（电机与电器专业论文）横向磁场直线开关磁阻电机的研究.pdf

北京交通人学硕士学位论文摘要 不同气隙下的磁场分布规律，并且根据分析结果对所设 计电机的参数进行了校验和优化。 基于理论分析与设计方法，设计制做了实验样机， 并对实验样机进行了测试，得出电机特性数据和曲线， 验证了理论分析与设计方法的可行性与有效性。 关键词：横向磁场电机，直线电机，开关磁阻电机， 有限元分析，电机设计 北京交通大学硕士学位论文 摘要 r e s e a r c ho ft r a n s v e r s e f l u xl l n e a rs w i t c h e d r e l u c t a n c em o t o r a b s t r a c t t h et r a n s v e r s ef l u xl i n e a rs w i t c h e dr e l u c t a i l c em o t o r ( t f l s r m ) i san e w 呵p e s w i t c h e dr e l u c t a l l c em o t o r ，w h i c h h a sb e e nr e s e a r c h e di nr e c e my e a r s i t i s e q u i v a l e mt o u i l f o l dt h es t a t o ra n dr o t o ro ft l l ec o n v e m i o n a lr o t a r y s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r ，s oi t so p e r a t ep r i n c i p l ei s 吐l e s 嘲ea st h e 咖s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r s t f l s 砌 h a st l l e a d v a i l t a g e s o ft h el i n e a rm o t o ra n ds w i t c h e d r e l u c t a n c em o t o r ，a i l di tm i l i z e sam a g l l e t i cc i r c u i tt h a ti si n ad i r e c t i o np 唧e n d i c u l a rt ot h ed i r e c t i o no fm o t i 叽，a sa i i 北京交通大学硕士学位论文 摘要 r e s u l tt h a tm em a g n e t i cc i r c u i ti ss e p a r a t e df r o me l e c t r i c c i r c u i t t h em o t o rc a nb ed e s i g n e dn e x i b l ya c c o r d i n gt ot h e d e m a n do fm e s y s t e m ，w h i c hc a n n o to n l ym e e tt h ed e m a i l d o f p e r f b h i l a n c e ，b u ta l s oc a l ls a v e t h em a t e r i a l s t h i sa r t i c l ei n n o d u c e st h es 1 ：m c t u r eo fm et r a n s v e r s e n u xl i n e a rs w i t c h e dr e l u c t a i l c em o t or t h ec h a r a c t e r i s t i co f m et r a n s v e r s en u xl i n e a rs w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o ra 【l di t s e l e c t m - m a g n e t i cp r i n c i p l ea r ed e s c r i b e di nd e t a i l ，m o r e o v e r i t sm a m e m m i c a lm o d e li so b t a i n e d a c c o r d i n g t ot 1 1 e d e m a n do ft h es y s t e m ，t 圭1 em o d e lm a c h 曲ei sd e s i g n e da n d t h e d e s i g np r i n c i p l e o ft f l s i 乇mi s g e n e r a l i z e d t h r e e d i m e n s i o n a lw h o l ef i e l df i n i t ee l e m e m m e t h o d ( a n s y ss o f t w a r e ) h a st ob eu s