（电机与电器专业论文）直线电机的计算机辅助设计及仿真研究.pdf

塑! 三查兰堡圭兰垡堡壅 室壁苎二 a b s t r a c t t h ec o m p u t e ra i d e dd e s i g no f l i n e a rm o t o r ，i so n eo ft h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n o fc a d ( c o m p u t e ra i d e d d e s i g n ) t e c h n i q u e i nt h ef i e l do fe l e c t r i c a lm a c h i n e sd e s i g n t h ec a d t e c h n i q u ec a n f a l lt o g e t h e rt h ec o m p u t e r ss p e e d i n e s s ，p r e c i s i o n ，i n t u i t i o n i s t a n dt h ed e s i g n e r sl o g i c a lt h i n k i n g ，i n t e g r a t e da n a l y t i c a la b i l i t y , d e s i g n se x p e r i e n c e s oi ta c c e l e r a t e st h ed e s i g n s p r o c e s s o fp r o d u c t i o n ，s h o r t e n st h ed e s i g n sc y c l e ， i m p r o v e t h ea u t o m a t i z a t i o no fp r o d u c t i o nd e s i g n n o w ，a l o n gw i t ht h ep o p u l a r i z a t i o n o fm i c r o c o m p u t e r , t h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra n dp e r i p h e r a le q u i p m e n t ，t h e c a do fe l e c t r i c a lm a c h i n eh a so c c u r r e dd i s t i n c tc h a n g e si nc o n t e n ta n dm e t h o d n o t o n l y i t s a p p l i c a t i o n i ss c i e n c e c o m p u t e ，b u t a l s oi to f f e r st ou s e r s b y t h e m u l t i f u n c t i o n a l i n t e g r a t i o ns o f t w a r es y s t e m s f o r m t h ep a p e rm o s t l ya i m sa tt h ec a do fl i n e a rm o t o r i tb u i l d st h ed e v e l o p m e n t p l a t f o r mo fl i n e a rm a c h i n es o f t w a r eb yf a s h i o n a b l ev i s u a l b a s i c i tc o m b i n e st h e s e c o n dd e v e l o p m e n to fa u t o c a d 2 0 0 0a b o u tv i s u a lb a s i c n o to n l yi tb u i l d st h e d a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e mi nt h em i c r o s o f ta c c e s sp l a t f o r m ，b u ta l s oi td e v e l o p s t h ea l t e r n a t i n gl i n e a rm a c h i n ec a ds o f t w a r es y s t e mh a v i n gg o o du s e ri n t e r f a c e t h e s o f t w a r es y s t e mh a st h ec h a r a c t e r i s t i co fm a n m a c h i n ec o n v e r s a t i o n o w i n gt ot h eu i i sv e r yf r i e n d l y , u s e r sc a nk n o ww e l la l lk i n d so fm a n i p u l a t i o no ft h es o f t w