永磁直线电机电磁设计与有限元仿真分析

1、精选优质文档-倾情为你奉上精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业专心-专注-专业精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业河南理工大学毕业设计（论文）任务书专业班级 学生姓名 一、题目 二、起止日期 年 月 日至 年 月 日三、主要任务与要求 指导教师 职称 学院领导 签字（盖章）年 月 日河南理工大学毕业设计（论文）评阅人评语题目 评 阅 人 职称 工作单位 年 月 日河南理工大学毕业设计（论文）评定书题目 指导教师 职称 年 月 日河南理工大学毕业设计（论文）答辩许可证答辩前向毕业设计答辩委员会（小组）提交了如下资料：1、设计（论文）说明 共 页2、图纸 共 张3、指导教师意见 共 页

2、4、评阅人意见 共 页经审查， 专业 班 同学所提交的毕业设计（论文），符合学校本科生毕业设计（论文）的相关规定，达到毕业设计（论文）任务书的要求，根据学校教学管理的有关规定，同意参加毕业设计（论文）答辩。 指导教师 签字（盖章）年 月 日根据审查，准予参加答辩。答辩委员会主席（组长） 签字（盖章）年 月 日河南理工大学毕业设计（论文）答辩委员会（小组）决议 学院 专业 班 同学的毕业设计（论文）于 年 月 日进行了答辩。根据学生所提供的毕业设计（论文）材料、指导教师和评阅人意见以及在答辩过程中学生回答问题的情况，毕业设计（论文）答辩委员会（小组）做出如下决议。一、毕业设计（论文）的总评语二、

3、毕业设计（论文）的总评成绩： 三、答辩组组长签名：答辩组成员签名：答辩委员会主席： 签字（盖章）年 月 日目录 TOC o 1-3 h z u 摘要在传统的直线驱动场合，都是由旋转电机提供原动力，再由丝杠、丝杆、齿条等中间机构转换为直线运动。这样的设置，不仅在中间传动过程中消耗了大量的能量，而且摩擦产生的噪声也非常明显，同时也给系统的维护工作带来了麻烦。 直线电机的出现可以使上述问题得到解决，由于具备直接将电能转化为直线运动的能力，直线电机已经在机床驱动、集成电路组装等场合逐渐取代了传统的旋转电机的位置。 与旋转电机类似，按工作原理的不同，直线电机也有着各种类型，应用较多的是直线步进电机、直线

4、同步电机和直线感应电机。其中直线步进电机更多的是应用在需要精确定位的场合，比如半导体工业；后两者则被应用在需要连续和大推力的场合，比如机床。而直线同步电机，尤其是永磁直线同步电机，凭借更大的单位面积推力、更高的效率等优点受到了更多的青睐，与此同时，由于没有了励磁绕组，电机的整个结构也得以简化。另一方面，我国丰富的稀土资源也为这种电机的发展提供了广泛空间。 在完成永磁同步直线电机电机设计任务的基础上，本文利用加拿大Infolytica公司出品的电磁场有限元分析软件MagNet对电机的运行进行了仿真分析，并得到了电机的额定输出推力曲线和反电动势曲线。关键词：永磁直线； 设计； 有限元； MagNe

5、t； 仿真分析The design and simulation of magnetic linear motorIn conventional linear driving applications, original force is generated from rotary motor, so transmission devices is need, which causes large sum of energy loss, friction noise and brings out complicated maintenances. The introduction of lin

6、ear motor targets at these problems, being able to directly convert electrical energy to linear moving,linear motor has gradually replaced rotary motor in linear driving applications such as lathe driving and integrated circuit assembly. Similar to rotary motor, linear motor can be divided into vari

7、ous types according to working principles. Among these different types, linear stepping motor,linear synchronous motor and linear induction motor receive most focus, usually linear stepping motor is utilized in applications demand high precision, such as semi-conductor industry, while the later two

8、often go with large and continuous thrust applications,such as lathe.Linear synchronous motor, especially permanent magnet ones, receive more favor for larger thrust per area unit and higher efficiency,and the construction of motor can be simplified due to the absence of exciting armature.On the oth

9、er hand, abundant lanthanon in our country provides vast space for this kind of motor.Finishing design work of the motor,we use finite element method software for electromagnetic analysis MagNet manufactured by a Canadian corporation Infolytica.Key word: magnetic liner; design; finite element; MagNe

10、t; simulation1 引言1.1 课题研究目的及意义随着科学技术的进步，现代先进制造装备向着高精度、高响应、高速度、大行程并不断改善工件加工质量的方向发展。例如在现代数控机床上，往往要求机床进给装置拥有在有限行程中实现高速运动和精密定位的能力，这就必须要求该驱动系统反应灵敏、高速、轻便。然而传统的“旋转电机+滚珠丝杠”的进给方式由于其自身的弱点无法满足现代数控机床的要求，因为传统的进给方式从动力源（原动机）到工作台之间，需要齿轮齿条或联轴器等一系列的中间传递机构，冗杂的中间传递机构降低了整个系统的刚性，系统弹性变形又使该系统阶次变高，进而降低系统鲁棒性，恶化伺服性能1。近年来，直线电机

11、在先进制造装备中被逐步推广，特别是在一些大行程、高精度的场合，传统的丝杠由于其自身的局限性被直线电机所取代。在直线电机进给系统中没有联轴器等中间传递机构，实现了电机到运动台之间所谓的“零传动”，即直接驱动（direct drive）技术。在一般的数控机床中，因为其应用条件不是很苛刻所以一般采用性价比比较高的丝杠间接驱动方式，实现旋转运动转化为直线运动，但是在半导体工业、激光加工等这些要求高速、高精、大推力、或是快速响应的行业，滚珠丝杠已经无法满足系统要求的刚度、惯性、加速度等动态性能，并且丝杠副还有反向间隙，丝杠螺距的误差较大，高精度的 丝杠成本很高，并且丝杠与工件台反复摩擦磨损会引起丝杠精度