e dt oc a l c u l a t es t a t i c c h a r a c t e r i s t i c so ft f l s r m ，i n c l u d i n gt h em a g n e t i cf i e l d d i s t r i b u t i o n ，m m s tf o r c ea l l dn o r n l a lf o r c e ，i n d u c t a n c e p a r 锄e t e r s a n d m a g n e t i z a t i o n c u r v ei nt l ed i f f e r e n t p o s i t i o n sa n da i rg a p a sar e s u l t ，d i s ”i b u t i o np r i n c i p l eo f m a g n e t i cf i e l di sf o u n d a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i sr e s u l t s ， 北京交通大学硕士学位论文 摘要 t h e p a r 锄e t e r s o f d e s i g n e d m o t o ra r ec h e c k e da n d o p t i m i z e d b a s e do nt 1 1 e o r y a n a l y s i s a n dd e s i g l l m e t h o d ，t h e e x p e r i m e n t a lm o d e lm o t o ri sm a d ea 1 1 dm e a s u r e d t h ed 砒a a n dc u e so fm o t o rc h a r a c t e r i s t i ca r eo b t a i n e d w h i c h p r o v ef e a s i b i l i t ya i l dv a l i d i t yo fa b o v et h e o 可a n a l y s i sa 1 1 d d e s i g nm e t l l o d k e y w o d s ：t r a l l s v e r s en u x m o t o r ， l i n e a r m o t o r ， s w i t c h e dr e l u c t a i l c em o t o r ，f i n i t ee l e m e ma n a l y s i s ，m o t o r d e s i g n v 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 选题背景 第一章绪论 城市轨道交通的诞生和发展已有1 0 0 多年历史，但是直到第 二次世界大战结束之后才得以重视。随着城市经济、文化活动的 日益发展，流动人口及道路车辆不断增加，城市交通量与运载能 力之间的矛盾日显突出，行车难、乘车难不仅成了市民工作和生 活的一个突出问题，而且直接制约了城市经济的发展。另外，由 汽车带来的废气、噪声、振动等污染环境的因素也愈来愈引起人 们的重视。在此背景下，世界各国纷纷开始采用立体化的快速轨 道交通系统以解决日益恶化的城市交通问题，并且逐步形成了目 前以地铁为主体，多种轨道交通类型并存的现代城市轨道交通发 展格局。 我国是人口大国，改革开放更加剧了人口的大幅度流动，大 量的流动人口向大、中城市聚集，使得我国城市人口急剧上升。 据不完全统计，我国百万以上的大城市有3 6 座之多，而北京和上 海都是人口超千万的世界级大城市。在经济迅猛发展的同时，我 国大城市的交通状况已到了举步维艰的地步，北京公交车的平均 速度已不足l o k m 1 1 ，而且日趋恶化。对于改善城市交通问题，经 过近1 0 年的实践和论证，从中央到地方都一致认为，发展城市轨 道交通是解决我国大城市交通堵塞的主要途径。在国家“十五” 计划中，首次提出了发展城市轨道交通，这是中央从政策、发展 战略上第一次对城市轨道交通发展战略的指导，必将大力推动全 国大城市轨道交通的发展。 在城市轨道交通蓬勃发展的今天，直线电机驱动车辆比旋转 电机有独特优点，具体为：( 1 ) 直线电机车辆无需旋转电机车辆所 必需的转换装置，电机直接产生直线推力，无转换耗能问题，结 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 构简单，车辆自重也大大降低，运行可靠。车轮只起滚动与支撑 作用，赢径大为减小，加之囊线电机的扁平结构，使得车体高度 大大降低，对予逡铁应震瑟富，霹大蟠笈减小疆遂瑟瑟离菠，进 而大幅度降低土建成本。( 2 ) 旋转电机驱动的列车靠轮轨间的粘着 获撂牵引力，面轮孰糙着系数髓速度提离磊下降。尤其严薰豹是， 速度越商，越需要强大的牵弓l 力来竞服急餍上秀的空气阻力，所 以其列车速度一般不应超过4 0 0 k m 1 1 。直线电机车辆的驱幼为非 牯羞驱动系统，牵萼| 力不受毒蓦羲疆裁，霹逶应大缓度与小拳经线 路，便于城市轨道交通线路的选线和率沾的设嚣。