【《无铁心永磁直线同步电机的结构对比概述》2800字】

无铁心永磁直线同步电机的结构对比概述目录TOC\o"1-3"\h\u25342无铁心永磁直线同步电机的结构对比概述 1150331.1有限元方法简介 1150751.2有限元仿真软件AnsysMaxwell简介 2183001.3不等宽Halbath结构永磁体磁场性能的研究 2Halbach永磁直线电机通过永磁体特殊的排列方式就实现了单侧磁屏蔽而另一侧的磁场加强，其机理在于两个充磁方向相反的竖直永磁模块中间，存在一个水平充磁模块，两个竖直充磁模块与水平充磁模块相邻的磁极形成的磁力线上下方向相反，而中间部位磁性体在图的上部因磁力线方向与其相反而将磁场强度抵消，下部磁力线方向相同而将磁场强度加强。当永磁模块重量一致时，其产生磁场的磁性体是相同的，但其磁极厚度、宽度、极对数不同，充磁角度不同，会导致其磁力线形状不同，合理的磁极参数设计，可以进一步提高长定子无铁心永磁直线同步电机的推力密度，降低推力波动。因此本文将提高长定子无铁心永磁直线同步电机的推力密度，降低推力波动为目标，对动子磁体进行优化研究。有限元方法简介有限元法原理有限元方法将近似对实际的问题进行模拟，利用物理场的理论方程和边界条件、初始条件，再将实际的场进行合适的单元划分，对求解的时间步长也进行一定的细分，满足一定的条件就能得出比较符合真实情况的解。因此利用有限元软件求解工程问题的步骤可分为以下步骤：首先确定待求解的问题中涉及到的物理场类型，其中可能包含多个物理场的影响，挑选出最主要的几个场，也即是确定要求解的偏微分方程或者常微分方程。并且需要确定待求解的问题的解的类型，如瞬态、稳态、特征值、频域等；将物理场的形状进行几何图形标准化，确定合适的边界条件和初始条件；将几何域进行离散化，也称划分网格，将求解的域划分成有限个单元，选择合适的网格大小和网格类型，网格划分影响解的精确性和求解的速度，网格越细求解就越慢，相反解的精度就更好；选择合适的求解方法，在软件中选择合适的求解器，划分时间步长，即可进行求解。有限元软件会自动根据划分的网格组装矩阵，根据物理场方程和边界条件利用加权余量法或者虚功原理等建立代数方程组或微分方程组；利用求解的数据进行处理得到所需的物理量的数值解。综上，对于有限元方法的求解步骤分为前处理、求解、后处理，每一步都需要选择或者设置成合适的条件才能得到符合物理问题的解。有限元仿真软件AnsysMaxwell简介本文中所使用的有限元仿真软件为Ansys公司旗下的Maxwell软件，利用该软件可以绘制所需要的仿真模型，并且AnsysMaxwell软件在处理数据方面具有很强大的功能，能够精确的得到计算结果，该有限元仿真软件目前广泛应用于电磁场的仿真计算领域中。并且该软件广泛应用在在涡流场、热场、电场、磁场的仿真计算分析中，因此对于该软件的使用较为直观、方便。使用AnsysMaxwell有限元仿真软件使得参数化二维模型、三维模型的建立变得方便，并且该软件自带的材料库中存在绝大部分工程中常用的材料，也可以根据需求自定义所需要的新的材料。在对直线电机进行仿真时，无论是静态还是瞬态仿真，在仿真结束后都可以根据设置求得如反电动势、电感、推力等可以反应电机特征参数的量。Maxwell所求解得到的数据除了可以在软件中进行处理分析，可以导出，使用其他数学分析软件进行分析。不等宽Halbath结构永磁体磁场性能的研究针对采用Halbath永磁结构的中速磁浮列车电机，提高其推力密度，降低其推力波动是所有研究人员永恒的追求，但Halbath永磁结构的直线电机结构本身并不复杂，提高推力的途径一是在保持永磁材料总重不变的情况下通过改变永磁体形状、装配方式等提高永磁体磁场强度，二是在供电指标不变的情况下，提高电枢绕组的效率。有研究人员研究了凸形、梯形、不竺厚等永磁体结构对磁场强度的影响，发现永磁体厚度增加磁场强度随之增加，也有研究人员有过研究电枢绕组的装配方式，实现了提高气隙强度，进而提高了推力密度的目的。本章拟通过改变Halbath永磁结构宽度，研究矩形不等宽Halbath结构永磁体对磁场基波幅值、谐波含量及推力的影响，采用有限元法寻找最优宽度比值，并通过对定子电枢绕组结构研究，寻找更优的定子绕组结构。电机基准参数的确定：本课题所研究的中速磁浮列车采用的原始方案即长沙204m试验线中速磁浮车使用的永磁直线电机原型，动子使用四段式Halbach永磁体，具体参数如表3.1：其中磁极宽度46mm，厚度50mm，充磁角度45度，定子电流1200A。