领域得到广泛的应用。 在直线电机发展初期，直线感应电机由于其结构简单，起动快，馈电方便等 优点，得n t 快速发展，而直线同步电机由于其结构相对复杂，其电磁理论也比 较复杂，同时受一些相关技术的限制，使直线电机的研究相当缓慢。近几十年来 由于新技术新材料的发展尤其是六十年代晚期，对稀土永磁材料的的发现，特别 是铷铁硼永磁，它的磁性能最优，具有很高的剩磁和矫顽力，以及很大的磁能秘， 在各种永磁材料中，铷铁硼永磁是目前磁性能最高的永磁材科随着这种高性能的 永磁材料的出现，永磁电机开始受到重视并以它的高效节能而逐渐得到应用。 永磁直线电机兼有壹线同步电机与永磁电机的优点。九十年代初，国外就提 出了“直线同步电机驱动的垂直运输系统”的构想，并开始理论试验研究。根据 世界己知的研究情况，无论是电梯还是矿井提升系统和其动力源都是采用永磁同 步电机，对于垂直提升系统来说，这是目前最好的方案。目前对永磁直线电机本 身的许多理论和技术问题研究已经相当多相当成熟。河南理工大学电机应用研究 所自1 9 9 5 年正式立题以来以焦留成教授为首的课题组在电机模型，电磁场分析 与控制方面取得了定成果，其精华体现在导师焦留成教授的博士学位论文中， 其研究成果有： 1 ) 在合理假设的基础上，建立了永磁直线同步电动机两维物理模型， 建立了“四层线性分析模型0 为分析研究永磁同步电机提供可靠便利的基 础。 2 ) 在统一分析模型基础上利用麦克斯韦方程，建立了所研究区域磁 场的统一方程。 3 ) 凸极机采用了不同于传统的旋转电机等效电路的分析方法，首次采 用均匀线性区代替实际的磁极区的方法，在此基础上，利用已建立的永磁 直线同步电机统一分析模型与各区磁密表达式，推导了永磁凸极同步电机各 等效电路参数。 4 ) 从设计与运行的角度给出了永磁直线同步电机的各种性能计算式， 还从气隙磁场能量角度导出了一个耨的永磁直线同步电机垂直吸引力的计 算公式。 酃州大学硕士毕业论文 5 ) 提出了“饱和点”线性化方法，采用这一方法可把任意饱和程度的 非线性问题转化为线性问题。给出了电枢反应饱和值与非饱和值的关系式， 从而扩充了等效电路的适用性，使永磁直线电机饱和状态下的问题分析和计 算简化。 6 ) 参考直线感应电机的设计理论，并结合各种参考关系曲线，提出了 新的永磁宜线电机结构设计的方法。 7 7 ) 在四层线性分析模型的基础上，应用电磁场分析理论j 并结合永磁 旋转电机理论，提出了永磁体的设计方案，对永磁直线同步电动机的磁路进 行了深入分析，推导了永磁直线同步电动机的总磁位差与工作点的计算公 式。 8 ) 对永磁体的总磁位差进行了深入的分析和计算。 9 ) 利用四层线性分析模型建立永磁直线同步电机的垂直提升系统的动 态仿真模型，并进行仿真分析与研究。 1 1 ，3 低速电机的发展及研究现状 现代科学技术的发展，对电动机提出了各种各样的要求，特别是自动控制系 统，对电动机提出了更高的技术要求；精度商，反应快，工作特性好，重量轻与 体积小，其中也包括对电动机转速的大小与瞬时转速稳定度的要求。在某些情况 下，希望电动机能够直接输出低速大转矩。在有些系统中为了减少整个装置的重 量和体积，往往采用较高的屯源频率，如果采用一般的交流电机驱动，电动机输 出的转速很高，因此，往往要求降低电动机的转速和增大转矩。 从电机原理上说，一般的同步或异步电机的转速是和极对数成反比的。只要 增加它们的极对数就可以达到降低转速的要求。但是，电动机极对数的增加受到 结构与工艺因素的限制，同时极对数的增加，电机的利用程度也随着降低，体积 与重量显著增加，力能指标变坏。因此增加极对数降低转速的方法只能适用于一 定的转速范围。 为了得到低转速，大转矩，过去一般都是采用机械减速器减速的办法，这使 得整个传动装置结构复杂，增加了重量与体积，特别是常用的齿轮减速器，由于 存在齿轮的齿隙，引起齿隙误差，使装置的精度降低，甚至使系统产生振荡，造 4 成工作不稳定。