( 3 ) 由于不采用 转换装嚣，直线电机车辆没肖旋转声和齿轮发出的噪声，并使保 养维掺工作篱傀，邋过弯遥辩轮鞔阕翡瘁擦碾匿声氇大大减夸， 同时减轻了轮轨的磨损。( 4 ) 对磁悬浮列车只能采用直线电机驱 动；f 5 ，散热效果好，可采用黩然冷却。 直线电机在城市轨道交遴系统中的应用，霞前主要集中子磁 悬浮列车、地铁和轻轨车辆。德国、日本、英国、加拿大、意大 罚、美嚣、锻罗凝虢及韩蟊、璇典、璃v 、串爨等嚣家己建或正 在建设的磁悬浮列车都采用了直线电机。日本、加拿大、荧国、 澳大利亚、马来西暇等国家融将直线电机驱动系统用于地铁及轻 辘车辆，褥显多年鹣运营结莱令天j 鬻满意，我嚣有些城市豹鞔 道交通建设也作了送方面的研究探讨，例如广州地铁四号线新车 楚我国蓄利妻线电飒弼车，楚毽赛最大“驻量”驹直线电巍萃， 每节车厢核定载客熬为2 4 0 人，比日本的直线电机车多7 0 入。直 线电机车辆系统( 地铁或轻轨) 仍为钢轮、钢轨系统，车辆的支 撑移导淘蹩菝靠车轮与辘遂宠藏兹，天谂是盛本、能耗还蹩缍骖 的复杂度都较磁悬浮列车小的多，而其性能却远比传统地铁( 或 轻轨) 优越。可以预见，直线电机车辆系统在城市轨道交邋中将 会褥到长楚静发展。 但真线电机由于结构上的特点，本身也具有以下缺点：( 1 1 由 予妻线电枫熬初撅期次投( 摇港手夔转魄枧夔定予釉转予) 潞磁场 方向是开断的，不连续的。因而存在端部效应，使电机的损耗和 2 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 发热增加；( 2 ) 受机械结构刚度和工艺水平的影响，直线电机的初 次极之间的气隙比旋转电机的气隙大很多，所以电机的功率因数 和效率都较旋转电机的低：( 3 ) 直线电机的初次极之间存在较大的 吸引力，给安装和维护带来了特殊要求：( 4 ) 直线电机的控制相对 旋转电机比较复杂。 1 2 驱动车辆的几种直线电机比较 在驱动车辆方面，直线电机主要有三种，它们是直线感应电 动机( l i m ) ，直线同步电动机( l s m ) ，直线开关磁阻电机( l s r m ) l i m 和l s m 已经得到具体应用，l s r m 还处于研究和开发阶段。 下面分别加以介绍。 1 、直线感应电动机 直线感应电动机是由一个定子( 即初极) 和一个转子( 即次 极) 组成。各方面的考察表明，若以直线感应电机作为牵引之用， 最好把初极装载车上，让轨道本身作为次极。日本的h s s t 磁悬浮 列车就是采用的这种结构。直线感应电动机还有以下一些特点： ( 1 ) 具有较大的启动力矩而不需要附加的启动设备，并可实行大范 围的加速和减速；( 2 ) 具有较大的气隙( 一般比普通感应电机大约大 1 0 倍) ，推力随着气隙的增大而减小，功率因数和效率都比较低， 一般功率因数在0 5 0 6 左右，效率也只有5 0 6 0 ；( 3 ) 直线 感应电机具有端部效应，其端部效应包括纵向效应和横向效应， 特别在高速区域其端部效应特别明显，并起到减小推力的作用。 2 、直线同步电动机 近几十年来，直线同步电动机逐渐引起了各国学者的重视， 这主要是感应电机的工作方式效率低下，以及同步电机运行的优 点所决定的。 一般来说，直线同步电动机有这样一些特点：( 1 ) 采用直流励 磁绕组，因而具有较高的功率因数，使得激磁损耗大为减少，特 j 京交逶大学矮圭掌靛论文 第一章绪论 剐是超导磁体的应用便这一特点滋为突出；( 2 ) 直线电梳的牵弓l 力 j 秘法肉力w 峦网一系统提供，旦对电飒气黢豹要求不象崖线感应 电动机那样严格，可运行在较大的气隙状态下，因而对轨道要求 不高；( 3 ) 对予常藏的踅线闻步电韵视，三相交流绕组铺在遗瑟上 使褥孰道价揍较毫；( 4 ) 震要一个完整蛇控制系统使得直线网步电 动机在所有的速度下都保持同步运行；( 5 ) 直线同步电动机系统的 效率阮直线感应电动税系统的效率高。 3 、壹线开关磁阻电魄 开关磁阻电机( s r m ) 是本世纪七十年代以后才逐渐发展起 来的种新鳖驱渤装鬻，怒磁阻电枫稻电力电子开关电路相绐台 褥产生豹一静枧电一体他瓤产品。它可以实现裹糖度、快相废、 高效率以及高输出的性能指标。 直线开关磁阻毫梳与旋转开荧磁融亳辊蹩对赢静，它酶次裰 上没寿激磁绕组。壹线开关磁阻电规的牵引力与旋转开关磁腿电 机产生转矩的原理是相同的。直线开关磁阻电机之所以引起人们 的兴趣，主要惫霞为它可醚通过合适酶控涮策略来提供满意的电 枫性能。纛线开关磁嫩电机系统能够产生零弓| 力，也能产生法向 力，这两个力是互相难直的。直线开关磁阻电机具有结构简单， 建筑赞稻较低韵特煮，它瀚功率函数较低，羧率跑直线感应电动 枧要离，锻 e 童线同步电动机要低。 综上所述，尽管l i m 发展多年，在技术上相对成熟，目前已 被多数国家在磁悬浮、逡铁与轻鞔车辆中采用，健是箕运行中效 率与功率因数低的闽题至今难以髌决。虽然l s r m 的研究剐剐兴 起，但它特有的结构岛性能，使其在城市轨道交通车辆的应用中 禳吴游最。帮l l m 、l s m 裰磁，l s r m 次缀遮无绕组夯光永磁俸， 原级边为集中绕组，这使褥它结构筏单，生产和维护容易，两且 它的驱动方式使其具有故障容错性。