a r er a p i d l y n o th a v i n gt oc o m p u t e k n o w l e d g e ， t h e p a p e rc o m b i n e s t h ef u n c t i o no fc o m p u t e r d r a w i n g i nt h ew h o l ec a d s y s t e m ， s ot h ew h o l ee l e c t r i c a lm a c h i n ec a ds o f t w a r ei n t e g r a t e st h ef u n c t i o n so ft h e e l e c t r i c a lm a c h i n ed e s i g n ，t h ee l e c t r i c a ld a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e ma n da u t o m a t i c p l o t t i n g t h es o f t w a r ei s s oi n t e l l e c t u a l i z e dt h a ti t a u t o m a t i c a l l yc o n t r o l st h ew h o l e d e s i g nf l o wa n dd a t at r a n s f e r i tl i g h t e n s t h ed e s i g n e r sb u r d e n ，a n dm a k e st h e m d e s i g nt h ee l e c t r i c a lm a c h i n ee x p e d i e n t l y b e s i d e s ，t h ep a p e ru s e st h es i m u l a t i o no ft h el o n gs t a t o rs y n c h r o n i z a t i o nl i n e a r m o t o ri nt h em a g l e va sa ne x a m p l ea n di n t r o d u c e st h es i m u l a t i o no ft h el i n e a r m o t o r a t p r e s e n t ，t h es o f t w a r ea p p l i e si nt h ep r a c t i c a li t e m t h ef i r s ta p p l i c a t i o ni st h e d e s i g no fc y l i n d r i c a ll i n e a ri n d u c t i o nm o t o r i nt h ee l e v a t o rd r i v e nb yl i n e a rm o t o r t h e s e c o n da p p l i c a t i o ni st h es i m u l a t i o no fl o n gs t a t o rs y n c h r o n i z a t i o nl i n e a rm o t o ri nt h e m a g l e v f a c t sh a v ep r o v e dt h a tt h es o f t w a r ec o m p l e t e dt h et a s k ss u c c e s s f u l l y i ti s o b v i o u st h a tt h el i n e a re l e c t r i c a lm a c h i n ec a d s o f t w a r eh a sd e f i n i t ep r a c t i c a lv a l u e 浙江大学硕士学位论文宁雅文 k e y w o r d ：l i n e a r e l e c t r i c a lm a c h i n el i n e a rm o t o rc a ds i m u l a t i o nm a g l e v 浙江大学硕士学位论文 宁雅文 第一章绪论 1 1 直线电机的发展和应用 直线电机的发展经历了漫长的历史。早在1 8 4 5 年w h e a t s t o n e 就提出和制 作了略具雏形的直线电动机。到如今，已有近1 6 0 年的历史了，在这段过程中， 直线电机大致经历了探索试验、开发应用和使用商品化三个阶段。 从1 8 4 0 年到1 9 5 5 年的1 1 6 年期间，直线电机从设想到试验到部分实验性 应用，经历了一个不断探索的过程。在1 8 9 0 年，有人想用它来推动织布机上的 梭子，并发表了关于这方面的专利，这也是直线电机最早的一个专利。这个想 法的延伸导致了现代电磁炮的产生；在1 9 0 5 年，有人提出用它来作为推动列车 的动力，虽然当时由于其经济性，可靠性等方面没有竞争力，未能实现。