12、不稳定，工作台重量引起丝杠弹性变形等一些列问题。在一些运动场合要求苛刻的机床上，工程上甚至采用空心强冷技术来减少丝杠高速运转产生的热量，以免丝杠受热变形。相对而言，其技术的复杂性与成本都迅速增加，不适合市场经济的发展规律。所以说，直线电机驱动系统应用在数控机床上的优势已经日益明显，尤其应用于那些特殊的加工领域。相对于传统的驱动方式，直线电机有以下优点： 1）直线电机最大的优点是可以与执行机构直接相连，省去了中间转换机构，这样使得使系统得到简化，提高了系统的刚度，降低了系统的震动和噪音，并且使传递效率提高，易于维护。 2）直线电机速度高，可以很容易地达到5m/s甚至更高的速度，而滚珠丝杠达到2m

13、/s 的速度已经是极限了。实际中如果采用气压导轨或者磁悬浮作为支撑，可以消除机械摩擦，运动部件无磨损，则可以达到非常高的速度，如磁悬浮列车。 3）直线电机加速度高，由于没有中间环节，直线电机产生的推力直接用于加速，最高可以达到10g的加速度，因此响应迅速，这对于滚珠丝杠来讲是遥不可及的。 4）直线电机结构简单，其特殊的开放式结构使动子直接暴露在空气中，不像旋转电机动子被封在电机内部，从而具有很好的散热条件，一般不需要附加冷却装置。 5）直线电机在某些特殊场合具有不可替代的作用。如磁悬浮列车，已经核工业中液态金属的输送。表1-1为直线电机与传统驱动方式的性能比较。表1.1 直线电机与传统驱动方式

14、的性能比较性能滚珠丝杠方式直线电机方式精度（um）250.5重复精度（um）20.1最高速度（m/s）1.5215最大加速度（g）1.5210静态刚度（N/um）9018070270动态刚度（N/um）90120160210平稳性（%速度）101调整时间（ms）1001020工作寿命（h）60001000050000由于永磁材料性能的提高，特别是钕铁硼（NdFeB）材料的发明和应用，引起了电机领域的巨大变化。钕铁硼是当今磁性能最强的磁材料，它具所能提供的磁场强度比氧化铁磁材料大 10-15 倍，比铝镍钴磁材料大 5-10 倍，甚至高于电励磁，仅次于超导励磁。所以采用钕铁硼材料作为磁极可以使永磁

15、电动机尺寸减小、功率增大、性能提高。同时由于没有励磁线圈，减小了铜耗，也不存在电刷与滑环，使电机结构更加简单。以钕铁硼材料作为磁极使高性能的永磁同步直线电机的发展成为可能。永磁同步直线电机兼具永磁电动机和直线电机的共同优势。与感应式的直线电机相比，永磁同步直线电机能提供更大的推力，在相同的推力要求下可以使电机体积更小，且具有发电制动功能，适用于重载机床、高速运输系统等场合2。表1.2 两类直线电机的性能比较电机类型感应式永磁式推力小大效率低高平稳性较好好尘埃防护易难磁极传感器不需要需要然而永磁同步直线电机也有其自身的缺点，如表1.2，主要是存在较大的推力波动，严重影响电机的推力性能，增加了对电

16、机控制的难度。这与其高速高精的应用要求不相符合，也是永磁同步直线电机至今未能得到广泛应用的一个重要原因。因此，对永磁同步直线电机的推力波动进行深入分析，研究各种减小甚至消除推力波动的方法，提高永磁同步直线电机的推力性能和控制特性具有重要意义。1.2 直线电机的研究与发展现状1.2.1 直线电机的发展近几年，直线电机研究开发很快，其结构设计、控制理论和电机原理等方面都有了很大的进展，并已应用到国民经济的多个领域，很多机械的直线运动均由直线电机完成，它是一种很有发展前途的新型电机。直线电机的历史最早可以追溯到1840年惠斯登提出和制作雏形但不成功的直线电机至今已有170多年。气发展大致可分为三个阶

17、段：探索实验阶段（18401955）、开发应用阶段（19561970）和实用商品化阶段（1971）。1）探索实验阶段（18401955）从1840年到1955年的116年期间，直线电机从设想到实验到部分实验性应用，经历了一个不断探索，屡遭失败的过程。由于当时的制造技术，工程材料以及控制技术的现状，在经过断断续续20多年的顽强努力后，最终却未能获得成功。2）开发应用阶段（19561970）自1955年以来，直线电机进入了全面的开发阶段。这个时期，它可以说是直线电机的“文艺复兴时期”。特别是该时期的控制技术和材料的惊人发展，更加助长了这种势头。这种增长一方面固然是控制技术和材料促进了这种势头，另一

18、方面，前些年的理论探索和实验研究工作作为多面的技术储备起到了重要作用。3）实用商品化阶段（1971）从1971年始到目前的这个阶段，直线电机终于进入了独立的应用时代，在这个时代，各类直线电机的应用得到了迅速的推广，制成了许多具有实用价值的装置和产品。1.2.2 直线电机的应用现在直线电机被世界各国、各个行业广泛应用，主要体现在以下几个方面：1）在物流运输系统中的应用：邮政系统的邮包、印刷品的物流分拣、输送线, 如日本东京多摩邮局的大型邮政分拣机,深圳海关也采用了由浙江大学提供直线电机驱动的物流分拣线。目前 许多行业如电工、电子、机械、化工、医药等生产流水线和装配线也有部分使用直线电机驱动的传输