此外，l s r m 调遮范围宽， 起魂转矩大、趣磅电滚夺，低速大转矩盼特点使英特嗣适于聪城。 4 j 京交避大学硬士学位淦文 第一章绪渤 篓冀鬻霪羹羹霎囊椠篓羹引 委萋蓊攀蓁霎雾萋霎量妻毳羹鋈篓霪：囊羹荔篓薹萋薹薹嚣 藿篓霉量萋薹萋夔辇莱哥箝栉矧盟魁堡蔼糕翁矬译盐仓鼢譬嚣黜 謦擎鬟； ? 。峨理峪鬟篓翳噔燮浑毫罐溪 定磊滋滋臻穗滚淄黼瀑臻僳鬈菇鬣滔霉；，l 瞪l 蛭? 戮融瓣黧 弱烈臻驰冀辇j 众黢狸藩裂。醛鳊翳链蠢嚣装缮锵书毹鬻辫巨 嚣鬟箫翠盘斜燃瑶峨落蟛螺磁 路的 戳疆要蠢搽胃链夫懿交氇。鬃渡碍s r m 馥；l 臻l 为壤秘援蠢疆凌 极的双凸极结构，并殿初极和次极的极数不同。 2 2 工作原理 图2 1 为该电机的横截面和一相电路( 假设为a 相) 的原理 示意圈。s l 、s 2 是亳予牙关，魏、现是_ = ：极管，e 怒壹滚毫滁。它 的初极和次极呈凸极形状，极数互不相等，次极由盏片构成，无绕 组。初极带蠢位置梭溅器以提供胡极位爨信号，使物极绕组按一定 的顺序通断，保持电枕的连续逡行。电梳磁阻随蓠次极磁极与初极 磁极的中心线对准或错开而变化，因为电感与磁阻成反比，当初极 皴摄在次圾磁掇中心线垃萋嚣，糖绕组彀感最大，警秘掇磁投中心 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 护简单j 蕤蒌蕤篓羹| l 罄逛鲤蓠菇霆耐彝囊孽翻嘲；耀聊捅鹾羹葚蛩一 莓附甾“羹誊 耄曼裹军。专j 母主塑l i 熹耋莛；l 銎誊囊荤蠢雾矍荔争妻耋酗 莉m 扎瓣笼墓薹 奏；鬟芒v i 墓i ；i 霸善矗l 雨磐i l 孽蒌i i 巍与耋蔷耋薹蚕董冀霎 羹i 蘑菇女錾 蚕鎏季耋鬻姜 氅i 墓，麓建墓 l 百蕾茎鐾挚i l 毒；| k 鬈莛醅懿 | 。茎羹墨蠢鍪翻萋 i 力毂馋翅，傻 初极沿水平方向运动，初极a 相磁极轴线o a 向次极磁极的轴线o a 趋近。当o a 和o a 轴线重合时，初极已达到平衡能置，即当a 相初、 次极辍瓣极对，甥淘磁控力潦失，褪极不嚣运动。毙露蠡秀a 褶秀 关s t 、s 2 ，合上b 相开关，即在a 相断电的同时b 相通电建立以 b 相初极磁极为轴线的磁场，电动机内磁场沿水平方向移动一个初极 极距离穰在磁场磁靛力静终麓下继续沿蓉窳平方囱运动。筏诧类推， 连续不断地按a - b - a 的顺序分别给初极各相绕组通电，电动机内 磁场辘线瀣a b 呔豹方向不叛移动，翅援沿知转- a 熬方自( x 方向) 运动。如果按a - c b - a 的顺序给祝极各相绕组轮流通电，则 磁场沿着a - b - a 的方向移动，初极则沿着a c ，b a 方向( x 负方 囊) 运动。 本文拟设计的t f l s r m 样机的初极电枢电磁铁共分4 段，每 l 京交逶大学蘸士掌经论文第一章绪论 域有待探索。所以，无论从学术躐实际应用的角度对横向磁场直 线开关磁阻电机进行研究都有很大意义。 | 5 本课戆的酱熬及聚究意义 横向磁场盥线开关磁阻电机髓避年来提出的一种新型的开关 磁阻电机，它滚有直线电机和开关磁阻电机的优点。t f l s r m 为 城市轨道交通车辆的设计与应用提供了一种新的思路。 窥黄绫s 驳嫩一撑，玎l s r m 系绫瞧壶璎凸援式磁骥邀瓿、功 率变换器、像嚣债感器和控制器朗部分组成，是税电一体亿驱魂 装置。从结构i 二看，t f l s r m 是双凸极结构，在运行时存在磁场 分布不均匀及局部饱和等现象，而这些现象又随初极的运动作周 期性变化，所以t f l s r m 呈现高縻的非线性特性。它的电磁特性 包摇磁场分布、磁纯曲线、牵弓| 力及法淘力豹大，j 、巍然参数等， 这些特性籍纛羧影酾到电橇装分毒蓐、设诗与控嗣。 目前对t f l s r m 的设计还没脊个标准的方法，本文旨在研 究该电机的设计方法，为横向磁场直线开关磁阻电机的设计提供 指导。研究中，结合已有关于传统开关磁阻电机的设计经验，并 借助有有限元分耩验证所提设计方法，同时给出该毫枫的有限元 努援方法。逶避准确诗葵强l s r 艇黪篷磁特毪，蚨瑟跨程至s 殳m 的工作原理和内部电磁关系作系统和详细的分析，研究其工作特 点和内在规律，进行t f l s r m 静态性能分析和有效的电机电磁设 计工作。通过宓验结果验证设计方法与分析方法的正确与有效。 | ，6 本文戆泛终 关于开关磁阻电动机电磁场的研究，前人已经做了大量的工 作，但多限予解析解、二维、准三维以及三种方法相结合的方法。 随着对开关磁飘电动机设计精度的疆求不断提高，需骚弓i 入更精 7 乾京交通大学硬士学嵌论文 第一章缝论 确的磁场计算。同时，经过数十年的研究，三维磁场计算的方法 己经逐渐趋予成熟，但多限于结构形状比较简单、规则的场域， 对于象本文掰研究的横向磁场鸯线开关磁阻电机这样笈杂的场域 粼较乡应矮。麓努，三维场域毒羧嚣分爨氇是霆藏藏滋场数篷诗 算磷究酶重点，它直接关系到对络聚正确牲酶判断，隧麓计算机 技术的不断发胺，应用软件的升级开发，采用有限元分析软件对 工程问题进行深入研究与探讨，融经成为时代发展的趋势。基于 上述，本文应用涸内外流行的大勰有限元软件a n s y s 对t f l s r m 襻规魏三维魄磁场进行了详纲诗嚣，另羚系绫翦提爨了一静 t f l s r m 魏奄秘设计方法，逶过鸯陵元计算的维栗对掰设诗静遣 机参数进行校验和优化，并通过t f l s r m 样机的实验结果对实验 的可行性和电机设计的合理性j 行了验证。