圆筒型永磁同步直线电机绕组分析_刘星桥
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动 机是 一种 将 内燃机 与 直线 发 电机有机 结合 为 一 体 的动 力传 动 驱 动 装 置 [.] " 直 线 电 机 有 发 电 与
电动两个 工 作 模 式 , 并 根 据需 要 由控 制 器 控 制 实 时 转换 , 运行 原 理 图如 图 l 所示 " 自由活塞式 发 电发动 机 的主要 组成 部分 包括 直 线 电机 , 故对 直 线 电机 进行 优 化 设 计 具 有 一 定 的意义 " 电机进 行 优 化 设 计 的 一个 条件 是 , 获得 准 确 的磁 场 分 布 " 在 永 磁 电机 中 , 一 般 常 用 两种 办 法获得 磁 场 的 分 布情 况 1 ./ ], 一是 采 用 解 析 法 , 二 是采用 有 限 元 数 值分 析 " 解 析法 清 晰 明 了 , 可
图 6 模块 化绕组电动势星型矢量 图
一 0 .30
一 0 .4 0
0 40
磁通路径/ cm
图9
轴向充磁方式气 隙磁 密波形
比较 径 向 和 轴 向 两 种 充 磁 方 式 的 气 隙 磁 密 波 形 可看 出 , 径 向 充 磁 方 式 接 近 梯 形 的 方 波 , 而 轴 向充 磁 方 式 波 形 明 显 比 径 向 方 式 差 一 些 , 波 动也较大 , 因而 径 向充磁 方式 优 于轴 向充磁 方 式 " 由径 向 !轴 向充 磁 方 式 排 列 而 成 的 H a l ba c h 阵列 的气 隙磁 密 波形 如 图 8 所示 , 与径 向方 式 波
图1 自由活塞式 发电发动机的运行原理 图
口 逆 变 电路 路 整流 电流 流
蓄电 池
以给 出相 对 准确 的数 学 解 析 表 达式 , 能 准确 表 达 相关 参数 对磁 场 等 量 的 影 响 程 度 , 进 而 直 观 地 调 整参 数对 电机 进 行 优 化 设计 ;缺 点 是 由于 电 机 结
整体 可以看作 是 由 4 个相 同的单元 电机组 合而
成 " 以第一个槽的 A 相为零相位 , 每隔一个槽差
120 / , 画 出 A B C 相绕 组 电动 势合 成 矢 量 如 图 5 所
示 " A 相矢量 由0 /和 一 60 /两个矢量合成 , 方向角
度为 一 300 , 大小为万倍 "同理 B 相由 1200与600
析如 下 "槽 数 Z 二 9 , 极 数 知 二r o , 因此槽 距 角a 二 却恻 Z = 1 0 二 9 二200 / 0 " 电机每极 每相槽 数 q =
图4
模块化绕组
/ (却m ) = b + c Z / d 二3 / r o , 单 元 电机 个 数 为 2川 r o = l , 每个 单元 电机 有 9 个槽 , 直线 电机 整 体 可看作 是 1 个 单 元 电机 " 以第 一 个 槽 的 A 相 为 零相 位 , 每隔一 个 槽 差 200 0 , 画出 A BC 相绕组 电 动势合 成矢 量如 图 6 所 示 " A 相 矢 量 由一 个 0 o !