可是 研究人员却对这个想法给与了持续的关注，近几十年来，磁悬浮列车终于在德 国，日本等国建立起试验和试运行线路，获得了试验性的应用和成功。我国上 海浦东也将兴建一条试验线。从上面可以看到，尽管当时的一些想法并未超出 试验阶段，但是这些想法和尝试却为后来的成功提供了宝贵的经验。本世纪三、 四十年代，直线电机进入了实验阶段。1 9 4 5 年，美国西屋电气公司首先研制成 功电力牵引飞机弹射器，随后，美国利用直线电机制成用作抽汲钾、钠等液态 金属的电磁泵。1 9 5 4 年，英国皇家飞机制造公司利用双边扁平型直流直线电机 制成了发射导弹的装置。但是这个时期直线电机始终没有能够得到真正的应用。 其原因大致在于以下几方面：一、直线电机的电磁气隙与极距的比值通常高于 旋转电机，因此激磁电流较大，另外存在由于铁芯两端开断产生的边端效应， 于是直线电机的效率和功率因数比同容量旋转电机的低。这个概念牢固地束缚 了直线电机的应用，使它无法与旋转电机相抗衡；二、没能找到唯独它适用的 或者有很大优势的领域；三、直线电机的控制线路及其装置费用成为它发展的 障碍，因为当时控制技术不完善、元器件昂贵且性能欠佳；四、直线电机理论 发展缓慢，设计上存在缺陷，没有对应用起到促进和预见作用。以上这些使得 人们对直线电机一度失去信心。直至五十年代中期，控制、材料技术的飞速发 展和新型控制元器件的不断出现为直线电机的广泛应用打开了方便之门。同时 人们也逐渐接受了新的概念，认为直线电机的较低效率可以用增加整个装置的 传动效率来补偿，在不连续使用的情况下，效率退居第二位，整个装置的简单 和经济显示了直线电机的优越。人们观念的改变以及因此而产生的需求成为直 线电机的发展的原动力。这一时期世界各国出现了许多直线电机的产品，例如 前苏联生产的液态金属电磁泵、美国x y n e t i c s 公司生产的自动绘图仪、法国 生产的直线电机记录仪、e d w a r d so fe n f i e l d 公司生产的铝和有色金属工业用的 第1 页 浙江大学硕士学位论文 宁雅文 新型挤拉机、日本三洋公司生产的直线电机驱动的电唱机、英国h e r b e r tm o r r i s 公司生产的桥式吊车、传送带和一般机械搬运设备等。它的理论发展也取得了 很大的发展，有关的文献和书刊不断出版，基于电磁场理论直线电机进行分析 与计算的文章也陆续报导。近二十年来，不仅直线电机的新产品层出不穷，而 且新原理直线电机也不少。例如超声波直线电机，微步距直线电机等等。相对 于国外，国内的直线电机研究起步较晚，发展不稳定，七十年代比较热，八十 年代前期滞退，八十年代后期至今又有较大发展。目前国内已经有一支稳定的 研究开发队伍，并不断发展壮大。现在相比较以前，科技人员更加注重产品化， 研究单位和企业的接触也更加频繁，合作的面越来越广。浙江大学成立了研究 所，并和企业联合成立了一家公司负责产品研制。自从1 9 8 2 年开始，全国直线 电机学术会议定期召开，会上既有论文的交流，也有新成果的展现。我国在直 线电机的应用上也取得了可喜的成果，例如浙江大学的遥控直线电机窗帘机、 世界首创的新型电磁式直线电机冲床、圆盘直线电机驱动并利用其电磁内热的 炒茶机、西安交通大学的一种“新型电磁打泊机”、上海工业大学的浮法玻璃生 产用的直线电机、直线电机驱动的“自动门”，中国科学院电工研究所的“平面 直线电机绘图仪”等等。关于直线电机国内已有许多项专利。这些应用具体可 以参考文献。在理论研究上，我国发表了不少的文章，出版了一些书籍，这些 理论既研究了电磁特性，也给出了实用的经验公式，为国内直线电机的发展奠 定了厚实的基础。 在目前的实际项目中，直线电机已经被应用在直线电机电梯和磁悬浮列车 中，现在这两个项目还在研究开发中。下文提到的直线电机c a d 软件包也已经 可以用于有关直线电机电梯中圆筒型直线感应电机的设计和磁悬浮列车中的长 定子同步直线电机的仿真。 1 2 直线电机的分类 直线电机的分类在不同的场合有不同的分类型式。例如在考虑外形结 构时，往往以结构型式将其进行分类；当考虑其功能用途时，则又以其功 能用途进行分类：而在分析或阐述电机的性能或机理时，则是以其工作原 理进行分类。 1 按结构型式分 扁平型、圆筒型、圆盘形、弧形 2 按原理分 直线直流电机、直线感应电机、直线同步电机、特种直线电机 3 按应用分 第2 页 浙江大学硕士学位论文 宁雅文 力电机、功电机、能电机、信号电机 4 按磁通型式分 轴向磁通式、径向磁通式 5 按初级的数量分 单边型、双边型 6 按初、次级的长度分 短初级、短次级 7 按电源分 三相、单相、直流 以上的几种分类方法中，1 3 种是常用的分类方法。图1 1 至图1 3 是几 种典型直线电机的结构型式。 次级次级 二兰三三- = 芒刍 a ) 短初级 初级 图1 1 单边扁平型直线电机 b ) 短次级 初级 图1 2 双边扁平型直线 ns耳sns并s 图1 3 从旋转电机到圆筒型直线电机的演变过程 第3 页 浙江大学硕士学位论文 宁雅文 籼一曲 图l4旋转电动机和直线电动机示意图 a ) 旋转电动机b ) 直线电动机 图1 4 所示的直线电机。在这台直线电机的三相绕组中通入三相对称正弦 电流后，也会产生气隙磁场。当不考虑由于铁心两端开断而引起的纵向边 端效应时，这个气隙磁场的的分布情况与旋转电机的相似，即可看成沿展 开的直线方向呈正弦形分布。