19、线。 2）在数控机床中的应用：传统机床的驱动装置依赖丝杆驱动，丝杆驱动本身具有一系列不利因素，如：长度限制、机械间隙、磨擦、扭曲、螺距周期误差等，而直线电机不仅无此缺陷，且结构简单、精度可以是丝杆的10 倍甚至100 倍，加速度可以是传统机床的20 倍以上，高速、超高速、高加速度、高精度数控机床只有使用直线电机驱动才能够达到要求。自1993年德国Ex-Cell-O公司研发出世界上第一台直线电机驱动工作台的加工中心以来，直线电机已在不同种类的机床上得到应用。德国、日本和美国等国家均有几十家公司的展品采用直线电机驱动系统。美国Gincinnati公司的HYPCR MACH高速加工中心，X轴长达46

20、m，采用直线电机驱动后，加工大型薄壁飞机零件，用传统方法加工一件要8小时，而用该机床只需30分钟。北京机电院高技术股份有限公司承担的“十五”攻关项目直线电机驱动的高速立式加工中心，于2003年研制成功国内第一台直线电机驱动的加工中心，并在2003年北京国际机床展览会展出。长沙一派自主研制成功的短行程高频响高刚度音圈式直线电机（频响300Hz以上，刚度达到10Kg/m），驱动的数控机床成功应用于内燃机关键零部件活塞的中凸变椭圆加工，得到行业好评，我国60%以上活塞中凸变椭圆是长沙一派数控机床加工的。3）直线电机在IT行业中的应用：PCB板定位、打孔机,计算机硬盘、软盘、光驱的磁头定位装置，打印机

21、，扫描仪等。如日本松下公司则将直线伺服电动机用于驱动数字扫描仪，使扫描仪总重减轻，启动推力提高，图象波动减少，扫描速度提高近5 倍。 4）直线电机在交通与民用方面的应用：直线电机应用于交通方面最典型的就是磁悬浮列车，它改变了传统轨道车辆靠轮轨摩擦力推进的方式，采用磁力悬浮车体、直线电机驱动技术，使列车在轨道上浮起滑行，在交通技术发展史上是一个重大的突破，被誉为21 世纪一种理想的交通工具。磁浮车与现有常规车相比，主要优点是：速度快（500km/h）；安全，无翻车；无噪声振动；占地小；爬坡强；结构简单；节能。国内外许多国家如德、日、美、法、英、俄、加拿大、韩国、瑞士、瑞典及中国都已投入了这方面的

22、研制，其中尤以德、日最为突出。中国目前除上海的磁浮列车外，还有北京、四川等地也正在进行这方面的工作。直线电机在民用方面发展也非常迅速，有直线电机驱动的门、窗、窗帘，盘形直线电机驱动的洗衣机，空调、冰箱用直线电机压缩机，还有用直线电机驱动的家用针织机和缝纫机、炒茶机等。特别是用直线电机驱动的电梯，它具有的结构简单、省材、省空间、高速、低噪声、节能的优点。 5）直线电机在军事上的应用：直线电机在军事上也得到了一些应用，如前面所述的直线电机驱动的潜艇，还有直线电机驱动的电磁炮，美国曾在1995 年宣布已完成。此外在一些军事设施上，如军用靶场、军用仿真系统、军用战斗武器如导弹的发射等等。随着工厂自动化

23、、精细化及机械制造行业的高速发展，对移动机构的定位精度、移动速度、以及启动、 停止的平稳性，执行元件的性能及控制技术提出了日益严格的要求，用传统的旋转电机已无法满足要求，而直线电机在这些重要场合弥补了旋转电机的不足。在新的需求和新材料新技术的推动下，直线电机将获得更大的发展。如智能型驱动器、智能型控制器的发展对直线电机的性能与精度提供了更高可靠性。为了扩大直线电机的应用领域，人们根据新的原理开发专用直线电机。如用复合弹性材料CFRP的新型超声直线电机3。1.2.3 直线电机控制技术的成熟随着控制理论的不断发展，直线电机的控制技术也日趋成熟，这在某种程度上也推进了直线电机本体设计的研究。目前，国

24、内对于直线电机控制系统的理论研究已经超过了对电机本体的研究，理论成果很多，但应用成果还很少。在不同的阶段，针对不同的直线电机，要有不同的控制方法。 1）直线感应电机的控制仍然以矢量控制为主 直线感应电机通常是调速的控制和精度要求不高的伺服控制，目前虽然有许多直线感应电动机的控制方法，但应用最多的仍然是技术成熟矢量控制。 2）永磁直线电机向直接转矩控制技术方向发展 目前，永磁直线电机直接转矩控制的研究和样品较多，而应用中的永磁直线电机仍有不少采用矢量控制，这里有一些技术问题尚需完善，但永磁直线电机总会向直接转矩控制技术方向发展。 3）无位置传感器技术正在得到人们的重视 目前，不管是旋转电机还是直

25、线电机，无位置传感器技术得到了越来越多的关注。相关人员也研究了很过方法，但到目前为止，高精度的直线电机无位置传感器技术尚未得到真正的应用。1.3 本文研究的主要内容本文主要研究永磁直线同步电机的电磁设计并进行有限元仿真分析。首先对直线电机的工作原理进行简单的介绍，并通过比较得出直线同步电机的工作性能的优越性。随后对传统永磁直线同步电机的设计方案的局限性进行简要的阐述，在此基础上引出本文的永磁直线同步电机设计理念，即使用单层绕组和集中式线圈的设计方案完成一个单元电机的设计。有限元法在工程中的应用广泛，近些年来在电机的设计和性能模拟中也逐渐广泛应用。本文第5章将简要介绍有限元法的原理和理论基础，以

