动磁式永磁直线同步电动机电磁力分析

    郝双晖，刘吉柱，龙瑞政，郑伟峰，郝明晖

    (哈尔滨工业大学，黑龙江哈尔滨150001)

    摘要：结合永磁直线同步电动机的特点，介绍了在超大功率场合的动磁式永磁直线同步电动机的应用结构形式。利用有限元分析方法分析了电动机相关结构参数对电动机推力和齿撸力的影啊，得到了齿槽力波动周期的计算方法，以及相关结构参数对电动机推力、推力波动的影啊曲线和不同结构参数时的齿槽力波形，实验论证了分析结果的正确性。

    关键词：动磁式；永磁直线同步电动机；齿槽力；有限元分析

    中图分类号：TM34l；TM359．4    文献标识码：A  文章编号：l004—71118(2010)01—0001—03

0 引  言

    永磁直线同步电动机(以下简称PMLsM)具有推力大、功率密度高、损耗低、时间响应快等优点，在民用和军用领域都得到了越来越广泛的应用。与动圈式直线电动机相比，短次级、长初级结构的动磁式永磁直线同步电动机在大功率、长行程、高速往复运动的应用场合，具有更大的优势。动磁式直线电动机配合合适的机械结构，电机推力可以通过增减永磁体的极对数来达到增减推力的目的，因此其模块性更强。本文介绍了用于超大功率场合的直线电动机的总体结构，并利用有限元分析方法，综合分析了动磁式永磁直线同步电动机的结构参数对电机电磁力特性的影响。

1超大功率直线电动机的应用结构

为提供足够的推力以及克服电机单边磁拉力的影响，在超大功率的场合一般采用双边直线电动机的结构。但是超大功率的双边直线电动机结构尺寸大、工艺难度高，同时也对电源系统提出了很大的挑战.因此可将超大功率的直线电动机拆分成多个双边直线电动机在空间上的组合，这些直线电动机功率相对更小，但通过组合不但能够满足超大推力的要求，而且降低了工艺难度和单个电机对电源系统的要求。这种多层多列的空间阵列组合如图l所示，定子的中问是装有永磁体的动子，整个系统的推力可以通过增减系统的电机数量和动子的长度来实现增减。

 

 

    在驱动绕组结构上，定子采用集中绕组的形式，电机加工和装配更简单，也有利于将定子结构进行模块化设计。永磁直线同步电动机无论功率多大，它都具有一般刀(磁直线电动机的特性，所以磁极宽度、磁极高度、槽距、槽宽、槽深、气隙对电机的推力及其波动以及齿槽力都有很大的影响。

2有限元分析模型

利用二维有限元方法对永磁直线同步电动机的电磁场进行分析，二维稳态电磁场的Maxwell基本方程用矢量磁位A表示，则其满足准泊松方程：

 

 

式中：A_z为A的z方向分量；μ为材料磁导率；J₀为初级电枢电流密度;J_m为永磁体等效磁化电流密度。

在二维磁场分析中，采用MaxwelJ张量法计算电磁力，推力F_x和法向力F_y分别为：

 

 

式中：s为气隙中围绕电机运动部分的积分路径；n_x和n_y为单位切向矢量和单位法向矢量；B_X和B_y为磁通密度矢量B的切向和法向矢量；μ₀为磁导率。

分析过程中加载电流总的安匝数750安匝不变，通过调整直线电动机的相关参数来分析各个参数对电磁力的影响，初级绕组采用每对极对应3槽的集中绕组结构。图2是有限元分析的基本模型，模型的极距为45 mm，槽距为30 mm，设定定子宽度为50 mm，额定推力为273. 57 N·m，法向力为1 888 .78 N·m。

 

 

3结构参数对PMLSM电磁推力的影响分析

3 1结构参数对电磁推力的影响分析

推力是直线电动机设计重要的性能指标，经过有限元分析得到图3和图4的曲线簇。图3是推力在不同结构参数下随着气隙变化曲线图。

 

 

从图3可以看出，在电机其它参数不变的情况下，推力随着气隙的增大而减小，