永磁同步空芯直线电机推力计算及其特性分析

摘要

永磁同步直线电机是把电能直接转换成直线推动力能的装置，与传统旋转电机相比，直线电机不需要中间传动装置，可以直接把电机推力传递给工作台，进而带动负载做直线运动。与此同时它还具有结构简单、单位推力大、可靠性高、动态性能好等诸多优点，在高速列车、工业自动化、电磁炮等领域都有着广泛的应用前景。但是，直线电机由于自身结构的原因会存在端部效应和齿槽效应，它们会引起电机磁阻力扰动、负载扰动、系统参数摄动等，这几个因素使电机输出推力形成波动，直接关系到电机定位精度和输出推力的平稳性，使得直线电机在工业实践应用方面受到较大制约。
　　永磁同步空芯直线电机，由于其定子绕组为空芯线圈的特点，所以不会产生齿槽效应，并且削弱边端效应，虽然同时削弱了推力的最大值，但是提高了电机推力的稳定性，使得其更容易控制，如果该电机运用于高速运输方面会使得列车运行更平稳，车体无需通电，这样大大减少电磁辐射对人身的危害。本文以研究永磁同步空芯直线电机推力特性为核心，对电机结构与推力进行分析，并用有限元软件ANSYS对分析结果进行仿真验证。
　　首先，运用路理论电机推力进行计算。从空芯直线电机结构特点出发，针对电机绕组为空芯的特点，运用永磁体励磁等效方法将永磁体等效为通电线圈，计算励磁线圈与初级绕组线圈间的互感，进而运用虚功原理求得水平推力。同时分析水平推力与电机主要结构参数之间的关系。
　　其次，运用有限单元计算软件ANSYS对永磁同步空芯直线电机电磁场分布进行模拟仿真，并对水平推力进行计算。搭建永磁同步空芯直线电机的二维模型，通过二维静态场仿真得出不同结构参数下永磁同步空芯直线电机的水平推力，验证解析计算的结论。
　　最后，空芯线圈不存在铁心齿槽，已经对磁阻力进行了削弱，若采用具有单边聚磁效应的Halbach永磁阵列替换电机中常规径向永磁阵可以使推力输出更稳定，运用有限元法分析比较两种不同磁体排列对电机输出水平推力的影响。同时电机初级绕组采用分数槽，也可以降低电机推力的波动。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景

1．2 永磁同步直线电机国内外研究现状

1．2．1 直线电机在交通运输领域的发展应用

1．2．2 空芯永磁直线同步电机的研究现状

1．3 论文的主要研究内容

第2章 永磁同步直线电机的原理及分类

2．1 引言

2．2 永磁同步直线电机的原理及分类

2．2．1 永磁同步直线电机工作原理

2．2．2 永磁同步直线电机的结构与分类

2．3 永磁同步空芯直线电机各参数初步选取

第3章 永磁同步空芯直线电机推力解析计算

3．1 引言

3．2 推力计算常用方法

3．3 基于路理论电机推力计算

3．3．1 永磁体励磁等效

3．3．2 空间平行两矩形线圈之间的互感系数

3．3．3 永磁体励磁等效线圈组与初级定子绕组间的互感

3．3．4 虚功原理与互感线圈间的推力

第4章 基于ANSYS永磁同步空芯直线电机有限元分析

4．1 有限元基本思想与ANSYS软件

4．1．1 有限元计算基本思想

4．1．2 通用有限元软件ANSYS

4．2 ANSYS有限元分析步骤

4．3 电机推力有限元计算与分析

第5章 Halbach永磁同步空芯直线电机

5．1 引言

5．2 Halbach永磁阵列

5．3 Halbach永磁同步空芯直线电机

5．4 分数槽绕组对电机推力波动的改善

总结与展望

致谢

参考文献