26、及在电磁场数值计算中的应用，并通过MagNet软件对设计出的电机进行仿真分析。2 永磁直线同步电机的工作原理2.1 直线电机原理直线电机可以认为是旋转电机在结构方面的一种演变，它可看作是将一台旋转电机沿径向剖开，然后将电机的圆周展成直线，如图2-1所示。这样就得到了由旋转电机演变而来的最原始的直线电机。由定子演变而来的一侧称为初级或原边，由转子演变而来的一侧称为次级或副边。图2-1 旋转电机演变为直线电机的过程2.2 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方法。例如在考虑外形结构时，往往以结构型式上将其进行分类；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

27、质或机理时，则是以其工作原理进行分类。2.2.1 按结构形式的分类直线电机按其结构型式主要可分为扁平型、圆筒型（或管型）、圆盘形和圆弧型四种。所谓扁平型直线电机，顾名思义，即为一种扁平的矩形结构的直线电机。它有单边型和双边型，。每种形式下又分别有短初级、长次级或长初级、短次级，分别如图2-2、图2-3 所示。图2-2 单边型直线电机图2-3 双边型直线电机所谓圆筒型直线电机，即为一种外形如旋转电机的圆柱形的直线电机。这种电机一般为短初级、长次级型式。在需要的场合，我们还将这种电机做成既有旋转运动又有直线运动的旋转直线电机，至于旋转直线的运动体既可以是初级，也可以是次级。所谓圆盘型直线电机，即该

28、电机的次级是一个圆盘，不同型式的初级驱动圆盘次级做圆周运动。其初级可以是单边型也可以是双边。所谓圆弧型电机，它的运动型式是旋转运动，且与普通旋转电机非常接近，然而它与旋转电机相比也是具有如圆盘型直线电机那样的优点，圆弧形与圆盘型的主要区别，在于次级的形式和初级对次级的驱动点有所不同。2.2.2按功能用途的分类直线电机，特别是直线感应电机，按其功能用途主要可分为力电机、功电机和能电机。力电机 力电机是指单位输入功率所能产生的推力，或单位体积所能产生的推力，主要用于在静止物体上或低速的设备上施加一定的推力的直线电机。它以短时运行、低速运行为主，例如阀门的开闭、门窗的移动、机械手的操作、推车等等。这

29、种电机效率低，甚至为零（如对静止物体上施加推力时，效率为零），因此，对这类电机不能用效率这个指标去衡量它，而是用推力/功率的比来衡量，即在一定的电磁推力下，其输入的功率越小，则说明其性能越好。功电机 功电机主要作为长期连续运行的直线电机，它衡量性能的指标与旋转电机基本一样，即可用效率、功率因数等指标来衡量其电机性能的优劣，例如高速磁悬浮列车用直线电机各种告诉运行的输送线等等。能电机 能电机是指运动构件在短时间内所能产生的极高能量的驱动电机，它主要是在短时间、短距离内提供巨大的直线运动能，例如导弹、鱼雷的发射，飞机的起飞以及冲击、碰撞等试验机的驱动等等。这类直线电机的主要性能指标是能效率（能效率

30、=输出的动能/电源所能提供的动能）。2.2.3按工作原理的分类从原理上讲，每种旋转电机都有与之相对应的直线电机， 然而从使用角度来看，直线电动机得到了更广泛的应用。直线电机按其工作原理可分为两个大的方面，即直线电动机和直线驱动器，直线电动机包括直流感应电动机（LIM）、交流直线同步电动机（LSM）、直线直流电动机（LDM）和直线步进（脉冲）电动机（LPM）、混合式直线电动机（LHM）等。直线驱动器包括直线震荡电机（LOM）、直线电磁螺线管（LES）、直线电磁泵（LEP）、直线超声波电动机（LUM）等。这些直线电机又可分成不同的种类4。2.3 直线电机的特点当一种电机的结构发生变化，它的运行条件

31、和设计规范就要起很大的变化。由于电机磁路结构的变化，出现了一些用常规理论不能解释的新现象。因此，就需要对旧的分析方法做出修改，而且有时还需要发展新的理论。 直线电机的结构特点 机械结构：无须齿轮、丝杠等动力传递结构，可以直接获得直线推力。 电机的级数：直线电机在由旋转电机“剖开”和“拉直”的过程中，由于两端绕组的变化，会有许多种结构，这时直线电机的特点之一。例如，直线电机的动子初级的磁极数可以是单数、双数甚至是分数，所以在直线电机中，不采用极对数的说法，而是说几个极。 定子和动子的长度：直线电机的定子和动子长度一般是不相等的，即两边的级数不一致，但极距必须相等。以永磁直线同步电机为例，电枢绕组

32、（即动子）一般设计得较短，而作为定子的永磁体一般设计得比较长。 绕组的槽数：当采用双层绕组时，铁心的槽数要比相应的旋转电机槽数多一些（由线圈节距决定），才能放下三相绕组。这时，在铁心两端的一些槽内只放一层线圈边而空出半个槽。2.4 永磁同步直线电机的结构根据永磁体的安装位置，永磁直线同步电机可分为面装磁极型（Surface Permanent Magnet）和内部磁极型（Interior Permanent Magnet）。用于伺服目的的永磁直线同步电机一般采用表面磁极的结构，其凸极效应很弱，气隙均匀且有效气隙大。根据动子和定子的结构，永磁直线同步电机有单边磁极式，双边磁极式和圆筒形。以单边磁