由于齿形加工不精确，也会使系统的误差增大，并使瞬时转速不 均匀。齿轮的磨损，不仅使误差增加，而且带来寿命和可靠性的问题。采用机械 减速器减速，还存在噪声以及需要润滑与维修的问题。因此科学技术的发展提出 了研究和生产各种低速电机的任务。 无需减速器减速就能直接输出低转速的低速电机，由于没有高速转动的部 分，取消了齿轮传动，可以简化传动机构，提高整个装置的精度与可靠性，消除 由于齿轮传动引起的噪声，维护方便，并可提高使用寿命。因此，自六十年代以 来，低速电机的研制，越来越引起电机科研，生产与使用单位的注意。 目前，已经有许多种不同工作原理和结构的低速电机，其中有的已经得到比 较广泛的使用。到目前为止，对于低速电机的确切定义，还没有明确与统一的规 定。实际上，我们熟悉的交直流力矩电动机，印刷绕组电动机等都可以在低转速 下长期工作，从这点上来说，它们也可以认为是低速电机。但是，一般所说的低 速电动机往往是指那些利用特殊原理与结构做成的低速运行的电动机，他们的转 速范围，在工频5 0 赫兹的情况下，往往可以低于每分钟一百转。在已经研制的 各种低速电动机中，目前比较常见的有电磁减速式电动机，滚切式电动机和谐波 电动机。 电磁减速式电动机是一种交流电动机，它是利用定转子开槽后，气隙磁导变 化的原理而工作的低速电机。根据结构和气隙磁场的作用情况，这类电机又可以 分为许多种。它的基本特点是转速低，瞬时转速稳定性高，噪声小，起动快。工 作可靠，寿命长，与其他低速电机相比具有更多的优点，哉这类电机在国内外得 到了越来越广泛的应用。 滚切式电动机是一种低惯量，低转速的交流电机。它的结构型式很多，但是就 其原理来讲，都是把电机中产生的电磁力和机械上的行星减速原理结合起来，使 输出轴直接得到低转速输出。 谐波电动机是利用电机中产生的龟磁力和谐波减速器原理结合起来得到低 速的，在一般谐波减速器中，柔轮的变形是由谐波发生器的机械力产生的，在谐 波电动机中的柔轮的变形是直接利用电机的电磁力产生的。 在各种低速电动机中使用比较广泛的是轴向励磁的减速电动机和反应式减速 电动机，它们具有以下特点： 1 )结构简单，尤其是反应式减速电动机的结构非常简单，制造方便，价格 便宜； 帮州大学预十毕业论文 2 )没有高速转动和容易磨损的部分对润滑的要求很低，因此，运转平稳， 噪音低，工作可靠，使用寿命长，不需维护，尤其适合在某些特殊条件下使用： 3 )起动，反转以及不同负载时的输入电流变化不大，对电源要求低，可以 在频繁的起动，停止和反转的条件下长期堵转也不会烧坏； 4 )起动，停止和反转的时间非常短。一般在1 0 5 0 毫秒以内，因此可以作 为伺服电动机使用； 5 )如果在交流绕组中持续的通一直流电流可以产生很大的自锁转矩，对永 久磁钢轴向励磁的电动机，即使在定子绕组不通电的情况下，也能产生一定的自 锁转矩； 6 )配以适当的脉冲电源可作为步进电动机使用； 7 ) 瞬时转速稳定度高。 由于以上这些特点，目前这些电动机，特别是永久磁钢轴向励磁的减速式同 步电动机，已经在许多自动化装置以及一般工业装置中得到了应用。例如用于控 制各种阀门的电动执行机构，计测装置，传真机，录音机，自动机床，电极升降 装置，搅伴机等。 永磁直线电机的运行速度与极距和频率成正比。这样对永磁直线电机来说， 要提高电机动子的速度比较容易，如果要实现低速运行，只有减小电机极距或者 降低电源频率。若使用工频( f = - 5 0 h z ) 电源，由于初级有绕组的嵌绕，有最小的 尺寸限制，使得极距不可能太小。所以一般的永磁直线电机实现低速的方法要通 过降低电源频率。永磁直线电机要降低电源频率，可以采用与变频设备配套使用， 从而获得较好的调速范围，但存在如下问题： ( 1 ) 对于低速直线恒速运行的许多场合，例如恒低速传送货物的垂直或水平 运输装置等，变频设各是不可缺少的部分，变频器的存在使整个设备的造价较高； 传统的低速运行设备约9 0 都采用庞大韵齿轮减速机构配套使用，对于车床、 纺织机械等需要直线运行的场合，还要通过传动机构将旋转运动转化为直线运 动，电机采用齿轮及传动装置后，不仅使整个系统的体积和重量增加，噪音增加， 效率降低，而且使传动精度降低，快速反应变差。