两个矢量合成 , 方 向为 90 / ;C 相由 240 /与 180 /矢
量合成 , 方 向为 2 1 0 " 可 以看 出 , 三相 电动 势互 差 12 0 / , 符合 电机 对称 运行 要求 1 4 2"
图2
直流无 刷式 绕组
l I
沙 一
A + 一 一 一勺 气
之
图5
侧 \\
了
\_ 全久
!\ -
2 .1. 1
对于无刷直流式绕组 , 永磁体排列及其充磁
方式 1 7名2 采用 三种 不 同的方 式 : 径 向充磁 方 式 , 轴 向充磁 方式 及 H a l ba c h 阵列 " 分别 进 行 了仿 真 分
交 流正 弦式绕 组 结 构 如 图 2 所 示 , 永磁 体 采 用径 向充 磁方 式 , 有 限元仿 真 的气 隙磁 密结 果 ! 磁 力 线分 布及磁 密 云图分 布 如 图 1 0 所示 "
A n al y sis a n d O P tim iza tio n o f T u b u l a r P er m a n e n t M a gn et
S y n c h r o n o u s L in e a r M o to r W in d in g s
I U X L i n g q ia o , H U A N G X i 咭 ua n g , 职 N C Y a n , A F N a ng Y l ,i g n
A nsof t L LC 0. 40 0. 30 0 20
0 . 10
X Y P lot 6
1600 ! 一个 1800共 6 个 矢量合成 , 方 向为 1500 "
可以看出 , 三相 电动势互差 12 0 / , 符 合电机对称
运行 要求 "
豁" 刃 "
一0 . 10
一 0.20
\么 " 奈卜 /
一 8 一
电机 刀牲 剑 应用2 0 1 3 ,4 0 (3 )
研究与设计
EH心 A
的模型 , 进 行 近 似 分 析 "有 限元 数 值 分 析 可 以精 确计 算 磁场 等量 , 但 耗时 长 , 不 能给 出解 析结 果 " 本 文在 初步 电磁 设 计 之 后 , 应 用 A n s o t 有限 f 元 分析 软件 法 得 出 气 隙磁 场 等 量 , 作 为 优 化设 计
直流无刷绕组 电动势星形矢量图
1.2 .2
图3 交流正 弦式绕 组
模 块化 绕组 原理 分析Baidu Nhomakorabea
模块 化绕 组 比较 特 别 , 特 别 之处 在 于它 把 电 机分 了三段 , 分 别 为 A B C 三相 的绕 组 , 每个 绕 组 绕制 一段 , 称 之 为模 块 化 绕 组 " 这 种 绕 组 的好 处 在 于绕制 比较方 便 " 设 计采 用 9 槽 r o 极结 构 , 分
i nati ons a n d thei r rel at ive m er i ts. T he ai r一 , p f l ux den si ty an d r e lat ive
param eter s by f ini te一 el em ent si m ul at ion w as analyzed t o ge一t he advantages an d d i sadvan t ages of d i e rent w i f nd i ng s. T h e best d esi gn Progral n on m od ul r w a i nd i n gs w as assu ned . K ey w o r d s:l n ea r m ot i o r; 初 ndi ng m o d el; 6 n ite一 elem en t
1.2 . 1 无刷 直流 式绕 组原理 分析 三相 电机 可 以做 成 无 刷 直 流 式 绕 组 , 每 3 个
绕组 占一 对 极 , 因此 , 槽 距 是 极距 的 2/ 3 , 即整 体
!两 个
9 一
研究与设计 EM CA
电机 刀拉 制 表用2 0 1 3 ,4 0 (3 )
2600 ! 两个 2800 ! 一个 300 /共 6 个矢量合成 , 合成 方 向为 270 0 : C 相 由 一 个 120 "!两 个 140 0 !两 个
0
引
言
喷油嘴
线圈
永 磁体
能源 短缺 与环 境 污染 问题 已成 为当今 汽车 工 业 发展 的焦点 , 当今 国 内外 汽 车 公 司 和科 研 机 构
厂
直 线电机 机
纷纷致力于混合动力汽车的研发 " 自由活塞式发 电发动机具 有结构简单 !效率高 !单位质量 功率 大! 有害气体和颗粒物排放低 ! 可使用多种燃料等 特 点 , 是近 年来 的研 究 热 点 " 自由活 塞 式 发 电 发
电机槽极个数 的比例是 1.5 " 这种定子绕组为短 距绕组 , 有很好的谐波抑制效果 " 但也正 由于是 短距绕组 , 因而电机整体 的电动势并不高 " 无刷直流式 (B功 C )绕组是 这样绕制 的 , 在 每一个定子齿上依次循环绕制 A BC 三相 " 槽数
Z = 1 2 , 极 数 却 = 8 , 因 此 槽 距 角 a 二却 二 /Z = 8二 l 2 = 2侧 3 " 电 机 每 极 每 相 槽 数 q 二 /
及三种绕组模型各 自 特点 "通过有 限元仿 真的方 法得 到气隙磁 密及相关量 , 得 出各绕组模 型的优缺点 "确 定
了模块化绕组模 型为最佳 方案 " 关键词 : 直线电机 ; 绕 组模型 ; 有 限元 中图分类号 :T M 359.4 文献标志码 : A 文章编 号 : 1673石540(2013 )03( X)8习 0 5
形相 比 , 气隙磁 密波形近 似相 同 , 但气隙磁 密明
2
2.1
直 线电机 电磁分析
三种 绕组 气 隙磁密 有 限元分 析结 果 无刷 直流 式绕组 气 隙磁 密
显加大 " 因而 H a l ba c h 阵列具 有增 大气 隙磁 密
的作 用 " 2 . 1.2 交流 正 弦式绕 组 气 隙磁 密
的依据 "
1
1.1
三种绕组结构分析
三 种绕 组结 构
/ (却m ) = 乙 Z +c /d二 / 2 , 单元电机个数为 2 1 P / 2 二 4 , 每个单元电机 的槽数3(拟 + " )二 3 " 直线 电机
圆筒 型 永磁 同 步 直线 电机 , 与气 缸 和油 缸 相
比 , 具有速度高 ! 行程长 ! 无污染的优点 " 同步 电 机起 动难 是个 很大 问题 , 为 了获得 起 动推 力 , 往 往 在其圆筒型动子外覆合一层铝皮或者铜皮 , 成为 复合次级 " 确定 圆筒型结构之后 , 除了一些尺寸 上的考虑外 , 最主要的设计就是绕组设计 " 本文设计 了三种绕 组模型 : 无 刷直流式 绕 组 , 交流正弦绕组及模块化绕组 , 如图 2 一图 4 所 示 , 并 对这 三 种绕 组模 型予 以 比较 分 析 , 最 终确 定 合适的绕组模型 "
A n so f t LLC 0 名o r
l / n U 日 ` , k q U 乙 0 .n O 0 曰 U k
析 "三种方式的气 隙磁密波形分别如图 7 一图 9
所示 "
A nS0f t LLC n U 八 0 1 q4 D 加 8 2 6 0
研究与设计 EM CA
电机 与拉 剑 应用 20一 3 , 40 (3 )
圆筒型永磁 同步直线 电机绕 组分析 .
