次级材料对直线电动机性能影响的Maxwell 2D仿真分析
襄昌利1.2，刘少克2，宋敏2
（1空军航空大学，吉林长春130022；2国防科技大学，湖南长沙410073）
摘要：使用Maxwell 2D软件对直线感应电动机进行仿真，介绍了仿真方法和边端效应的调整方法，主要分析了气隙大小和次级材料的厚度对直线感应电动机运行性能的影响，对直线感应电动机的设计开发、科研应用有一定的参考价值。
关键词：直线感应电动机；仿真；Maxwell 2D
中图分类号：TM359.4 文献标识码：A 文章编号：1004 -7018 (2008) 09 -0022 -03
0引言
直线感应电动机的设计制造和科研开发中，常常需要做大量的实验来考察电机性能，这无论在人力、物力、财力和时间上都有较大的消耗。而采用仿真分析的方法，则具有方便迅速、节省成本的优点。用有限元软件Maxwell 2D进行仿真可以实现这个目的，从而加速其设计制造和科研开发。
1模型样机
本文样机为国防科大CM S03和CMS03A磁浮列车用直线感应电动机，其几何模型的基本样式如图l所示。随着仿真目的不同，具体的几何参数也将发生相应的变化。
建模中假设初级铁心的电导率为0，不会产生涡流，即忽略涡流损耗。
电机运行中其电磁场随时间和运动状态而发生变化，故选用Transient（瞬态）模块进行建模。Transient模块适用于模型中具有平动或转动物体(Object)的情况，能够计算出运动过程中任意时刻的磁通密度、磁场强度、感应电流等电磁场量。次级材料及其高度则按照不同的仿真目的进行绘图和设置。
2边端效应的调整
直线感应电动机特有的边端效应必须在建模中得以体现才能保证仿真结果的正确。直线感应电动机的极数大于或等于6时可以认为负序和零序电流与正序电流相比已足够小而忽略；由于铁心开断造成的脉振磁势也可以忽略不计[2]。对于动态纵向边端效应，由于几何建模的方向是沿着其运动方向，因此可以反映出动态纵向边端效应产生的影响。但是，2D模型并不能反映出横向边端效应的影响。横向边端效应的影响可以近似认为仅使次级电阻率有所增加，即可以通过调整次级电阻率的大小来加以改善[2]。在定量计算时需要把次级电阻率乘以一个修正系数Kt，其表达式为：
式中：c ——次级导体板单边伸出初级铁心的宽度(cm)；lδ——初级铁心叠厚( cm)；τ——直线电机极距( cm)。可以看出，kr值仅与电机尺寸有关，在本文中其值为1.92。因此，建模时需要将次级材料的电导率一电阻率的倒数除以kr。
3添加铁磁材料
Maxwell 2D软件允许用户自定义材料属性（如磁导率、电导率等），本文电机次级所用到的铁板材料是某型钢材，其B-H曲线由手工输入，其曲线如图2所示。
仿真过程中铝板和铁板材料的电导率和磁导率设置如表l所示。
4仿真结果分析
当直线感应电动机作为磁浮列车的动力源时，除了推力作为重点的研究对象外，法向力对列车悬浮性能的影响也是巨大的，因而推力和法向力往往需要同时研究。
(1)气隙大小对推力和法向力的影响
改变气隙的长度，研究电机的气隙大小对推力和法向力的影响，仿真结果如表2所示。
表2中数据表明，当气隙逐渐变大时，推力随着减小；但法向力则有变化。在气隙从1 mm变至3mm时法向吸引力由小变大，其余情况为随气隙增大而减小。通过观察仿真结果中的电磁力矢量图，发现当气隙很小时，初级对次级感应电流层（铝板）之间的排斥力效果显著，所以法向力会有这样的变化。在气隙较大时，初次级间的水平推力和法向力同为随气隙增大而减小的 |