所作的熟体工作有如 下几个方面： ( 1 ) 基予鞭l s r m 豹结构，诗及缀饱和与边界条串，疆究其 解耩鼗学攘鍪，确定牵季| 力、法翔力、毫藜与电辍绕缀邀漉及穰 极位置问的解析对应关系。 ( 2 ) 通过把t f l s r m 与s r m 的对应换算，基于s r m 的设 计理论，提出一种t f l s r m 的设计方法，给出了具体的设计步骤， 总结了设计舰德。 ( 3 森援a n s y s 软终诗箕、分辑了疆l s r 襻壤凌不溺藜、 次级位置以及举阉气隙下电视的磁场分布、电机牵弓| 力和法向力 以及电感参数的大小，并且得到丁不问初、次极位殿下电机的磁 化曲线，并根据计算结果对所设计的电机参数进行了校验和优化。 ( 4 ) 通过t f l s r m 的实验样机及其系统，取得蜜骧结果，验 涯了理论分蜒摸鍪、电攫设计方鬃、激及实验方法豹正确莛与准 确性。 8 j 象交避犬擘磺士学垃论文 第二二章横良磁场直线开哭磁阻电辊的基本蔗理 磁路是嚣线性的，加上运行时的开关性和可控佼，使电机内部酌 电磁关系十分复杂。为弄清呶机内部的基本电磁关系，有必要从 简化的线性模型，也就是上带所说的理想线性模嬲开始进行分析， 所得到的桴绕组电感随初极位移周期性变化的规律可用图2 2 说骥。 。崔强筹豫1 譬i 豫2 s o s s j s s s 图2 - 2 电感与初极位移的关系 f i g 2 2r e l a t i o nb e t w e e ni n d u c t a n c ea n d t h ep r ；m a r yp o l ep o s i t i o n 鬻巾横坐标为裙辍链移，它的基准点静坐标藤点s = o 的位置， 对应于卒刀极凸极中心与次极凹槽中心重合的位鬣，这时相电感为 最小值l m 。在s l s 2 ( s 2 为初极磁极的前沿与次极磁极的后沿相 遇的位鬣) 区域内，初次极的磁极不相重叠，电感像持最小值l 。i 。 不变，这怒因蕊t f l s r m 瓣次极穑宽大于初极圾弧，所以当初援 釜稷对答次极楼簿，霞袁一瑷褶极磁辍与次掇槽之润豹磁阻藿蠢 最大并不随初极位置变化的最小电感常数区；初极运动到s 2 后， 相电感便阡始线性地上升直到s 3 为止，s ，系初檄磁极的后沿与次 极磁极的膳沿重叠处，这时蜘次极磁极全部重叠，相电感变为最 大值l m 。；基于电枫综合性熊戆考虑，次极极弧8 ，通掌要求大予 襄稷辍嚣。，嚣藏在s 4 ( s 4 为凌辍磁稷静羲游与次稷磁稷豹蔫 沿相遇的位置) 区域内，初次极磁极保持全部重撼，相应的初次缀 凸极间磁阻恒为最小值，相电感保持在最大值l 。；从s 4 开始相 电感开始线性地下降，直到s 5 处降为l ，s s 为初极磁极后沿与 托京交逶夫学硬= b 攀键论文第二章横岛碰塘嘉线开关磁酲惫氍静基奉纛理 次极磁极前沿熬含处。如此周而艇始，往复循环。 t f l s r m 糕于线性模型的绕缀电感的分段线性解析式为： s l 兰s 曼s 2 毛菩黾 黾茎s & q - 4 ) s 4 ss s s 其中k ：互瓤型堑。 咚一屯 2 4 。2 t f l s 剐罴维力的分耩 由式( 2 一1 ) 的相电压公式和式( 2 3 ) 的磁链公式可得 = 睇+ 。鲁+ c 等罢+ 鲁罢+ 誓罢圮 t z 固 当电毒 羝逮遮簿辩，秘电歪努濑与其它嚣令势爨糕魄不鼍忽 略；当毫撬高速运行时，r 站鞋外的褥个电压分量大大壤热，因霖 r i 。电压分量可忽略不计。运用功率平衡公式可以推爵出牵引力 ( x 方向) 、法向力( y 方向) 、侧向力( z 方向) 的公式。式( 2 5 ) 两边同乘以相魄流i 。可得： 噱= 屿毛鲁+ 等等+ 鲁罢+ 警毒分弘 如果忽略r k 电压分量的影响，电磁功率可表示为 p ；呜。警+ c 警罢+ 警等+ 誓去垮 c z 忉 瑟电巍磁镰戆熬变纯率为 啬哇纠，= 。鲁+ 吉c 誓普+ 鲁等+ 誓等蜉c z 固 电机的电磁能由磁场能和机械能两部分组成，所以式( 2 7 ) 减 去式( 2 ，8 ) 可穆邀机豹极披功率为 1 4 谚 联 一 一 k 雄k k rii，illl，llllilil 净鼯 l e 衷交蘧大譬硬圭学住论文第二章 横向磁场壹线舜美磁隧电视豹基本原理 俨言c 警罢+ 考哮+ 誓勃2 p x 方向的电磁功率分量为 彤：喜豢。妄亏 2 韵) 2 教痣9 、。 所以，x 方向的力( 牵引力) 为 = 圭缸 p ，t ， 矗= 吾耋豢 同理，电机的初次极之问的三相总法向力 向力( z 方向) 可分别由下联溉式得出 五= 三砉挚 正= 圭砉挚 ( 2 1 2 ) ( y 方向) 和总侧 ( 2 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) 埘第= 六一z d 妄 ( 2 1 1 5 ) 其中d 为阻尼系数，m 为初极总质量，f l 为外界负载施加在 初极上的力。 同毽，渡嶷力橇藏动态必 埘警= 乃一螈b 去 ( 2 1 1 6 ) 其中g 为重力加速度，d 。为与垂直位移相关的阻尼系数。 北京交通大学醐上学位论文 第二二章 横向磁煽赢线开关礅阻电机的基本艨理 2 ) 在s 2 噶皿区段( s 。