另外，齿轮及传动装置的磨损 还会带来系统寿命和可靠性的隐患。 ( 2 ) 低频率下永磁直线电机的控制效果不好，比如频率为几个赫兹时，电机 绕组的阻抗不能忽略，功角偏小，容易引起失步振荡，电机的稳定性就变差了。 鉴于上述问题，限制了永磁直线电机交流伺服系统在低速工业场合的应用。 所以探索一种新型的低速直线电机是十分必要的。 1 2 本文的研究内容 本文是根据研究永磁同步直线电机的方法并且综合低速电机的知识通过合 理移植、借鉴来分析低速永磁直线同步电机的电磁场，然后通过a n s y s 进行仿真 分析研究的。 低速永磁直线同步电机是永磁直线同步电机与低速电机的完美组合，其汇集 了永磁直线同步电机与低速电机的优点。目前国内对永磁直线同步电机及低速电 机的物理建模和电磁场理论研究已趋于成熟，这为研究低速永磁直线同步电机提 供了方便。以下是本论文研究内容的综述： ( 1 ) 低速永磁直线同步电机的基本结构和运行机理；在考虑齿槽效应的前提下， 研究低速永磁直线同步电机电枢反应磁场计算模型。 ( 2 ) 研究低速永磁直线同步电机的磁场分析方法。深入分析低速永磁直线同步 电机在三相交流电源下运行时的磁场分布特点。 ( 3 ) 在研究低速永磁直线同步电机运行机理和磁场的基础上，利用计算机仿真 研究低速永磁直线同步电机的数学模型并对其运行特性进行分析。 ( 4 ) 利用五层线型模型分析低速永磁直线同步电机。 ( 5 ) 在研究低速永磁直线同步电机运行机理和磁场的基础上，利用a n s y s 软件 仿真低速永磁直线同步电机的数学模型及运行特性。 ( 6 ) 分析仿真结果与计算结果的误差产生原因。 1 3 方法创新及意义 1 3 1 方法创新 目前国内外对低速永磁直线同步电机的研究还基本上是一片空白，是一个全 新的研究课题，可查阅的资料也非常有限。根据目前国内外的这种研究现状，本 7 郑州太学硕士毕业论文 论文确定的研究方法为： 1 )借助永磁旋转电机已取得的研究成果，合理移植或改进利用。 2 )合理移植“四层线性分析模型”理沧； 3 )应用“四层线性分析模型”理论结合低速电机的特点对低速永磁直线同 步电机建立合理的五层线性分析模型； 4 )引入永磁直线同步电机统一解析理论 5 )应用统一解析理论，利用麦克斯韦方程，对。五层线性分析模型”建立 所研究区域的磁场统一方程； 6 )在考虑齿槽效应的前提下，研究低速永磁直线同步电机电枢反应磁场计 算模型： ”利用有限元方法深入分析低速永磁直线同步电机在三相交流电源下运行 时的磁场分布特点。 特色及创新之处有： 1 ) 低速永磁直线同步电机的参数设置及物理建模； 2 ) 低速永磁直线同步电机的电磁场理论公式的推导； 3 ) 低速永磁直线同步电机的电磁场的仿真分析； 4 ) “五层线性分析模型”分析方法的合理引入。 1 3 2 意义 永磁直线电机是二十世纪下半叶电工领域出现的具有新原理，新理论，新技 术。低速永磁直线同步电机是直线电机发展的一个方向，是“十一五”优先发展 的直线电机和低速电机的综合代表，在工业以及各低速运动的场合具有广泛的应 用。本文正是通过对低速永磁直线同步电机内部电磁场进行深入的研究分析的基 础上建立起其物理模型并进行数学分析，对以后在此方面的研究奠定坚实的基 础。本文的研究对低速永磁直线同步电机的理论发展，实验样机的制造及其实际 应用具有重要的价值。 2 低速永磁直线同步电动机的结构及相关概念 2 1 低速永磁直线同步电机的基本结构与工作原理 2 1 1 低速永磁直线同步电机的基本结构 低速永磁直线同步电机的结构1 啪“1 如图2 1 所示。 