新型钢次级弧形直线感应电动机法向力研究

汪旭东，张志华，许孝卓

(河南理工大学，河南焦作454000O)

摘要：提出一种新型钢次级弧形直线感应电动机，采用多层行波电磁场理论建立该电机的区域模型，推导出法向力计算公式，建立该钢次级弧形直线感应电动机三维瞬态有限元仿真模型，仿真结果与解析计算结果相吻合。并与同参数的扁平形钢次缴直线感应电动机作比较，结果表明这种钢次级弧形直线感应电动机在不改变推力的前提下能够减少法向吸力，提高推力与吸力比值，为该类电机的性能计算、优化设计奠定理论基础。

    关键词：弧形直线感应电动机；区域模型；法向力；三维瞬态有限元模型

    中图分类号：TM359．4；TM346  文献标识码：A    文章编号：1004—7018(2010）05—0001—03

O引  言

直线电机在运行时都会产生与推力相垂直的力，称之为法向力。法向力可以是浮力也可以是吸力，工程人员使用不同的方法，使法向力发挥不同的用途。非磁性次级的直线感应电动机法向力为斥力，斥浮型磁悬浮列车正是受益于此^[1-2]；钢次级的直线感应电动机和永磁直线同步电动机(PMLsM)会产生很大的法向吸力，一般情况下是无益的，它会增加电机对滑轨的正压力(增加摩擦力)、弯曲导轨，降低电机的精度和工作效率，在结构没计和实际应用中需要考虑它的影响^[3]。在如何减少PMLsM法向吸力的研究中，文献[4]采用了永磁体H albach排列结构，并用遗传算法对法向吸力进行了优化，取得了较好的结果；也有采用动子永磁体无铁轭0j使PMLsM获得高的推力与吸力比值，但电机的结构不牢固，使用受到限制。文献[6]提出一种减少扁平形钢次级直线感应电动机法向吸力的方法，即控制电机磁通，减小车轮滚动阻力和电机铜耗，在给定推力目标的前提下对电机进行约束优化，以减少法向吸力带来的不利影响。

    大部分文献中减少直线电机法向吸力的方法大都通过控制方式、优化电机参数来实现的，没有改变扁平形直线电机的基本结构。本文提出一种新型弧形结构的钢次级直线感应电动机，该弧形钢次级直线感应电动机与原有的扁平形钢次级直线感应电动机相比，在电机相同参数和供电条件下产生的水平推力基本不变，而法向吸力有一定的减小，论证了该类电机的实际应用价值。

1弧形直线感应电动机的拓扑结构

    该钢次级弧形直线感应电动机是扁平形直线电机的一种变形，即将扁平形直线感应电动机沿电机的横向方向弯曲，使该电机的初级和次级都从扁平形转变为弧形结构，相应的电磁气隙也是一段圆弧。整体拓扑结构如图1、图2所示。

扁平形钢次级直线感应电动机由于其结构特点无法克服自身的法向吸力，本文提出的弧形直线感应电动机在运行过程中产生的法向力由垂直吸力变成了向心吸力，避免了电机在工作巾左右晃动，使其稳定运行，例如用该电机驱动电动伸缩门，不仅能够发挥直线电动机原有的优点，其法向向心力使电动门具有自动导向作用，利用该电机次级的弧形结构，在其表面上涂上防滑漆，还可充当一条车辆减速带^[7]。

2弧形直线感应电动机的法向力

    为求解该钢次级弧形直线感应电动机的法向力，本文建立了该电机立体区域分析模型，如图3所示。为分析方便，对模型作如下假设：

    (1)外施电压对称，初级绕组电流以无限薄电流层(曲面a)代替；

    (2)不考虑初级端部效应影响，电机延x轴正负方向无限延伸；

    (3)初级铁心磁导率无限大，电导率为零。

在立体区域分析模型中，本文规定坐标系x轴代表该弧形直线感应电动机的运动方向，y轴代表垂直与电流层a的法线方向，z轴代表电流层弯曲的延伸方向，x轴和y轴形成一个垂直与电流层a的切面β，在切面β上的各种场量均与z轴方向无关，电流层密度j1确只有z轴分量，这样在β面上得到该弧形直线感应电动机二维场理想模型。

    在二维场模型中本文采用多层行波电磁场理论方法[8-10]，将弧形直线感应电动机分为四个区域。区域1是电机初级，沿着y轴负方向无限延伸，电流层紧贴在区域l上；区域2是气隙，沿y轴的长度为L₂,μ₂=μ₀,σ₂=0,区域3是钢次级，沿y轴的长度为。均为常数；