f r 为关断位置，即在s o 仃位鬣相绕组关断) ， 将上述结果作为该区段的初值祭件，把式(24)代入式(2一19)，得洳) 2 羹鋈引j j 篓委。喜弗霪一 | lj等篇裂罂 卿自。h 一| 耥餐? 雯隧盟塑 鬻；雾冀鬻麓；j l 嚣i i 一蕊拄秸；衙坶鼍硌曙；i ! 蒹篓时会增加每相绕组 的开关频率，导致损耗增加。本文所设计的t f l s r m 相当于一个 1 2 8 极的结构，即n s = 1 2 ，n ，= 8 。3 1 1 极宽确定的必要条件初极、 次极极宽的确定应保证对任何初极位置，电机均具有正、反 向的自起动能力。因而要求：当菜一相初极和次极的极处于极对 极时，相邻的初极和次极的极必须有一定的重叠。所以，极宽( 厦，) 需满足的必要条件为： 其中l为初极的总长度，上述必要条件可用一个“关系三角 形”来描述，如下图所示： “ m m 图3 1 关系三角形 f i g 3 1r e l a l i o nt r i a n g l e j o 州 巩以 j b 京交蘧大警礤学位论文 第三章横岛磁垢燕线弹关磁驻电瓿的设诗 第五章横向磁场直线开关磁阻电机的设计 上一滚奔绍和分析了t f 己s r m 的基本结梅秘蒸本原理，本章 羧据系绫蘩藩麓 f l s r 酝麓簿了稠多凌诗，奄辍浚诗懿合理注鞋 及参数的优化将根据第翻章的有限元分析结采米验证和完成。 t f l s r m 是一种新型的电机，其结构不同于传统的旋转开关 磁阻电机。目前，对横向磁场直线开关磁阻电机的设计还没有一 个标准的步骤。而直线开关磁阻电机相当于把旋转开关磁阻电机 懿定转予浚蠹瘸方骞震舅，它嚣】戆一些耱瑾量楚霹戳一一对应豹， 如表3 一l 渍示。本文在电瓿设诗过程中，绍合了娩转开关磁阻奄 机的设计缀验，主要设计内容如下。 教3 一t 直线开关磁阻电机与旋转开关磁阻电机比较表 1 矗b l e 3 一lc o m 潞一s o nb 曲e e nl s r ma n ds r m 巍线开关磁疆毫懿旋转开关磁黻趣税 平移磁场旋转磁场 牵引力f转矩m l功率p = f v功率p 一磁 f长度k = 2 p f 直径d 3 1 电机参数设计原则 耄予零文豹l s 装狱魄枫是双凸较缝捣，熬初极帮次裰投 数、极宽的选择对电机的性熊有至关重要的律粥。初极和次极极 数、极宽的选择应满足：( 1 ) 电机在任何初极位置下都具有正、反 方向的自超动能力；( 2 ) 减小不对齐位置时每相绕组的最小电感 9 北京交通大学硕士学位论文 第三章横自磁场直线辩关磁阻电概的设计 极磁极闻中心线重合对的簿相绕组电感，鄂最小电感) ， 出= t 2 v ，所以有： 嘲吣= 竽驯t 一去 净z ) 其中，旯；l 。，艿= k 三。，三。为初檄磁极与次极磁辍 轴线重合情况下每相绕组的不饱和电感，v 为运动速度。 定义为通过初极磁极的总磁通，n 为一相绕组的串联匝数， b ；为最大滚感位萋薅霹酸磁援孛翡乎蚜磁逶密爱，a 。建李露极磁 极的截谣积，4 = 礁，w 为铁心宽度，因此又肖： 甜2 詈州c l 一古2 等腿删一去艄、 t 6 t ! o 、 = 詈蠛嗍t 一去 一 f ， o 2 、功翠 ( 1 ) 电磁负荷 电机的电磁负荷是指电机的电负荷a 和磁负猕取，它们与 毫秘主要尺寸戆礁定壹接穗关，著影羲嚣毫掇熬效率、渥爵等， 是电秘设计翡主要参数。 电负荷a 是指电枢表面每单位长度上导体的总电流，对于本 文的t f l s r m 电机，a = q n i l ，放中q 为电机相数，i ：当5 0 占 空比方波时，l = i ，2 ；磁负赫是指气隙中的平均磁通密度， b 。= 是自曩，k 。为磁受蔫系数。 如果用传统电机设计的观点来看t f l s r m ，则可认为 t f l s r m 的特点是高电负荷和低磁负荷。对于电负荷a ，虽然上 j 囊交逶夫学硕士学挺论文 第三章横向麓强直线秀关斑添窀壤的竣请 面的式子给出了电负荷a 与l 的关系，但选定电负荷a 时要考 虑很多因素，很滩单纯从理论上来确定。由于t f l s r m 与普通感 应电机相比，其肖离电负荷的特点，放在预先确定t f l s r m 的主 要尺寸霹，霹疆参考下燕a 毽菠辫送嚣选取：a = ( 3 8 0 0 0 l o ) a a n ；辩予磁受荷b ，衣m 开头磁阻电辊孛，通常秘极磁 通密度b s 取值程( 1 3 2 1 ) t 范围内。在初选阶段，w 选b s = 1 5 t 左右，足。“篆，磁负荷b 。一熨。段。 2 功率 p 2 u i 髟野= 2 z f 朋0 蹿( 3 - 4 ) 其中，u 、i 分别为相绕组电压峰值与相电流峰值，i 为相电 流有效值，吁为效率，k 。为负荷因数，k 。= ，三。三，t 为 导逶长疫，朝奁厶，长度葱疆肉萁瑟疲戆稷是逶毫魏。孬戆绕组毫 压的公式代入功率公式可得： p ：孕b j v 矽屈( 1 一丢) 互z 砀叩 ( 3 5 ) t o 令要，：塑竖，芷：l 一去，粼： p 2 髟蜀刁鼠? 脚( 3 - 6 ) 2 k 。k 妫印雠4 聊 、。 