低速永磁直线同步电机的初级铁心由硅钢片叠成，铁心上开有齿槽，槽中嵌 放三相绕组，如图2 1 ( 4 ) 所示。当初级绕组通以三相交流电流时，气隙中产生 行波磁场。次级装有一段横向充磁的永久磁钢。磁钢材料为钕铁硼，两端为由硅 钢片叠威的次级，上面开有齿槽，两段次级铁轭相互错开半个次级齿距，如图 2 1 ( c ) 所示。初、次级槽数与初级绕组极对数之间满足如下关系式： 乙一磊；士p ( 2 1 ) 式中乙为次级槽数；乙为初级槽数；p 为初级有效部分( 初级和次级对应长度 部分) 的极对数。取正号时次级运行方向与初级绕组产生的行波磁场方向相同， 取负号时则相反。 ( a ) 整体结构图 f i g ( a ) r h e o v e r a l ls m ，c h l i 口d r a w i n g o f p m l s m ( b ) 初级实物圈 f i g ( b ) t h e p r i m a r y s t r a c t u r ed r a w i n g o f p m l s m l o ： 堡堡查墼塞竺堡尘皇塑堡鍪丝坌堑 。 ( c ) 次级结构图 f i g ( c 】t h es e c o n d a r ys t l u g - i u r ed r a w i n go f p m l s m l ( d ) 端面图 f i g ( d ) t h e e a d v i e w d r a w i n go f p m l s m l i 吾一一磊嚣 ( e ) 正面图 f i g ( e ) t h ef r o n tv i e wd r a w i n go f p m l s m l ( f ) 端面示意图 1 初级铁心；2 初级绕组：3 气隙；4 攻级铁心：5 永磁磁铁 f i g ( 0t h ec n dv i e ws c h e m a t i cd r a w i n go f p m l s m l i p r i m a r y c o 他：2 j l l l a r y w i n d i n g ：3 a i r - g a p ：4 s e c o n d a r y c o 陀； 5 p e r m a n e n t - m a g n e t ( g ) 正面示意图 1 初级铁心；2 次级铁心；3 气隙；4 初级槽；5 次级槽 f i g t h ef i o n tv i e ws c h e m a t i cd r a w i n go f p m l s m l 1 p r i l i i a r yc o r e ：2 s e c o n d l yc o l e ；3 a i r - g a p ；4p r i m a r ys l o t ；5 s e c o n d a r ys l o t 图2 i 低速永磁直线同步电机结构图 f i g 2 i t h e8 t m c , t u r ed r a w i n go f p m l s m l 2 1 2 低速永磁直线同步电机的工作原理 低速永磁直线同步电机的初级三相绕组内通入三相对称的正弦电流后，所产 2 堡圣童篓塞竺垦：呈鍪! ! 璧塑竺堡 生的基波行波磁势作用在气隙磁导上，产生相应的气隙磁场，忽略铁心的开断， 此气隙磁场呈正弦分布。当三相电流相序为a _ c 时，将在气隙中形成以、- - 2 r f 速度直线前进的行波磁场。同时，次级上横向永久磁铁产生的恒定激磁磁势作用 在气隙磁导上也产生相应的气隙磁场。由于初、次级槽数的分布效应，其气隙磁 导波发生变化。为了产生电磁推力，必须使初级行波磁场的极对数和横向励磁磁 势产生的基波磁场的极对数相等。如果次级运行速度正好使气隙磁导波的运行速 度与初级行波磁场的速度相同，这时初、次级磁场就相互作用，产生同步推力， 使电机在同步状态下直线运行。