刘星桥 , 黄新光, 王 燕, 范 阳平
(江苏大学 电气信息工程学院 , 江苏 镇江 2 1 加 13 )
摘 要 : 设 计了圆筒型永磁 同步直线 电机的三种 绕组模 型 , 确定 其极槽 配合 形式 , 分析 了极槽 配合原 理
两个 2 0 /! 两 个 4 0 / !一个 6 0 /共 6 个 矢 量 合 成 , 方 向角 度 为 30 0 " 同理 , B 相 由一 个 2 4 0
一
1.2
两种 绕 组原 理分 析
交 流正 弦绕 组用得 很 多 , 不 必再 作原 理分 析 " 在此 只对 其 他两 种绕组 作原 理分 析 "
( Sehool of E leetr i eal and Inf or m ati on E ngineer i ng , Ji angsu U niversi ty , Zh en j iang 2 120 13 , C h i na
A b stra et : T h e m o del s of d i e r f e nt w i n di n g st u otur r e s of t u bu l r a det er m i ne f e asibl e sl ot / pol e num b er eol b n per m anen t 一 m agn et m aeh i nes w as desi gned , r o
构 的复杂 性 , 很 难建 立 准 确 的数 学模 型 进行 精 确
分 析 , 只能对 电 机结 构 作 适 当 的简 化 而 建 立 近 似
* 基金项 目: 江苏高校优势学科建设工程 资助项 目(PA P D , N o .6一20 11 ) ; 常州市科技 支撑计划 (C E20 l l 2 0 1 6 )
电动两个 工 作 模 式 , 并 根 据需 要 由控 制 器 控 制 实 时 转换 , 运行 原 理 图如 图 l 所示 " 自由活塞式 发 电发动 机 的主要 组成 部分 包括 直 线 电机 , 故对 直 线 电机 进行 优 化 设 计 具 有 一 定 的意义 " 电机进 行 优 化 设 计 的 一个 条件 是 , 获得 准 确 的磁 场 分 布 " 在 永 磁 电机 中 , 一 般 常 用 两种 办 法获得 磁 场 的 分 布情 况 1 ./ ], 一是 采 用 解 析 法 , 二 是采用 有 限 元 数 值分 析 " 解 析法 清 晰 明 了 , 可
图 6 模块 化绕组电动势星型矢量 图
一 0 .30
一 0 .4 0
0 40
磁通路径/ cm
图9
轴向充磁方式气 隙磁 密波形
比较 径 向 和 轴 向 两 种 充 磁 方 式 的 气 隙 磁 密 波 形 可看 出 , 径 向 充 磁 方 式 接 近 梯 形 的 方 波 , 而 轴 向充 磁 方 式 波 形 明 显 比 径 向 方 式 差 一 些 , 波 动也较大 , 因而 径 向充磁 方式 优 于轴 向充磁 方 式 " 由径 向 !轴 向充 磁 方 式 排 列 而 成 的 H a l ba c h 阵列 的气 隙磁 密 波形 如 图 8 所示 , 与径 向方 式 波
图1 自由活塞式 发电发动机的运行原理 图
口 逆 变 电路 路 整流 电流 流
蓄电 池
以给 出相 对 准确 的数 学 解 析 表 达式 , 能 准确 表 达 相关 参数 对磁 场 等 量 的 影 响 程 度 , 进 而 直 观 地 调 整参 数对 电机 进 行 优 化 设计 ;缺 点 是 由于 电 机 结
整体 可以看作 是 由 4 个相 同的单元 电机组 合而
成 " 以第一个槽的 A 相为零相位 , 每隔一个槽差
120 / , 画 出 A B C 相绕 组 电动 势合 成 矢 量 如 图 5 所
示 " A 相矢量 由0 /和 一 60 /两个矢量合成 , 方向角
度为 一 300 , 大小为万倍 "同理 B 相由 1200与600
析如 下 "槽 数 Z 二 9 , 极 数 知 二r o , 因此槽 距 角a 二 却恻 Z = 1 0 二 9 二200 / 0 " 电机每极 每相槽 数 q =
图4
模块化绕组
/ (却m ) = b + c Z / d 二3 / r o , 单 元 电机 个 数 为 2川 r o = l , 每个 单元 电机 有 9 个槽 , 直线 电机 整 体 可看作 是 1 个 单 元 电机 " 以第 一 个 槽 的 A 相 为 零相 位 , 每隔一 个 槽 差 200 0 , 画出 A BC 相绕组 电 动势合 成矢 量如 图 6 所 示 " A 相 矢 量 由一 个 0 o !