表STYLEREF1\s3.SEQ表\*ARABIC\s11永磁直线同步电机结构参数TableSTYLEREF1\s3.SEQTable\*ARABIC\s11Structureparametersofpermanentmagnetlinearsynchronousmotor原方案结构参数极距τ/mm200总长度l/mm2700磁极对数p6.75气隙长度g0/mm15每节车厢电机数5车厢数Z方向有效长度lef/mm磁体总重量W/g25008040.8永磁体不等宽磁场性能研究结果Halbach结构理论表明，在数量一定的前提下，永磁体段数越多，Halbach结构磁场的正弦畸变性越低，但磁体的制造、安装也越困难，考虑到实际应用的可能性，本章对不等宽Halbach永磁结构永磁体的研究，主要基于二段式和四段式二种。永磁体宽度变化考虑了二种情况，一是二段式中每段磁体宽度都同时变化，设定二段式中一块磁体宽度为wPM1，另一块宽度为wPM2时，wPM1与wPM2同时变化宽度，二是二段式总宽度不变，wPM1+wPM2为定值，一段宽度减少的量加到另外一段。下面分别对二种情况进行研究：动子使用二段式Halbach永磁体，保持永磁体用量不变，通过改变磁体宽度wPM值进行比较。考虑到磁体高度hPM过大，不适于装配，wPM变化范围从51mm到96mm。该方案结构示意图如图3.1所示和图3.2所示，其中图3.2(a)wPM和hPM对最大推力影响，图3.2(b)wPM和hPM对THD影响，图3.2(c)wPM和hPM对气隙磁场基波磁密幅值影响。图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s11二段式IPMLSM结构图FigureSTYLEREF1\s3.SEQFigure\*ARABIC\s11IPMLSMwith2-segmentHalbachmagnet图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s12wPM和hPM对推力特性的影响FigureSTYLEREF1\s3.SEQFigure\*ARABIC\s12Variationofthethrustcharacteristics由上述计算结果可知，在相同的磁体用量下，导体上表面气隙磁密基波幅值随着磁体宽度wPM增大而增大，如图3.2（c）所示当磁体宽度wPM=96mm时气隙磁密基波幅值最大；气隙磁场谐波含量则随着径向充磁磁体宽度增大先减小后增大，在wPM=61mm时，谐波含量最小；最大推力也随着径向充磁磁体宽大增大而增大，在wPM=96mm时最大。动子使用改进式二段式Halbach永磁体，径向充磁磁体宽度为wPM1，wPM1变化范围从5mm到150mm。图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s13改进式二段式IPMLSM结构图FigureSTYLEREF1\s3.SEQFigure\*ARABIC\s13ImprovedIPMLSMwith2-segmentHalbachmagnet图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s14wPM和hPM对推力特性的影响FigureSTYLEREF1\s3.SEQFigure\*ARABIC\s14Variationofthethrustcharacteristics计算结果如图3.4所示，其中图（a）表示wPM和hPM对最大推力影响，图（b）表示wPM和hPM对THD影响，图（c）表示wPM和hPM对气隙磁场基波磁密幅值影响，可知在相同的磁体用量下，导体上表面气隙磁密基波幅值随着径向充磁磁体宽度增大先增大后减小，在wPM1=100mm时气隙磁密基波幅值最大；气隙磁场谐波含量则随着径向充磁磁体宽度增大先减小后增大，在wPM1=95mm时，谐波含量最小；最大推力也随着径向充磁磁体宽大增大先增大后减小，在wPM1=100mm时最大。动子使用改进式四段式Halbach永磁体，径向充磁磁体和轴向充磁磁体宽度为wPM1，wPM1变化范围从6mm到86mm。图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s15改进式四段式IPMLSM结构图FigureSTYLEREF1\s3.SEQFigure\*ARABIC\s15ImprovedIPMLSMwith4-segmentHalbachmagnet图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s16wPM和hPM对推力特性的影响FigureSTYLEREF1\s3.SEQFigure\*ARABIC\s16Variationofthethrustcharacteristics计算结果如图3.6所示，其中图（a）