当三相电流随时间变化时，气隙磁场将按a 、 b 、c 相序沿直线移动。这个原理与旋转电机的相似，二者的差异是：这个 磁场是平移的，而不是旋转的，因此称为行波磁场。显然，行波磁场的移 动速度与旋转磁场在定子内圆表面上的线速度是一样的，即为v 。，称为同 步速度，且 v ，= 2 声( m s ) ( 卜1 ) 再来看行波磁场对次级的作用。假定次级为栅形次级，图1 5 中仅画 出其中的一根导条。次级导条在行波磁场切割下，将感应电动势并产生电 32 图l5 直线电机的基本工作原理 l 一初级2 一次级3 一行波磁场 流。而所有导条的电流和气隙磁场相互作用便产生电磁推力。在这个电磁 推力的作用下，如果初级是固定不动的，那末次级就顺着行波磁场运动的 方向作直线运动。若次级移动的速度用v 表示，转差率用s 表示，则有： 第4 页 5 一 浙江大学硕士学位论文 宁雅文 v v s = 二一 v v j v 2s v j v = ( 1 一s 弘， ( 1 - 2 ) 在电动机运行状态下，s 在0 与1 之间。上述就是直线电机的基本工作原理。 4 j l ! r 1 。 一1 i l 一1 l 、l l 【1fl iji111f ij 1i ： l 一il j iil t l j h 、 图16 次级导体板中的电流 a ) 假想导条中的感应电流b ) 金属板内电流分布 应该指出，直线电机的次级大多采用整块金属板或复合金属板，因此 并不存在明显的导条。但在分析时，不妨把整块看成是无限多的导条并列 安置，这样仍可以应用上述原理进行讨论。在图1 6 中，分别画出了假想 导条中的感应电流及金属板内电流的分布，图中l ；为初级铁心的叠片厚度， c 为次级在l 。长度方向伸出初级铁心的宽度，它用来作为次级感应电流的端 部通路，c 的大小将影响次级的电阻。 我们知道，旋转电机通过对换任意两相的电源线，可以实现反向旋转。 这是因为三相绕组的相序相反了，旋转磁场的转向也随之反了，使转子转 向跟着反过来。同样，直线电机对换任意两相的电源线后，运动方向也会 反过来，根据这一原理，可使直线电机作往复直线运动。 1 4 电机c 柏技术的介绍 l 、电机c a d 技术的意义及发展 c a d 技术的兴起、发展及其应用范围的不断扩大，是与计算机技术、软件 技术、外部设备和相关技术的发展密切相关的。 电机c a d ，即计算机辅助电机设计，是c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 技术 在产品设计领域的具体应用之一；c a d 技术能把计算机的快速、准确、直观和 设计者的逻辑思维、综合分析能力及设计经验结合起来，加速了产品的设计过 第5 丽 浙江大学硕士学位论文 宁雅文 程，缩短了设计周期，提高了产品或工程设计的自动化。国外较早地开展了对 c a d 技术的研究，目前已遍及机械、电子、航空航天、汽车、造船、轻纺等行 业，且已在产品更新换代、新品开发、企业改造、自动化生产线监控等方面发 挥了巨大作用；较著名的美国g e 公司、英国l u c a s 公司、日本三菱株式会社， 其中大部分电机都是在c a d 、c a m 、c a t 工程中开发的，从而大大增强了其 产品的国际竞争力。 c a d 技术在电机设计领域的应用开始于五十年代，这个时期电机的c a d 技术主要是将传统的电机尝试设计过程的由手工完成的性能分析的工作交给计 算机来完成，以节省计算时间，加快设计过程的进程。 六十年代后，随着数值计算技术的发展以及计算机的运算速度、存储能力 和计算机外围设备水平的不断提高，电机c a d 技术进入了设计优化、设计综合 和计算机辅助绘图阶段。 八十年代以来，随着微型计算机的普及，计算机和外围设备的迅速发展， 以及数据库技术，软件工程理论在各种数值计算方法的成熟，电机c a d 技术不 仅在内容上，而且在方法上都发生了显著的变化。它的应用不只局限于科学计 算，而是以科学计算、图形处理和数据库等具有多种功能的集成软件系统形式 提供给用户使用。 与国外相比，国内c a d 技术起步较晚，电机c a d 技术的水平也比较低， 各领域的应用研究和国外差距就更明显，而电机作为国民经济发展的基础元件， 其c a d 研究之重要性是明显的。正因如此，“七五”期间，机电部有针对地开 展了中小型的c a d 研究，有效地提高了中小型电机的设计效率。采用计算机进 行电机设计开始于七十年代末，主要用于电磁设计方面。目前，电机行业的各 厂家和单位已广泛开始使用计算机辅助电机设计，计算机在电机设计的应用不 仅仅局限于电磁性能校核、优化设计和通风散热等传统的计算功能上，由数据 库支撑、具有绘图功能的c a d 系统的研究和开发也取得了一定的成绩。1 9 9 0 年，国家通过鉴定，认为上海电器科学研究所等单位联合开发的“中小型异步 电机c a d 系统”，其完整性和实用性在国内具有领先地位，并达到了国外同类 c a d 系统八十年代中期的水平。该系统是在基于d o s 操作系统下的数据库管 理系统d b a s e 下开发的，其软件平台比较落后，而且性能分析软件多采用磁路 模型和解析法，绘图部分功能比较落后，仅限于y 系列中小型感应电机，参数 化绘图功能比较差。 