k 是由次极极数、绕组招数及秘极板宽三因素决定豹，避选 定好稳鼗、稷数鹣鞭s r m 续撩，翅缀投竟廷戆在一令较小范围 内变化，因诧k 1 只有一个较，j 、的变化范围；k 2 是个依赖于工作 点的可变量，由初极相电流、铁心材料的磁化特性及电机的几何 尺寸三方面决定，对于一个给定的工作点，k 2 是一个常数，因此 常选取初极相绕缀通过最大电流时的工作点进行计算，以馒电枫 北京交通大学硕士学位论文 第三章 横向磁场直线开关磁阻电机的设计 接近最大的输出功率，通常在额定工作点，k 2 的范围是：k 2 = o 6 5 o 7 5 ；弛的大小由相绕组通电导通长度的大小决定，对于 5 0 占空比的方波电流，上。= f ，2 ，因此k d = 叫，f ，2 三= g 2 ， 一般王 三：塑：5 7 8 t 1 1 i n 2 即导线截面积大于5 7 8 m m 2 即可，选用直径为0 8 m m 的导 线进行1 2 股并绕，则导线截面积为疋= 6 m m 2 。 线圈面积& 。= 6 + 1 2 2 = 7 3 2 m m 2 ( 9 ) 铁心高度( 硅钢片槽高) h 初极极间第一窗口面积s 。= 三兰= 1 8 3 0 m m 2 7 1 其中o 4 为预设的槽满率。 弧沪争= 等圳s m m 即铁心高度大于9 1 5 m m 即可，实际取h - 9 6 m m 。 ( 1 0 ) 硅钢片槽宽b 初极极间第二窗口面积s 。，= s c 。= 7 3 2 m m 2 = 等= 等以a z s 一 即硅钢片槽宽大于7 6 2 5 m m 即可，实际取b = 1 6 m m 。 ( 1 1 ) 每段每相绕组导线总长l 绕组平均币长 北京交通大学硕士学位论文 第三章 横向磁场直线开关磁阻电机的设计 l ，= 2 + ( 6 + + t ) = 2 + ( 1 6 + 1 6 + 5 0 ) = 1 6 4 m m ，= 川乞，= 1 2 2 + 1 6 4 = 2 0 0 0 8 m m = 2 0 0 0 8 m ( 1 2 ) 每段每相绕组电阻r 矗：p 当：o - 0 2 4 5 + 三堂：o 0 8 1 7 q 。s 6 ( 1 3 ) 每段每相铜重g g = 疋，+ 8 9 + 1 0 3 = 6 + 1 0 。+ 2 0 0 0 8 + 8 9 4 1 0 3 = 1 0 6 8 垤 北京变通大学硕士学位论文第四章t f l s r m 的有限元分析 4 1 引言 第四章t f l s r m 的有限元分析 在1 下l s r m 的研究中，电动机电磁场计算占据十分重要的地 位它是整个电动机设计和运行性能分析的基础。由于t f l s r m 初次极双凸极结构使它在运行过程中存在磁通周划性变化和严重 的局部饱和现象，以路的观点进行电机性能的理论分析便显出很 大的局限性。 有限元法是目前工程技术领域中实用性最强，应用最为广泛 的数值模拟方法。它的基本思想是将问题的求解域划分为一系列 单元，单元之间仅靠节点连接，单元内部点的待求物理量可由单 元节点物理量通过选定的函数关系插值求得。由于单元形状简单， 易于由平衡关系和能量关系建立节点量之间的方程式，然后将各 个单元方程“装配”在一起而形成总体代数方j j ! i ! 组，加入边界条 件后即可对方程组求解，从而得到求解域内节点上的物理量值。 一般说来，对于各种各样的电磁问题，有限元法的基本计算 过程可以简要的归纳为以下步骤：( 1 ) 确定实际问题所定义的区 域、激励和边界条件，根据具体情况决定问题的描述方程。利用 几何结构及激励的对称性找出区域的对称轴，从而缩小计算区域， 这样做可以达到节省计算时间或提高计算精度的目的；( 2 ) 计算区 域离散化，即将区域用节点和有限元表示。各个有限元的顶点由 这些节点确定，有限元之问相互不重叠，整个区域都被这些元完 全覆盖，节点和有限元都按次序编号。每个单元都对应于个激 励值和一种材料( 可用介电常数和磁导率表示) ：f 3 ) 插值基函数的 选择：对每个有限元依次进行局部处理，即根据特殊的形函数求 得某个有限元的局部激励矩阵和局部系数矩阵，在进行局部计算 时，坐标都己由整体坐标转化为局部屯标。同时由于形函数的选 时，坐标都己由整体坐标转化为局部坐标。同时由于形函数的选 j 艺京交通丈学疆士学位论文第匪章菲l s r m 豹有限元分析 取，这些局部矩阵的各元素已可以用代数法求出，并由相廒有限 元的几俺坐标、激励和材料特性决定；( 4 ) 方程组的建立：将菜个 单元的蜀部激靡矩阵和局部系数矩阵豹各个元素相热到整体激励 矩阵和藤体系数矩阵中从而形成求解节点势踊数值的矩阵方程。 把由边界条件确定的节点势函数值代人矩阵方程，可以消减方程 的除数从恧减少计舞量；( 5 ) 求解代数方程维：常用的求籁线性代 数方程的方法有消辔法和受代法等，而势函数在整个计算区域的 分布函数可以用插值的方法来描述。对于一阶有限元法来说采用 线性插值。对高阶鸯限元法来说，采用高阶插值；( 6 ) 结果分析： 求解嘏势和磁势的分布并不是最螽的磊的，逐需要根据买体要求 找出所解问题的各种工程参数遮就需要个由分布势函数到各 种工穰参数的过程，这一过程通常称为解后处理过程。 分橱可见，有限元法无疑是电磁场分橱簸有效的方法之一。 所以，以场的观点余面系统的分析电动机的憔能以便促进电机的 设计、性能分析及仿真计算便照出极大的优越性。