次级的同步速度咋为 咋2 专 式中u 为气隙行波磁场同步速度，；2 坼以为减速系数， k = 土( z , - z d ( 2 3 ) 由式2 1 、式2 2 、式2 3 得 ：丝：f 。， r ( 2 4 ) 式中f 。为次级的齿同距。 由式( 2 4 ) 可以看出，次级的同步速度v 。的大小决定于次级齿问距f ，和初 级电源的频率二而次级齿间距f 。小于极距f ，因此，在不改变厂和f 的情况下， 可使次级同步速度降低为f 。，这样就可以达到电机低速运行的目的。这就是低 速永磁直线同步电机的基本工作原理p 卅i 】。 下面分析次级横向永磁体对电机结构的影响 低速永磁直线同步电机是横向励磁式电机，横向励磁磁势在气隙上是单方向 通过气隙的，这时作用在气隙中的磁势是同极性的，称为单极磁势作用在左端 气隙中的磁势和右端气隙中的磁势方向是相反的。 图2 2 为横向励磁磁势产生的气隙磁通分布。左端气隙中磁导的分布曲线如 图2 2 ( a ) 所示图2 2 ( b ) 表示永磁体作用在左端气隙中的单极励磁磁势兄。由于 在整个气隙中单极磁势凡的大小和方向都不变，因此在它气隙中各点产生的磁 通密度b 应该和气隙磁导分布a 。的波形是一样的，如图2 2 ( c ) 所示，这个波形 可以看成是平均分量。和交变分量占。的叠加。右端气隙中磁导的分布曲线如 ： 垒垒查茎至当耋芝鎏圣 图2 2 ( d ) 所示。由于左右两段次级铁轭相互错开半个次级齿距在左端为齿对齿 气隙磁导最大处，在右端相对为齿对槽气隙磁导最小，所以图2 2 ( d ) 的气隙磁导 分布相对图2 2 ( a ) 移过了半个周期。图2 2 ( e ) 表示永磁体作用在右端气隙中的单 0 m b o 0 ( a ) x 吣f & v 肿1 vv i f c ) b o 0 j 、爪“一 v i 、八 v 酗v k m 图2 2 横向励磁磁势产生的气隙磁通分布 f i $ 2 2 t h e g a p f l u x d i s t r i b u t i o n o f 血a n s v 髓。s c e x c i t a t i o n m a 目a * t i c p o t e n t i a l 极励磁磁势匕图2 2 ( ：d 表示励磁磁势产生的气隙磁场及其平均分量。和基波 分量母。从图2 ，2 ( c ) 和图2 2 ( f ) 可以看出，在左右两段气隙中，励磁磁场的 詈!堡圣童塑塞兰垦茎皇塑丝丝塑坌堑 平均分量方向是相反的，但是基波分量在空间分布的相位却是完全一致的，因此 它们和初级行波磁场作用产生的推力一定是相加的。反之，如果两段次级铁轭相 互不错开半个次级齿距，它们产生的推力将是相互抵消的。 ! ： ： ： ns i y b ) 图2 3 片阃磁阻对气隙磁场的影响 ( a ) 磁通分布图( b ) 气隙磁场在横向长度方向上的分布 f i g 2 3 t h e b a r t o b a r r e l u c t a n c 2 e f f e c t o n a i r - g a p m a g n c l i c f i e l d ( a ) t h em a g n e t i cf l u xd i s m b u t i o nc b ) t h ea i r - g a pm a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i o ni n 胁v e m d i r e c t i o n 低速永磁直线同步电机次级永磁体的横向磁通分布如图2 3 ( a ) 所示。如 果忽略次级轭部磁阻，整个次级磁轭表面为等位面，并假定初级铁心由无限薄的 冲片和绝缘间隙组成，片闯磁阻沿横向长度方向呈线性分布。从图2 3 ( a ) 可以 看出，磁通通过气隙后，在初级铁心中经过的横向长度是不一样的。从次级磁轭 内侧通过气隙的磁力线在初级铁心中经过的横向长度较短，遇到磁阻较小j 外侧 1 5 彗型奎茎璧耋兰兰兰! ， 通过的磁力线经过的横向长度较长，遇到磁阻较大。