33、极式为例，其结构是在定子上沿行程方向，顺次安装N、S极永磁体（材料一般为NdFeB），如下图2-4所示的横向剖面图所示。动子材料为硅钢片，线槽中放置三相绕组5。图2-4 永磁同步直线电机的结构2.5 永磁同步直线电机的工作原理永磁同步直线电机的基本原理和特性同永磁同步旋转电机是一致的，之所以称为直线电机只是其结构形式在旋转电机的基础上进行了演变。演变过程如下：将永磁旋转电机沿径向剖开，然后将圆柱面展成平面即得到直线电机的雏形，如图2-5所示。此时，原有旋转电机的定子部分成为初级，转子部分称为次级。同常规旋转电机不同，永磁直线电机可以选择固定初级或者次级，在初级通入电流的情况下，未被固定的部分都

34、可以在磁场力的作用下运动。图2-5 永磁直线同步电机演化图二者之间产生相对运动的原理与旋转电机的定子与转子之间产生的旋转运动的原理相同。当三相绕组中通入对称的正弦电流后，理论上在气隙中就产生了沿气隙圆周正弦分布的气隙磁场。经过 A-B-C 三相电流循环，等同于磁场过一周，并刚好是一对磁极的距离。根据同步电机的原理，旋转磁场的速度与转子转速相同，称为同步转速，用ns（r/min）表示,大小是与电流的频率f（Hz）成正比，与电机极对数 p 成反比，此时有： 如果用vs（m/s）表示定子内圆表面上磁场运动的线速度，由相应的几何关系可以得到：v上式中极距（m）。永磁同步直线电机是在永磁旋转电机的基础上

35、进行的结构改变。当向直线电机初级绕组中通入三相对称电流时，在气隙中会产生磁场。不考虑电机本身结构两端开断而引起的纵向边端效应时，可以近似认为磁场在纵向上也是呈正弦分布的，如图2-6所示。而当三相电流随时间变化时，气隙磁场的旋转半径变为无穷大，即沿直线运动，此磁场称为直线电机的行波磁场。很明显，行波磁场的速度和旋转磁场在定子内表面的线速度是相同的。=2f行波磁场与次级永磁体磁场相互作用，从而形成推动次级移动的推力6。图2-6 有槽铁芯平板式永磁直线同步电机原理图2.6 本章小结本章简要介绍直线电机的原理、直线电机的分类和直线电机的特点，直线电机可以看成是旋转电机的一种演化，可看作是将一台旋转电机

36、沿径向剖开，然后将电机的圆周展成直线。直线电机在不同的场合有不同的分类方式，如按结构形式分类、按功能用途分类、按工作原理分类等。最后，引出本文研究的重点-永磁同步直线电机，永磁同步直线电机是在永磁旋转电机的基础上进行的结构改变。本章对永磁同步直线电机的结构和工作原理进行研究，分析了是行波磁场和次级永磁体相互作用，从而形成推动次级移动的推力。下章将对永磁同步电机的结构设计进行研究。3 永磁同步直线电机的结构设计永磁电机设计是一个复杂的过程，需要考虑的因素和确定的尺寸、数据很多。其任务就是根据用户提出的产品规格、技术要求完成设计，其流程图如图3-1所示：图3-1 电机设计流程图本文所要设计的直线电

37、机主要性能指标，如表3.1所示：表3.1 直线电机的性能指标参数数据额定推力/N275额定功率/W106额定电流/A4.4额定加速度/g8.5同步速/ms-10.384反电动势常数/vsm-120.68电气时间常数/ms11.023.1 电机主要尺寸的确定在旋转电机的电机设计中，电机的主要参数遵循一定的数学关系式（3-1）。电机外形大小主要收到参数A和参数B的影响，线负荷A和磁复合B的选定有相关的经验可以遵循。A及B主要影响电机的铁耗和磁钢的尺寸大小。然而在永磁直线同步电机中，电机内各个参数的关系需要重新推导7交流电机的计算功率为:式（3-2）中：m:电枢绕组的相数，一般交流电机均为三相电机，

38、所以m=3E:电枢绕组的相电动势；I:电枢绕组的相电流；电枢绕组的相电势为：E=2式（3-3）中：Knm:气隙磁场的波形系数，当气隙磁场为正弦分布时其值为f：电流频率；N：电枢绕组的每相串联匝数；Kdp：电枢的绕组系数，计算时通常取基波绕组系数：电机每极磁通电机每极磁通式（3-4）中：B:气隙lef：永磁同步直线电机的轴向计算宽度带入各式可得永磁直线同步电机各个参数满足公式（3-5），式（3-5）中：L: 永磁同步直线电机的纵向长度。lefv：电机连续速度。BKdpKnmipA：永磁同步直线电机电负荷。上式（3-5）中，i、Knm、Kdp的变化并不大，电机的连续速度v以及计算功率p则是根据实际

39、的需要所给定的值，所以永磁直线同步电机的大小Llef主要由参数A和参数B的数值确定。散热条件好或间歇运行，连续轻载运行工况的平板型直线同步电机一般取A为500A/cm到1000A/cm，B一般取为0.63.2 电机气隙的选取对于永磁电机设计,气隙的选取是很重要的。不同气隙的选取对电机的性能有影响，而且必须考虑永磁同步直线电机的安装问题、国内机加件的尺寸精度及其安装工艺的可行性，过小的气隙虽然增大电机的推力，但是同时也增加电机的磁阻力和电磁吸力，从而导致工装难度，过大的气隙则会在很大程度上减低电机的额定推力，导致相同体积电机的额定推力不能满足设计要求。综合考虑，气隙的选择一般在0.8mm到1.0