2 、c a d 技术在电机工程中的应用 计算机具有强大的计算能力，但它毕竟不能完全替代设计人员的设计工作 第6 页 浙江大学硕士学位论文 宁雅文 因为人的思维具有创造性。所以，在工程设计的领域计算机技术只能起到辅助 作用，把重复性，计算量大的工作交给计算机来完成，而设计人员来完成创造 性的工作。在电机设计过程中，c a d 技术一般应用在以下几个方面： 性能分析。性能分析的目的是根据电机设计参数，计算出电机的各项性 能指标。性能分析是电机设计的基础，其准确性直接决定着电机设计的精度。 早期的性能分析主要依据磁路模型进行电机性能的计算，对电机内的实际电磁 关系作了很多简化。近年来的数值分析方法的逐渐成熟和计算机技术的发展， 已经可以采用更准确的数值计算分析方法对电机的各项性能进行分析计算，计 算分析的范围也不断扩大，从电磁性能的电磁场分析到电机的通风发热、机械 计算等。 方案设计。方案设计的目的是根据给定的性能要求确定电机的设计方 案，属于典型的逆向问题。早期的设计工作由人工来完成。即设计人员根据性 能分析的结果判断设计方案的合理性并且决定如何调整设计方案，通过对设计 方案的反复调整计算，得到一个合理的设计方案。后来逐步发展为采用计算机 进行设计工作，如综合设计，优化设计、专家系统等。 计算机绘图。电机设计方案的最终结果表现为工程图纸。早期的绘图工 作是由设计人员手工完成的，是设计工作中工作量最大的一个过程。后来随着 计算机硬件水平和软件水平的的提高、交互式计算机辅助绘图软件得到发展与 应用，绘图工作逐渐采用交互式绘图软件、通过设计人员和计算机的交互而完 成，这种方式本质上是和手工绘图是一致的，只是采用计算机代替了绘图板， 采用绘图仪输出图纸，但采用计算机绘图修改比较方便。参数化绘图是近年来 发展起来的绘图技术，采用一组参数来决定图形中各个实体的尺寸数据和其中 的关系，当参数政变时、可以迅速重新生成图纸，特别适合系列电机的绘图。 近年来，随着工程数据库技术的发展，采用工程数据库技术，把电机设计 的各个部分集成在一起，形成一个c a d 系统已经成为可能。电机c a d 技术的 最终发展方向是以工程数据库为核心，把性能分析、方案设计和计算机绘图集 成在一起，形成包括整个电机设计过程的系统。 3 、目前国内c a d 技术存在的问题 目前在我国，电机的c a d 技术研究和应用水平仍然比较落后。在研究方 面，虽然在基于数据库的c a d 系统方面进行了一些研究工作，但仍然存在一些 问题，主要集中在以下几个方面： i 系统集成度差。个完整的电机c a d 系统，应该覆盖电机设计的所有过程 自动控制电机的设计流程和数据传递，并提供友好的用户界面，使得设计人 第7 页 浙江大学硕士学位论文 宁雅文 员能方便的利用该系统进行电机设计。 2 性能分析软件落后。性能的精确分析在c a d 系统中非常重要，随着计算机 技术的发展，应该采用数值分析技术对电机的各项性能进行精确的分析，从 而提高电机设计的精确性。 3 绘图功能有限。为实现系统的集成化，参数化绘图是必须的，采用参数化绘 图技术，当设计方案确定后，即可自动绘出图纸。 4 用户界面友好性差。用户界面友好的软件设计对c a d 系统的推广是十分必 要的，采用友好的用户界面，易于为设计人员所接受。 4 、电机c a d 的发展趋势 针对电机设计、c a d 的及电机c a d 的现状，结合其它行业c a d 技术的研 究与发展，认为电机c a d 技术近年来应主要围绕以下几方面开展研究。 电机c a d 的接口与功能 电机设计需要设计人员充分发挥其设计意识，因而一个优异的电机c a d 应 从给设计者提供一个充分发挥其设计意识的环境出发，并同时具备良好的人一 机接口及用户界面、丰富且实用的辅助功能和各种快速定位、查询、修改、扩 充功能等。 电机c a d 系统 应避免进行单一功能的电机c a d 软件的开发，如单纯的设计、计算、优化、 绘图等，而是致力于进行设计分析、优化、绘图的集成化c a d 系统的开发，尤 其对批量大并已系列化的电机如三相异步机、单相异步机、直流电机、同步电 机、直线电机等，更应注重c a d 系统的开发。另外，各种c a d 系统的开发， 还应建立在数据库能共享的基础上，以最大限度地提高设计速度、质量及效率。 电机专家c a d 系统 电机设计过程中伴随大量的经验参数、曲线、图、表等，而这些经验数据 经多年的实践考核，都基本上有了取值规律或范围，因此可建立一个具有“专 家”能力的工程知识库及相应的电机c a d 专家系统，从而为最终的设计自动化 奠定基础。 1 5 课题的主要意义和论文的主要工作 1 、课题的主要意义 目前，有关电机的计算机辅助设计，有许多人都正在研究，但是都主要集 中于旋转电机的设计上，真正对于直线电机的计算机辅助设计研究还极少，原 因有两个：是直线电机发展起步较晚，在国内，直线电机也只是近几年内才 第8 页 浙江大学硕士学位论文 宁雅文 引起关注的一种特殊的电机，许多人对直线电机都不甚了解；二是由于直线电 机本身结构的特殊性，在对直线电机进行设计时所采用的等效电路，边端效应 的折算没有统一的模型和算法，因此直线电机的计算机辅助设计一直没有很大 的进展。 