因此比较多的磁通将从次级 磁轭内侧通过气隙，使气隙磁通的横向分布变锝不均匀。气隙磁场在横向长度上 的分布如图2 , 3 ( b ) 所示。次级磁轭内侧的磁通遇到的片间磁阻小，气隙磁密 高，最高为岛一，齿部磁路容易过分饱和；在次级磁轭外侧，片问磁阻大，气 隙磁密低，最低为b 。，铁磁材料没有充分利用，这样就降低了电机的效率和 材料的利用率。初级铁心越宽，片间磁阳越大，磁场横向分布就越不均匀。这样 就对电机宽度提出了要求。 在图2 3c a ) 中每段次级铁轭的横向长度为，轭间间隙为，初级铁心 长度岛= 2 + 。长度为的初级铁心段的片间磁阻为： 即1 - 如k z 。l i ( 2 5 ) 式中女。为定子铁心叠压系数；s 。为定予铁心硅钢片有效部分面积：“为空气 的磁导率，= 4 ；f x l 0 4 - m 。宽度为段气隙磁阻为： 见= 石1 矗 c z 五， 式中j 为气隙长度；屯为考虑初、次级齿影响的卡特系数。 b ( 即 l 0 5 00 51 x ( c m ) 国2 4 不同r s r f 值时的气隙磁场横向分布曲线 f i 9 2 4 t h ea i r - g a p m a g n e t i c f i e l d n 3 v e d i s t r i b u t i o n “n v e r s p j ! ! 量查璧塞竺垦茎皇垫堡丝丝竺丝 图2 4 为不同惫值时的气隙磁场横向分布曲线。从图2 - 4 可以看出， 当鲁，2 时气隙磁场分布很不均匀为了使气隙磁场分布均匀，提高电机 材料的利用率，要求： 里2 艮 由式( 2 5 ) 、式( 2 6 ) 、式( 2 7 ) n - - j 推导出： 而 所以初级铁心长度乓为： b 焉豸 艚= ( 0 2 2 0 3 5 ) t , 三j = ( 2 ，2 2 2 3 5 ) t , 2 2 永磁材料的性能和选用 ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 永磁电机的性能、设计制造特点和应用范围都与永磁材料的性能密协相关。 永磁材料种类众多，性能差别很大，因而需要对永磁材料进行选择。目前，电机 中最常用的永磁材料有：铝镍钴永磁材料、铁氧体永磁材料和稀土永磁材料。以 下对三种永磁材料分别进行介绍，并针对低速永磁直线同步电机选择所用的永磁 材料。 墼塑耋茎璧圭耋些篓耋 2 2 1 铝镍钴和铁氧体永磁材料 铝镍钴( a l n i c o ) 永磁p 5 】【3 7 】是2 0 世纪3 0 年代研制成功的。当时，它的磁 性能好，温度系数小，在永磁电机中应用较多。6 0 年代以后，随着铁氧体永磁 和稀土永磁的相继问世，铝镍钻永磁在电机中的应用逐步被取代。铝镍钴永磁的 显著特点是温度系数小，r 仅为一0 0 2 k 。左右，因此随着温度的改变其磁性 能变化很小，目前仍广泛应用于仪器仪表类要求温度稳定性高的永磁电机中。这 种材科的剩磁较高，毋最高可达l ，3 5 t ，但矫顽力很低，通常小于1 6 0 1 m m ，退 磁曲线呈非线形变化( 如图2 5 所示) ，且铝镍钴永磁硬而脆，可加工性能较差， 仅能进行少量磨削或电火花加工，因此加工威特殊形状比较困难。 铁氧体永磁材料属于非金属永磁材料，在电机中常用的有两种，钡铁氧体 ( b a o 6 f e ，0 3 ) 和锶铁氧体( s r o f e 2d 3 ) 。铁氧体永磁的突出优点：价格低 廉，不含稀元素、镍、钴等贵金属；制造工艺较为简单：矫顽力较大，。为 1 2 8 3 2 0 k 4 m ，抗去磁能力较强；密度小，只有4 5 2 9 c m 3 ，质量较轻；退磁曲线接 近于直线( 如图2 - 6 所示) 。它的主要缺点；剩磁密度不高，耳仅为0 2 0 4 4 t ， 最大磁能积( 刷d 一仅为6 4 4 0 k d m 3 。