40、mm。本文综合考虑安装工艺和设计要求选取气隙为1mm910。3.3 电机永磁体尺寸的确定在永磁同步直线电机中，如何选择合适的永磁材料直接关系到电机的性能与经济性，因为磁场主要是由永磁体提供的，永磁体的尺寸设计与电机的磁路有关联。永磁体的选择一般应该满足以下的要求：(a) 永磁体应能在自己所处的空间上产生所需的励磁磁场，即能满足所设计电机的推力要求；(b) 永磁体所产生的励磁磁场应该有良好的稳定性，在工作时不会随着温度和外界环境的变化而波动明显。(c) 具有良好的耐腐蚀性能；(d) 具有较好的力学性能，如韧性好、抗压强度高、可加工性强等；(e) 价格合理，经济性好；永磁体尺寸主要有三个参数：永磁

41、体的长度lm,永磁体的宽度bm和永磁体的高度lm的确定一般原则上比永磁同步直线电机的横向铁芯长度lef略小，一般等于或小于横向铁芯长度1mm。所以确定永磁体的整体尺寸只需要确定永磁体的宽度bm永磁电机的预估公式为：式（3-5）（3-6）中：rp：永磁同步直线电机初级与次级之间的气隙间隔 11 。本文中取BrB=1.2，则3.4 电机槽口的设计槽口的设计需要考虑到电机槽满率、匝数、电密、热负荷及各部分磁密分布是否合理等因素，还需要考虑如何尽量减少齿槽力波动和方便漆包线嵌入初级槽内1213。槽口的设计应该满足以下条件：(a) 要有一定的槽面积便于合理放置线圈和绝缘纸，槽满率Ks(b) 齿的厚度不能

42、太小，太小的话容易使得硅钢片中 B 达到饱和，使得电机发热严重。一般控制齿部磁密Bt(c) 为了便于电机嵌线，槽口应该有一定的宽度，适当的话可以设计一些小齿。(d) 槽深和槽宽的比例对电机的漏抗有很大的影响，可以改变齿和槽的形状来改善电机的漏抗。3.5 电机绕组设计绕组设计是电机设计的一个重要部分，直线电机绕组可分为分数槽绕组与整数槽绕组。每极每相槽数q为分数的电机称为分数槽。因为分数槽绕组设计方案解决了电机极数多的情况下，同时尽量增加电机槽数的问题，所以现阶段较多优选考虑分数槽绕组设计，特别是应用到三相交流的场合，该分数槽绕组设计应用在多极大型水轮发电机、低速同步发电机等领域特别广。分数槽电

43、机通过绕组等效分布，削弱了电动势和磁动势的谐波分量，改善反电动势波形的正弦性，并且集中绕组减少了线圈端部的伸出量，减少电机铜耗，提高绕组利用率。本文所设计的电机采用12槽11极分数槽绕组形式，采用单层绕组，绕组连接方式为每相两个线圈串联，三相绕组采用Y型连接。图3-1为12槽11极绕组结构图。槽电势相量星形图如图3-2所示，定子绕组连线方式图如图3-3所示。图3-2 12槽11极绕组结构图图3-3 槽电势相量星形图图3-4 12槽11极绕组连线图3.6 电机结构设计根据=v/2f=0384/(2*12)=16,选取定子永磁体极距=16mm,又知永磁体宽度bm=14mm，定子轭部高度取极弧系数选

44、取动子槽宽为bs=7mm,则齿宽bt=7.67mm,槽高hs=25mm，动子铁心总高度42mm 一般情况下，动子运动方向上两侧各留有/4长度而在直线电机设计中，动子运动方向长、宽之比一般在3左右，遵循这一原则，我们定义动子运动方向宽度l2=50mm14153.7 本章小结本章对永磁同步直线电机的设计步骤进行了基础的初步分析，主要从旋转电机设计的理论公式推演直线电机设计所涉及参数之间的关系，使所推演的公式满足直线电机的设计要求。对于永磁同步直线电机的气隙大小的选择，综合考虑电机的安装工艺和机加件的精度要求，初步确定电机的初级与次级之间的气隙值为0.8mm。绕组设计确定为12槽11极的分数槽绕组。

45、然后大致选定电机的主要尺寸、永磁体尺寸、槽口尺寸等。 确定了永磁同步直线电机的尺寸和结构参数后，下章将对电机的电磁和电路进行进一步的计算和研究，并完成对永磁同步直线电机绕组匝数和线径等参数的选择。4 永磁同步直线电机磁路计算4.1 磁路计算4.1.1电机气隙磁路计算极弧系数对电机齿槽转矩有很大影响1617，极弧系数可由公式（4-1）计算：由（4-1）代入数据得：然后通过计算极弧系数公式：由（4-2）代入数据计算得空载主磁通：式中0为空载漏磁系数，本文去0=1.12，bm0为假定永磁体空载工作点，本文取bm0=0.78，Br=1.2723将（4-4）以及已知参数带入（4-3）中，则已知空载主磁通

46、，则气隙磁密可由下面公式计算得出：式（4-5）中，Lef为将（4-6）代入（4-5）中，B所以，相邻一对极下的气隙磁位差为：式（4-7）中，0为真空中的磁导率，取值0=410由（4-8）带入相应的参数。求得kg=1.436由（4-7）代入相应各值，则可计算得：电机动子齿的磁密Bt1可由式（4-9）算出式（4-9）中，kfe为硅钢片的叠加系数，本例中取在对电机动子齿的磁场强度Ht1k进行计算时，一般情况下可通过在曲线上描点获得，该方法很难保证结果的精准性，必须要采用计算机来完成，在此就要对材料采用线性插值的方法，来保证结果的精准性，如图4-1所示，在图中x1kBt1kx则Ht1一对相邻的磁极下动