此外，传统的计算机辅助设计仅仅局限于性能设计与方案设计，对于计算机 绘图没有涉及，本课题把计算机绘图这一功能结合到了整个c a d 系统中，使整 个电机c a d 软件包集电机设计、电机数据库管理系统、自动出图功能为一体， 显得更为智能化，自动控制了直线电机设计的整个流程和数据传递，并提供良 好的用户界面，大大减轻了设计人员的负担，使设计人员能够方便地进行电机 设计。 另外，还从分析电机各种性能指标的角度，研究了直线电机的仿真，特别 是对用在磁悬浮列车上的长定子同步直线电机的仿真作了比较深入的研究。这 对于验证和优化计算机辅助设计的结果，有着重要的辅助作用。 由于近年来直线电机的快速发展，对于直线电机c a d 技术的研究是非常有 意义的，这将实现整个设计过程的智能化支持，大大减少了重复性工作，使设 计人员把主要精力放到设计过程中具有创造性的工作上，对于直线电机的发展 具有很好的推动作用。 2 、论文的主要工作 本课题主要针对直线电机的计算机辅助设计，以流行的v i s u a lb a s i c 作为 直线电机软件的开发平台，结合a u t o c a d 2 0 0 0 关于v i s u a lb a s i c 的二次开发， 并在m i c r o s o f ta c c e s s 数据库平台上建立了数据管理系统，开发出一个具有良好 用户界面的交互性的直线电机c a d 软件系统。此外，还对直线电机作了一些仿 真方面的研究。该软件系统以可视化思想为指导，以人一机交互的方式运行。 由于用户界面十分友好，用户无须具备计算机水平，也能够很快熟悉该软件的 各种操作。 目前，该软件已经在实际项目中得以应用。第一个应用是有关直线电机电 梯中的圆筒型直线感应电机的设计；第二个应用是有关磁悬浮列车中用到的长 定子同步直线电机的仿真：实践证明，该软件很好地完成了这两项工作。可见， 该直线电机c a d 软件包具有一定的实用价值。 下面就是本课题的主要工作： 研究了直线电机参数对直线电机性能的影响 无论何种型式的直线电机，电机的各种参数( 包括电磁参数，结构参数， 材料参数，电容器大小的选择( 针对单相电机) 等) 对直线电机的性能都 第9 页 浙江大学硕士学位论文宁雅文 有很大的影响，本课题对这一点作了深入的阐述。 研究了直线电机的参数化设计 介绍了整个直线电机c a d 软件包的特色和主要功能以及有关电机校核设 计、综合设计及优化设计的主要框架以及其中的一些关键技术问题。 研究了直线电机冲片及其装配图的绘制 计算机绘图是整个c a d 系统中很重要的环，这一部分讨论了下列问题： 有关a u t o c a d 2 0 0 0 中的二次开发问题，以实现在v b 中智能的调用a u t o c a d ； 参数化设计方法在绘制冲片及装配图中的运用；尺寸的智能标注和图幅、 图框等的自动设定；利用数据库有序地管理电机的各种数据。 研究了直线电机的仿真 这一部分进行了有关直线电机仿真的研究，主要以长定子同步直线电机为 例，从仿真模型与仿真结果两个方面进行研究。这一块内容也可以看成是 整个c a d 系统中的一部分。 第1 0 页 浙江大学硕：l - 学位论文 宁雅文 第二章各种电机参数对直线电机性能的影响 2 1直线电机的边端效应 直线电机与旋转电机有相似之处，即当直线电机的初级绕组通入三相对称 交流电流后，便会在气隙中产生与旋转磁场类似的沿直线方向移动的行波磁场， 次级在此磁场的作用下将产生定向的直线运动。但是，直线电机又与旋转电机 有所不同，因为前者的铁心不像后者那样具有闭合圆环的形状，而是长直的、 两端开断的铁心。由于铁心及安置在其槽中的绕组在两端不连续，所以各相之 间的互感就不相等，即使在初级绕组上供给三相对称的交流电压，在各相绕组 中也将产生不对称的电流。利用对称分量法可以把它们分解成顺序、逆序和零 序电流。对应这三种电流将有三类磁场，即顺序正向行波磁场，逆序反向行波 磁场和零序脉振磁场。后两类磁场在次级运行过程中将产生阻力和增加附加损 耗。退一步讲，即使采取一些附加措旌，使三相电流对称，而直线电机由于铁 心开断仍然会产生相对于初级不移动的脉振磁场。上述由于铁心开断而引起的 各相绕组互感不相等以及在气隙中出现脉振磁场和反向行波磁场的效应，不论 是否考虑次级的反作用，都是存在的，我们称它为第一类纵向边端效应( 静态 纵向边端效应) ，所谓纵向，是指磁场移动的方向。另一方面，当短初级直线电 机的次级导体板( 用整块导体板制作的次级) 以很高的速度相对于初级运动时， 在初级的进入端和离开端还会产生磁场畸变，这是由于次级导体板中的涡流使 进入端的磁场削弱、离开端的磁场加强所致。这种类型的磁场畸变称为第二类 纵向边端效应( 动态纵向边端效应) 。此外，在扁平型的直线电机中，当电磁气 隙与初级铁心宽度的比值较大，而次级宽度又等于初级铁心宽度时，则不论是 否在次级的反作用，都必须考虑横向( 即顺着槽的方向) 边缘处磁场的削弱。 这种效应称为第一类横向边端效应。 对于一般电机，电磁气隙与初级铁心宽度的比值较小，次级宽度又大于初 级铁心宽度，第一类横向边端效应可以不必考虑。当存在次级导体板的反作用 时，横向磁场的分布还受到次级导体板宽度及其电导率的影响，此时的横向磁 场分布的不均匀称为第二类横向边端效应。 