因而需要加答提供磁通的截面积使电 1 4 01 2 01 0 08 06 04 0 2 0 2 5 02 0 01 5 01 0 05 0 0 h列mhkam 图2 5 镍钻永磁材料退磁曲线 f i g 2 5d e m a g n e t i z a t i o na u v co fn i c k e l dc o b a l t t m r m a n e r l t m a g n e t i s m m a t e r i a l 图2 6 铁氧体永磁材料退磁曲线 f i g 2 6 d e m a g n e t i z a t i o nc u r v e o f f e r r l t ep c i l n a l a e n tm a g n e t i s mm a t e r i a l 机的体积增大：环境温度对磁性能影响大。剩磁温度系数。m 为 删厂r 呛 叭 卅厂r ”瞄们旺叭么 。堡塞垒璧要彗2 誊耋塑墼鍪竺坌耋 ( o l l 8 n 2 0 ) f 一，矫顽力温度系数为一0 4 0 6 ) 。另外，铁氧体永 磁材料硬而脆，且不能进行电加工仅能切片和进行少量瞎加工。 2 2 2 稀土永磁材料 稀土钴永磁和钕铁硼永磁部是高剩磁、高矫顽力、高磁能积的稀土永磁材料， 但在某些性能上也有较大区别。 稀土钴永磁材料【3 6 1 1 3 3 】是6 0 年代中期兴起的磁性能优异的永磁材料。其特 点是剩余磁感应强度量、磁感应矫顽力以及最大磁能积( 肼) 一都很高。l ：5 型( r c 0 5 ) 永磁体的最大磁能积现已超过1 9 9 k , ) m 3 ( 2 5 m g ，o e ) ，2 ：1 7 型 ( 岛c o , ，) 永磁体的最大磁能积现已超过2 5 86 d m 3 ( 3 2 5 m g o e ) ，剩余磁 感应强度只一般高达0 8 5 l ，1 5 t ，接近铝镍钴永磁水平；磁感应矫顽力日。可达 3 0 0 01 6 0 01 2 0 08 0 04 0 00 h k , , 1 。 。 骂 1 o 翻27 不同温度下钕铁硼永融材料的内豪退磁曲线和退磁曲线 置一日为内禀退磁曲线曰一h 为退磁| i 线 f i g 2 7d e m a g n e t i z a l i n n 口w ea n di n t e r n a ld e m a g n e t i z a t i o na wo f n e o d y m i u m i r o n b o r o n p c m l a n c n t m a g n e t i s m m a t e r i a l i l l d i f f e r t e m p e r a t u r e b i hi si n t e r n a l d e m a g n e t i z a t i o nl l l t v e b hi sd e m a g n e t i z a t i o n6 u t - v e 捧州太学硕士毕业论文 4 8 0 8 0 0 k a m ，大约是铁氧体永磁的3 倍。稀土钻永磁的退磁曲线基本上是 一条直线，回复线基本上与退磁曲线重合，抗去磁能力强。另外稀土钴永磁材料 且的温度系数比铁氧体永磁材料低，通常为一o 0 3 k 1 左右并且居里温度较 高，一般为7 1 0 8 8 0 0 c 。因此，这种永磁材料的磁稳定性屉好，适合用来制造 各种高性能的永磁电机。它的缺点是目前的价格还比较昂贵，致使电机的造价较 高，且稀土钴永磁材料硬而脆，抗拉强度和抗弯强度均较低，仅能进行少量的电 火花或线切割加工。 钕铁硼永磁材科是1 9 8 3 年闯世的高性能永磁材料，它的磁性能高于稀士钴 永磁室温下剩余磁感应强度b ，可高达1 4 7 t ，磁感应矫顽力h 。可达9 9 2 k a m ( 1 2 4 k o e ) ，晟大磁能积高达3 9 7 9 t l m 3 5 0 m g o e ) ，是目前磁性能最高的 永磁材料。