47、子齿的磁路计算过程中有效长度lt1为因此，可算出电机动子齿部的磁位差为：本文中Ht通过查表近似取为4317A/m,则算得4.1.2 动子轭部磁路计算对电机动子轭部磁路计算时，要先算出电机动子轭部的磁通密度Bj1，B式（4-13）中Lj1为初级轭部磁路的计算长度式（4-14）代入式（4-13）中，可算得：B再通过与齿部磁路磁路计算相同的方法，通过线性插值找到与Bj1点对应的磁场强度H磁路校正系数为cj1，本文中选用c得：Fj14.1.3 定子轭部磁路计算对电机定子轭部磁路计算时，要先算出电机动子轭部的磁通密度Bj2，B式中Lj1为初级轭部磁路的计算长度式（4-17）代入式（4-16）中，可算得：

48、B再通过与齿部磁路磁路计算相同的方法，通过线性插值找到与Bj1点对应的磁场强度H磁路校正系数为cj2，本文中选用c得：F4.2 电路计算对永磁直线电机的电路进行计算，主要是针对电机的以下几部分：1） 计算电机绕组所需的线圈匝数； 2） 依据电机的槽满率，选取线径及漆包线的型号； 3） 算出电机绕组的端部长度，求电机的相电阻及其它参数1920。4.2.1线圈绕组匝数的设计电机线圈匝数可由电机的电势系数求得。根据本文所设计的电机及电机绕组的结构，电机的节距取为电机的槽距，则电机绕组的节距为：本文中，=24mm。则电机绕组的短距比可由下式求得：电机线圈的绕组系数可由下式求出： 在式(3-31)中其中

49、，q为每极所占的电机槽数，在本文中为4，则电机的绕组系数可由下式求得：线圈绕组基波绕组系数：其中kp1为而kd1为则kdp已知电机的反电势常数ke=20.68vs可求得电机的空载反电动势：采用空载电势的方法求电机线圈匝数，因为线圈匝数和空载电势有如下关系：式中，E0为空载电势，kdp为线圈绕组系数，N 为绕组每相串联匝数，0表示的空载主磁通，K表示气隙磁通波形系数，可求出气隙磁通波形系数K电机每相绕组所串联匝数可由下式求得：将相应的值代入上式，可以得到每相串联匝数N 的理论值为：因为此电机电枢绕组的并联支路数为1，所以我们可以进一步计算动子线圈的每槽导体数为：式（4-31）中，Z 表示的是动子

50、的槽数，此处取值12，所以每槽导体数的值为：因为该数值只能为整数，所以此处每槽导体数取值147，即每相串联匝数294匝。4.2.2 线圈线径的选取综合制造工艺的实际，选取绝缘纸的厚度为Ci通过下式算得绝缘占的面积：式（4-32）中，hs为槽高，b由（4-32）代入相应的值计算可以得到： A槽的面积： 将bs=7mm, A则槽的有效面积为：将式（4-33）和式（4-32）代入，可求得槽的有效面积： A则槽满率可以用公式（4-35）表示：式中dL为加漆膜后导线的直径 其中d为导线的裸导线直径。假设该电机绕组为人工绕线，槽满率较高，电机的槽满率暂设定为 95%，则导线线径可由下式计算：本文中导线双边

51、的绝缘厚度dd取为 0.06由此可知裸线线径不得大于 0.9331mm ，本文中裸线线径取为 0.93mm 。则实际导线的线径和槽满率分别如下式所示：则实际的导线的截面积为：4.2.3 电动机相电阻的计算绕组每半匝线圈的端部长度选为Ld=t/2+d0则平均每匝线圈的长度lav常温下（ 25C ），铜线的电阻率为:r则初级动子的相电阻R20式（4-45）中，N为每相线圈的串联匝数，Ac为代入数值计算可得：动子端部相电阻R已知动子相电阻R20 ，则两相串联时的电阻槽漏抗：其中q1=4为每相式（4-50）为槽漏导系数求解公式。求得Xs端部漏抗可由下式求出：式中e为4.3 电动机的效率及电动机的电磁损

52、耗计算本节将采用路的方法对电机的工作效率、损耗、效率、电流密度及电负荷等参数进行分析计算2122。本文选取硅钢片的质量密度为=7800kg/m式（4-53）中，V V=将相应数值代入式（4-54），可求得初级硅钢片的体积为：代入（4-53），算出硅钢片的质量为2.1895kg。动子齿部的损耗Pt1式（4-55）中，Losst1为已知每极气隙磁通d则基波的气隙磁通永磁体的磁通由此可通过下式计算出动子齿部磁通密度Bt1由此可得动子齿部的损耗Pt1式（4-60）中，Loss前面已经算得每极气隙磁通d所以，基波气隙磁通进一步计算，可以得到磁钢磁通的值为： 因此，就可以计算得到动子齿部磁通密度的值为：所

53、以，通过查表得，磁通分别为1.6T 和1.7T 时，铁损曲线对应的铁损耗分别为5.8W和 6.8W ，在两点之间作线性取值为6.541W。因此，动子齿部损耗的值为：下面用同样的方法计算动子轭部损耗，首先计算动子轭部铁重： 式（4-61）中，代入相应的值，计算得到：而动子轭部的磁通密度为：所以，通过查表，取连续的两点 0.6Wb和 0.7Wb，得到对应的铁损值 0.97W 和1.25W ，再近似地通过线性插值得到与Bj1Loss最后，得到动子轭部的损耗大小为：综合动子轭部和齿部的运算结果，可以得到总铁耗为：式中，k认为在电机运行过程中不存在摩擦，所以机械损耗取值为0，即：P所以，可以计算得到空载