直线电机的特性计箅方法和设计方法都与纵向和横向边端效应的分析研究 密切相关，而纵向和横向边端效应影响的大小又与气隙磁场密切相关。下面将 具体讨论各类边端效应对气隙磁场及直线电机性能的影响。 2 1 1 静态纵向边端效应及其改善 1 、静态纵向边端效应 第1 1 页 浙江大学硕士学位论文 宁雅文 对于绕组不连续引起的互感不相等容易理解，而对于铁心开断引起的反向 和脉振磁场，现做进一步的叙述。 现在我们取三相对称电流通入三相绕组的情况，见图2 1 a 所示的直线 电机分析模型来说明这类脉振磁场是怎样形成的。假定初级铁心具有偶数 极，初级绕组的电流密度沿z 轴方向是正弦分布的，则当该电流密度行波在 初级铁心的两端边界b = + - p r ) 过零时，相应的磁动势波在边界取得最大值 a 兀，如图2 1 b 所示。图中取z 轴正方向作为a t 、b 的正方向，y 轴正方向 作为j 的正方向。 在不考虑纵向边端效应时，由图2 1 b 所示的磁动势波在气隙中将产生 正弦分布的磁通密度b ，如图2 1 c 所示。 现在来说明铁心端部的影响。我们注意到在图2 1 a 、b 和c 是所对应 的瞬间，在上、下铁心的端部( 即x = p t 处) 间作用着磁动势幅值a t l 。显 然，在电机的上、下端部的端面之间作用着同样的磁动势，因此，在有效 区域2 p f 外的纵向端面之间产生磁通，见图2 1 a 的左边和右边。同理，磁 通也可以通过铁心的背部表面和横向端面，如图2 2 所示。这些磁通称为 分路磁通，它们将穿过有效区域的气隙形成闭合回路，如图2 1 a 所示。 分路磁通的气隙磁通密度b 。沿x 轴方向分布可认为是不变的，见图 2 1 c 。因此，在有效区域内，合成磁场的磁通密度分布曲线b = b + b 。比原 来的局曲线下移了一段距离b ， 当时间经过四分之一周期( 即忙：1 ) 后，由于上、下铁心两端的磁动 z 势减小到零，因此分路磁通不存在，此时气隙中只有行波磁场，见图2 1 d 。 可以推知，再过四分之一周期，上、下铁心两端的磁动势将达到反向最大， 分路磁通。和磁通密度b 。也将达到反向最大，而使合成磁通密度分布曲线 b 比原来的b ：曲线上移段距离b ，由于随着时间的变化，磁动势曲线相 对于初级铁心是移动的，因此在上、下铁心的端面之间所作用的磁动势将 随时间作正弦变化。与此相对应，分路磁通口。和磁通密度b 。随时间按正弦 规律脉振。这种磁场在有效区域内与空间位置无关，因此，它与通常的行 波磁场不同，常被称为脉振磁场。 第1 2 页 浙江大学硕士学位论文 宁雅文 j b 、 jd ) 图2 1 直线电机中脉振磁场的形成 由以上分析可见，即使三相电流对称，在铁心有效区域内的气隙磁通 密度将由两部分组成：其一为行波磁场分量，这与通常旋转电机中的相似； 其二为脉振磁场分量，这是由于铁心开断所造成的。 图2 2 直线电机背部和横向端面的分路磁通 上述由于铁心开断而在气隙中出现脉振磁场和反向行波磁场的效应， 不论是否考虑次级的反作用，都是存在的。这些边端效应，最终都是以增 加附加损耗，减少直线电机有效输出为结果的，这些结果有时严重影响了 直线电机的性能和要求指标。下面介绍一些改善这些边端效应的方法。 第1 3 页 浙江大学硕士学位论文宁雅文 2 、静态纵向边端效应的改善 对于静态边端效应中由于铁心及绕组开断，各相互感不等，而在各相 绕组中产生不对称电流的情况，当有三台相同的直线电机一起使用时，可 以通过各相绕组之间的换位来消除不对称电流，从而也消除了由它所引起 的逆序磁场和零序磁场。换位的方法是：把第一台电机的a 相绕组、第二台 电机的b 相绕组和第三台电机的c 相绕组串联起来作为第一相，把第一台的 b 相、第二台的c 相和第三台的a 相绕组串联起来作为第二相，类似地，把 a b 2 c 3 图2 3 消除逆序和零序电流的一种方法 a ) 第一台电机b ) 第二台电机c ) 第三台电机d ) 三相绕 组换位的y 形联接法e ) 三相绕组换位的形联接法 第一台的c 相、第二台的a 相和第三台的b 相绕组串联起来作为第三相，如 图2 3 所示。然后把它们接到三相对称的电源上。由于经过换位后的三相 绕组是三相对称负载，因此三相的电流将是对称的，从而消除了三相电流 中的不对称成分。对于不是同时使用三台电机的场合，则可用增加电机极 数的方法来减小互感之间的不对称。当极数大于或等于6 时，便可以认为 逆序和零序电流与顺序电流相比已足够小而可以忽略。 对于静态边端效应中，在各相电流对称，仅仅由于铁心开断所造成的 脉振磁势的影响，我们可以通过这种情况下的气隙磁通密度的分析表达式 来找出改善其影响的方法。它们的表达式如下： 1 ) 对于偶数极，且不考虑铁心饱和，则气隙磁通密度为： ， 一 、 b d = b 6 1s i n f 埘一兰ji 一( - 1 广b r ls i n c o t ( 2 - 1 ) 、 1 j 式中 b 6 ，= 业，。一一气隙中行波磁通密度幅值； 第1 4 页 霉一 b = b 。气隙中脉振磁通密度幅值； 口f + 口 d = 6 ：( ，+ 等 一分路磁通所对应磁导的等值 距离； = k 5 。k 6 2 k 6 3 6 ，等效电磁气隙。 