由于钕在稀土中的含量是钐的十几倍，资源丰富，铁、硼的价格便宜， 又不含战略物资钴，因此钕铁硼永磁的价格比稀土钴永磁便宜得多，闷世以来， 在工业和民用的永磁电机中迅速得到推广应用。 钕铁硼永磁材料的不足之处是居里温度较低，一般为3 1 0 4 1 0 0 c 左右；温 度系数较高，舅的温度系数可达一o 1 3 k ，以的温度系数达 一( o 6 o 7 ) 置1 因而，在高温下使用时磁损失较大。由于其中含有大量的钕和铁，容易锈蚀也是 它韵一大缺点，使用时需要对其表面进行涂层处理。 另外，由于钕铁硼永磁材料的温度系数较高，造成其磁性能热稳定性较差， 一般的钕铁硼永磁材料在高温下使用时，其退磁曲线的下半部分要产生弯曲( 如 图2 7 所示) ，为此使用普通钕铁硼永磁材料时。一定要校核永磁体的最大去磁 工作点，以增强其可靠性。 2 2 3 永磁材料的选择渊。” 永磁材料的种类多种多样，性能相差很大，因而在设计电机时，首先要选择 适宜的永磁材料和具体的性能指标，选择原则为： ( 1 ) 应能保证电机气隙中有足够大的气隙磁场和规定的电机性能指标。 2 0 堡圣童璧塞兰呈耋皇窒墼璧耋：耋 ( 2 ) 在规定的环境条件、工作温度和使用条件下，应保证磁性能的稳定性。 ( 3 ) 有良好的机械性能，以方便加工和装配。 ( 4 ) 经济性要好，价格便宜。 由于低速永磁直线同步电机要求的磁性能高，稀土低速永磁直线电机以其推 力大、效率高、重量轻、体积小、性能好等优点 4 7 1 ，适应了其发展要求；且我国 是稀士资源大国，目前对钕铁硼永磁的研制居世界领先地位，因而根据上述永磁 材料的优缺点和低速永磁直线同步电机的性能要求，优选钕铁硼永磁材料。钕铁 硼永磁的剩余磁感应强度舅、磁感应矫顽力4 。及最大磁能积( 丑h ) 。都很高， 考虑到加工成本，在磁极结构上采用磁化长度小的矩形永磁体。工作温度时永磁 体的剩磁密度和矫顽力分别为： 耳- 【i 砷_ 2 0 1 裔】x ( 1 - 盖) 。 ( 2 1 1 ) 耻”( f 一2 0 ) 裔】x ( 1 一司l ( 2 ，1 2 ) 式中只。2 0 0 c 时的剩磁密度； l 2 0 0 c 时的矫顽力； 。耳的温度系数；皿4 的不可逆损失率； f 预计工作温度- 2 3 低速直线同步电机的附加磁势问题分析 低速直线同步电机是直线电机发展的一个方向，在工业以及各低速场合具有 广泛的应用，同电磁减速式同步电动机一样基于气隙磁导分布不均匀的原理而进 行工作的【2 】原理上低速直线同步电机( 忽略边端效应后) 可烈看作是无限大的 低速旋转电机的一部分，对低速直线同步电机的研究可以借助于低速旋转电机的 一些分析方法 2 3 ，1 当毛一屯= 土p 时低速直线同步电机的附加磁势 在气隙均匀时，直线电机的气隙比磁导a m = 譬是恒定不变的，气隙磁场的 波形完全取决于磁势的波形，由于气隙磁通分布满足磁通连续性原理，也就是从 初级进入次级的磁通总是和从次级返回初级的磁通相等根据磁路定律气隙磁势 完全用于克服经过气隙的磁势压降一般计算均匀气隙磁场的公式为 4 “： b “) = f o ) a ；。= 警c o s p ( 2 1 3 ) v i 在气隙不均匀情况下，计算气隙磁场，一般不能直接按上式计算，这时就要考虑 到可能出现的气隙磁势的重新分配为了说明问题，以满足毛一z 2 = p ( 其中毛、 毛分别表示电机定、转子齿) 关系的低速直线同步电机为侧进行分析说明 满足毛一屯= ，关系时的低速直线同步电机，如果只考虑气隙的基波磁导， 气隙磁导公式( 不考虑边端效应) 为： a j ( 功= a o + a l c o s p x ( 2 1 4 ) 设基波磁势分布轴线和d 轴重合时，d 轴的磁势可表示为： ，( 功= f o c o s p x ( 2 1 5 ) 在不考虑气隙磁势重新分配时按公式(