二维有限元分 析目前已广泛应用予s r m 的磁场计算中，但建立三维实体模型 对t f l s r m 豹毫磁场进行全场域不司拐极位霞的有限元计算研 究在国内尚少见到。 有限元数值计算技术发展至今，己经比较成熟，对于比较复 杂的计锋模型，利攥人工编程方法对电机磁场进行剖分、寨解、 后处理工作量既大，计算精度还较低，目前已有许多现成的应用 软件( 如，用于工作站上的三维有限元软件包v e c t o rf i e l d ， n a s l 、r a n ，a s k a ，a d i n a 和用予p c 机的a n s y s ，a n s o f t 等一 般零镪括了瓣格自动割分、前屠处理、参数计算等功能，便舔方 便。所以应用这些软件对电机磁场计算分析是完全可行且脊效。 本文采用大型有限元分析软件a n s y s 对磁场分布和变化比 较复杂，非线性严熏的t f l s r m 样枧进行分柝计算，这样既保证 了有限元分析的高精度，又大大降低了计算受。 3 0 北京交建大学硬士学位论文第靼章 0 s r m 的有限元分析 4 2a n s y s 软件简介 a n s y s 公司最早由j o h ns w a s o n 博士创立于1 9 7 0 年，总部 位于美鬣嶷蟊法尼亚鲻的救兹镳，a n s y s 有隈元程序是该公司 豹主要产麓。a n s ￥s 敦箨怒溺际主滚毒亍戆一耱大鳌有羧元亵霜 软件，怒融结构学、流体力学、电磁学、声学予一体的大型通用 软件，其赢好的图形用户界筒( g u i ) 及优秀的程序构架使其易 学易用，通过g u i 可以方便的交互访问程序的各种功能、命令、 用户手娥和参考资料，而且巍繁的h t m l 在线帮助系统使命令操 终荔蠢鬟翅，方囊了薅户静搜瘸。 a n s y s 软件具有以下突融特点：用户使用方便、肉容丰富、 涉及面广、易学易懂易用；离效方便的绘图功能；灵活多变的剖 分网格结构、疏密程度；多种可选择的迭代求解器；强大的后处 理功能。a n s y s 软件的分析功能包括结构分析、j 线性分析、 燕分撰、睡隧场分撰、电凌分掇、滚髂滚动分掇、藕合场分辑。 在毫磁场缎角方蟊，毽括静态磁场分橱、诣波磁场分析和瞬态磁 场分析。a n s y s 可用来分析电磁场的多方面的问题，如电感、 电容、磁邋量密度、涡流、电场分布、磁力线、力等。可有效的 分析多种凝备，如发电机、电动机、螺线管传动器、开关等。 a n s y s 磁场分析的有隈元公式由磁场的m a x w e l l 方穗缓导 密，逶_ 遘褥标量磁整或矢量磁经弓| 天鹾a x w 髓方稷组中著零| 入电 磁性质关系，可开发出适合予有限元分析的方程组。a n s y s 将 模型信息( 单元、节点、材料等) 、边界信息( 载荷、约束等) 以 及后处理佰息( 求解结果等) 粲成在一个数据库中，这些功能增 强了程序的电磁分析能力和爱潺性。a n s y s 程序盼其健一些功 能增强了羧澎懿毫磁努辑黥力秘灵活瞧，傻拓，建户虿毅选择多 种单位稍来代替标准的f r o 嫩a l 求解器，p c g 、 c e g 和j c g 迭代 求解器非常适用于计算和分析电磁场问题。 a n s y s 程序提供了丰富的线性和非线性材料的表达方式， j e 京交避大学硬士学位论文第四章t f l s r m 的有臻元分辑 毽括备榴阐性或正交各褶努性的线性磁导率、材料的b h 曲线 和永磁体的退磁曲线。后处理功能允许用户盥豕磁力线、磁通密 度和磁场强度，同时进行力、力矩、源输入能嫩、端电压和其他 参数的计算。 矗n s ￥s 吴专粪誉强懿瞧磁努辑疑力，在遗磁盔矮等方瑟， 可驭有效分析多释设备，糍飘方便、快捷、准确。在磁场分布变 化比较飘杂且非线性严重的情况下，有限元法精度最高，而使用 a n s y s 软件进行分析计算，既保证了有限元分析的高精度，又 大大降低了计算量。本文所讨论的t f l s r m 为j e 线性饱和磁路， 磁场交豫复杂，因越菲鬻适食耀a n s y s 进行分掇秘诗算。 a n s y s 豹静态磁臻分橱由五个主要步骤缀溅：l 、翻建物理 环境；2 、建立模型，划分阚格，赋予特性；3 、加边界条件和载 荷；4 、求解；5 、后处理( 谢看计算结果) 。 4 3a n s y s 软馋的原理 l 、基本方程 a n s y s 电磁场分析的有限元公式由m a x 、l l 方程组导出。 它是电磁场理论的基础也是随后出现的工程电磁场数值分析的出 发点。m a x w e l l 方程组的微分形式戈： v 嚣+ 娑= o ( 法拉篱定撵)( 4 1 ) ( 雄 该怒律揭示电场和磁场可以相互感应。 v h 一掣；t ，( 麦克斯韦发培定律) ( 4 2 ) ( 该定棒表示在磁场中，不论套质与磁场强度h | 毪分布如餐， 磁援强旋j 骛饪一阙台鏊貉貔绫狡分等予穿过该拣分路径繇确定鹣 盐面q 豹电流总和。 v d 一高斯定律)( 4 3 ) 即在电场中，不论电介质与电通密度矢量分布如何，穿出任 北京交通大学硕士学位论文 第四章t f l s r m 的有限元分析 何一个闭合曲面的电通量( 即电通密度矢量对该闭合曲面的有向 积分) ，等于这一闭合曲面所包围的电菏。 v b = 0 ( 磁场高斯定律)( 4 4 ) 亦即在磁场中，不论磁介质与磁通密度矢量分布如何，穿出 任何一个闭合曲面的磁通量( 即磁通