54、损耗：由物理学知识，可以知道空载推力和空载损耗遵循以下关系：所以，空载推力T0由式（4-45）的计算，25摄氏度下动子每相电阻值为：1.3082欧姆。则所以，电机总损耗大小为：根据以上数据可以算出电机的工作效率。电机动子绕组的电流密度大小为：动子电枢线负荷大小为：线负荷的大小一般要求保持在30000到50000之间，这一数值符合要求，既能满足足够的电流利用率，又不致电流过大而发生意外事故23。4.4 本章小结 本章主要研究了永磁直线同步电机的设计，并通过计算分析了电机的设计过程，主要包括了电机的磁路部分和电路部分计算，并运用路的方法对电机的铁耗、工作效率等性能参数进行了计算分析。并对永磁同步直

55、线电机的线圈匝数和线型等参数做了计算和选择。 由于使用路的方法无法直接方便的得到电机的额定输出推力曲线，所以下两章章我们将通过电磁场有限元分析软件建模，以得到电机更完整的工作性能参数。在下一章中，将对有限元分析法做介绍。5 永磁直线电机的有限元分析基础5.1 永磁直线电机电磁场理论5.1.1 Maxwell 方程组 Maxwell 方程组是在宏观上解决有关电磁场问题最基本的方程组。电磁场的分析实际上是求解给定边界条件下的Maxwell方程问题。该方程组不仅可以采用积分的形式来表示，还可以采用微分的形式来表示。采用有限元方法分析电机电磁场问题时，Maxwell 方程组大多采用微分的形式。Maxw

56、ell 方程组的微分形式为：式（5-1）中，方程组从上到下分别为法拉第定律、麦克斯韦-安培定律、高斯定律、磁场高斯定律。式中的磁场强度、磁感应强度、电场强度、电位移、电流密度和电荷密度它们之间遵循以下关系：不考虑位移电流时，Maxwell方程可表示为：上述Maxwell方程组为采用有限元法分析电磁场问题提供了基本的理论基础。从上式可看出，如果单纯采用上述方程组来分析电磁场问题是不太容易的。为了能够快速有效的分析电磁场问题，首先要对Maxwell方程组进行合理的变换，针对不同电磁场问题，要保证求解的准确性就必须定义合适的电磁场边界条件24。 在求解电磁场的问题时，只要加入合适的边界条件，就能采用

57、 Maxwell 方程组来解析。求解稳定电磁场问题时，主要求解B和J 之间所存在的关系问题，加入合适的初始及边界条件的情况下，通过引入位函数对其进行求解，将使求解大为简化。求解电磁场无旋场问题时，通过加入标量磁位 ，令 J =0 ，则 H =0 ，同时假定：H=-(5-4)标量磁位所有相等的点组成的面为电磁场的等磁位面，由于H 与等磁位面互相垂直。则可得：=0(5-5)媒质 存在非线性和线性两种形式，则式（5-5）相应的也存在两种形式。(1) 当媒质 不是常数时，即非线性时媒质 不是常数，为非线性时，例如磁性材料，当媒质 是非线性时，则标量磁位在坐标系中可通过下式进行求解。 (2) 当媒质 是

58、常数时，即线性时当媒质 是常数时，为线性时，则2在对标量磁位进行求解时，其只局限于J=0的情况下，只是一个特例问题。然而电磁场问题大部分情况是J0情况下进行求解的16。为了能够对任意电磁场问题都能够求解，可假定B =A，对于不同的媒质 ，式（5-8）存在相应的方程形式：(1) 当媒质0时矢量磁位A满足下式的关系：在假定B =A及A=0的情况时，式（5当非线性时，式（5-8）变换为：则： 式(5-11)中，ex则电磁场的矢量方程可分出求解电磁场的标量方程： 在电磁场的二维平面中，假定J=JZez、A=A 在电磁场的二维平面中，标量磁位方程只能用来求解电磁场的无旋区，矢量磁位方程既可以用来求解无旋

59、区也可以求解有旋区。因此，求解电磁场二维平面的问题时大多采用矢量磁位法。(2) 当媒质 为非线性时采用电磁场矢量分析时：当A=0时，则： 式（5-17）直角坐标系中可由下列方程表示：求解电磁场二维问题时，J=JZez、A=AZez5.1.2 电磁场分析方法电磁场分析方法很多，主要可以分为以下四种类型：模拟法、图解法、解析法和数值法。模拟法是通过试验测量具有相同场域方程，相同边界条件和交界面条件下的模拟量，实现对电磁分布规律的求解这种方法仅用于二维或三维情况下的拉普拉斯方程求解，它不能考虑具有各向异性介质或非线性介质场域的情况下的求解问题，特别是三维场域的情况，造价昂贵，工作繁重且使用范围非常小

60、。图解法的应用比较早，这种方法仅用于二维形式的拉普拉斯方程，通常它们是以解析函数的性质作为基础的。即使很细心应用这种方法，其精度也十分有限。在数值计算之前，解析法的发展比较成熟和完善。主要原因是当时关于电磁分布的边值问题的主要研究内容就是解析法。有些解析方法或其结果至今仍应用于工程中，如：分离变量法、保角变换法等。还有一些当时流行的其他方法，如积分方程法，变分法，以及针对各种具体实际问题的特殊求解方法，如镜像法、逆问题法、变分法，但这些方法只能用于简单的场域形状或单一介质，并需要运用对称条件等。解析法的推导过程相当繁琐和困难，但它的发展还是相当庞大，包括各种具有普遍性和特殊性的算法。解析法的主