2 ) 对于奇数极，且不考虑铁心饱和，则气隙磁通密度为： 风= 口s - s t n ( 删一詈z 一( _ ，i p ；) 臣z s j n 删( z 一。) 式中 b e 2 。双i 司气隙中脉振磁通密度幅值。 由b ，。和b ，：的表达式可见，在偶数极时，为了减小脉振磁通密度吼， 可以减小d 或增加p ：在奇数极时，为了减小脉振磁通密度b 只能增加p ， 此时，如减小d ，将会使脉振磁通密度b ，：有所增加。通常，当极数大于或 等于6 时，脉振磁通密度幅值与行波磁通密度幅值相比可以忽略不计。当 极数大于6 时，为了减小静态纵向边端效应，可以在电机的两端装置补偿 元件。 2 1 ，2 动态纵向边端效应及其改善 1 、动态纵向边端效应 图2 4 直线感应电机的纵向边端效应 除了这种静态纵向边端效应以外，当次级运动时，还存在另一种纵向 边端效应，称为动态纵向边端效应。为了说明动态纵向边端效应，假定气 第1 5 页 浙江大学硕士学位论文 宁雅文 隙只存在正向移动磁场，且次级跟着移动磁场同步运行，此时次级相对于 移动磁场没有切割。按理次级上没有感应电流，但实际上次级板上能感应 出纵向边端效应电流和损耗，现详细分析如下： 根据相对运动的原理，我们假定次级以同步速度相对于静止的初级移 动，如图2 4 所示。当时间为r 。、f 。、f ：、f 3 和r 。时，次级导体上电路c 的 相应位置是c 。、c ，、c ：、c ，和c 。因为次级是以同步速度移动，所以当c 在c ：位置时，在电路c 中没有感生电动势。当c 在c 。和c 。位置时，电路中 也没有感应电动势，因为没有变化的磁通和它交链。但是当c 在c 和c ，位 置时，在电路c 中就有感应电动势和电流产生，因为这时由于铁，i i , 开断端在 c 进入c ，和离开c ，位置时，磁导发生变化，因而在该回路c 中感生电动势 和电流。这种感生电流称为动态纵向边端效应电流，它会产生附加损耗和 附加力。 2 、动态纵向边端效应及其改善 对于动态纵向边端效应对直线电机的影响，我们将由于动态边端效应 所产生的附加损耗和附加力对应的有效功率，在传统旋转感应电机的等效 电路图上，我们用增添一条电阻支路来表示。这样，计入动态纵向边端效 应的等值电路如图2 5 所示。其中，r c 为纵向边端效应在次级上消耗的功 率所对应的等值电阻折合到初级的电阻值。即 r f = r r + r ， ，9 一，、 图2 5 计及纵向边端效应的等效电路图 ，： 1 一j 一 j 式中r ，为纵向边端效应产生的附加力所对应的有功功率部分的等效电阻 日为纵向边端效应不产生附加力所对应的损耗的等效电阻。 第1 6 页 浙江大学硕士学位论文宁雅文 2 1 3 横向边端效应及其改善 对于一般的直线电机，其次级导体板的宽度常常大于初级铁心叠片的 厚度，通常可以不考虑由于横向边端磁通密度分布不均匀所产生的进入次 级磁通总量的变化，亦即不考虑第一类横向边缘效应。这里就不做讨论了， 下面主要分析一下第二类横向边缘效应。 分 图2 6 表示次级伸出的双边直线感应电动机的横截面图 我们知道，直线感应电动机初级和次级的宽度都是有限的( 通常次级 比初级宽一些，如图2 6 ，在这有限宽的情况下，次级电流以及次级板对气 隙磁场均会产生影响，从而影响直线电机的性能和要求指标，我们把这种 影响称为直线电机的横向边端效应，图2 7 表示了次级感应电流的图形。 出口端 次级电流路径 图2 7 次级电流路径 从次级电流路径图上可以看出，次级电流有纵向分量ox 和横向分量oz 。而 电流纵向分量是产生横向边端效应的主要来源。可见初级和次级相等宽度 的直线感应电动机的横向边端效应比次级较初级宽的直线感应电动机的横 向边端效应要大些。由电磁场分析可知，横向边端效应的主要影响可以近 似认为仅使次级电阻率有所增加。也就是说，可认为直线感应电动机没有 横向边端效应，而只是它的次级电阻率增大了一些。在定量计算时，只要 第1 7 页 浙江大学硕士学位论文 宁雅文 把次级电阻率乘以一个恰当的修正系数k r 就行了。其中修正系数可以近似 用下述公式表示： k r5 _ 瓦郦i 函爵厂 堕f i + t 。h 生t a 。h 丝1 打l 2 f7j ( 2 4 ) 式中 c 一一次级导体片单边伸出初级铁心的宽度( c m ) ，见 图2 7 所示； b 为初级铁心叠厚( c m ) ； f 为直线电机极矩( c m ) 。 横向边端效应的改善可以通过初次级宽度的调整，特别是次级宽度一般 都大于初级的宽度为好。 从下一小节开始，开始分析一下各种类型的参数对直线电机性能的影 响。 2 2 电磁参数对直线电机性能的影响 电磁参数一般指电磁负荷，也就是电负荷和磁负荷。所谓电负荷或线 负荷( 以a 表示) 是指在额定负载下初级表面沿纵向单位长度的安培导体 数，即每米的总安培数。对于双边型直线电机，电负荷是指两边之和。所 谓磁负荷是指气隙中等效基波磁通密度的幅值口。，。之所以要引入这个等效 基波磁通密度，是由于在直线电机中气隙磁密分布较为复杂，纵向和横向 边端效应造成了磁场的畸变，为了便于比较，可用等效气隙磁通密度来代 替实际的磁通密度。 2 2 1 主要尺寸和电磁负荷的关系 我们知道，在进行旋转电机设计时，为要按照预定的要求合理地确定电 机各部分的尺寸，总是首先确定电枢的直径d 和有效长度0 。