两个矢量合成 , 方 向为 90 / ;C 相由 240 /与 180 /矢
量合成 , 方 向为 2 1 0 " 可 以看 出 , 三相 电动 势互 差 12 0 / , 符合 电机 对称 运行 要求 1 4 2"
图2
直流无 刷式 绕组
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图5
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\_ 全久
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2 .1. 1
对于无刷直流式绕组 , 永磁体排列及其充磁
方式 1 7名2 采用 三种 不 同的方 式 : 径 向充磁 方 式 , 轴 向充磁 方式 及 H a l ba c h 阵列 " 分别 进 行 了仿 真 分
交 流正 弦式绕 组 结 构 如 图 2 所 示 , 永磁 体 采 用径 向充 磁方 式 , 有 限元仿 真 的气 隙磁 密结 果 ! 磁 力 线分 布及磁 密 云图分 布 如 图 1 0 所示 "
A n al y sis a n d O P tim iza tio n o f T u b u l a r P er m a n e n t M a gn et
S y n c h r o n o u s L in e a r M o to r W in d in g s
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可以看出 , 三相 电动势互差 12 0 / , 符 合电机对称
运行 要求 "
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一0 . 10
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一 8 一
电机 刀牲 剑 应用2 0 1 3 ,4 0 (3 )
研究与设计
EH心 A
的模型 , 进 行 近 似 分 析 "有 限元 数 值 分 析 可 以精 确计 算 磁场 等量 , 但 耗时 长 , 不 能给 出解 析结 果 " 本 文在 初步 电磁 设 计 之 后 , 应 用 A n s o t 有限 f 元 分析 软件 法 得 出 气 隙磁 场 等 量 , 作 为 优 化设 计
直流无刷绕组 电动势星形矢量图
1.2 .2
图3 交流正 弦式绕 组
模 块化 绕组 原理 分析Baidu Nhomakorabea
模块 化绕 组 比较 特 别 , 特 别 之处 在 于它 把 电 机分 了三段 , 分 别 为 A B C 三相 的绕 组 , 每个 绕 组 绕制 一段 , 称 之 为模 块 化 绕 组 " 这 种 绕 组 的好 处 在 于绕制 比较方 便 " 设 计采 用 9 槽 r o 极结 构 , 分
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param eter s by f ini te一 el em ent si m ul at ion w as analyzed t o ge一t he advantages an d d i sadvan t ages of d i e rent w i f nd i ng s. T h e best d esi gn Progral n on m od ul r w a i nd i n gs w as assu ned . K ey w o r d s:l n ea r m ot i o r; 初 ndi ng m o d el; 6 n ite一 elem en t
1.2 . 1 无刷 直流 式绕 组原理 分析 三相 电机 可 以做 成 无 刷 直 流 式 绕 组 , 每 3 个
绕组 占一 对 极 , 因此 , 槽 距 是 极距 的 2/ 3 , 即整 体
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研究与设计 EM CA
电机 刀拉 制 表用2 0 1 3 ,4 0 (3 )
2600 ! 两个 2800 ! 一个 300 /共 6 个矢量合成 , 合成 方 向为 270 0 : C 相 由 一 个 120 "!两 个 140 0 !两 个
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引
言
喷油嘴
线圈
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能源 短缺 与环 境 污染 问题 已成 为当今 汽车 工 业 发展 的焦点 , 当今 国 内外 汽 车 公 司 和科 研 机 构
厂
直 线电机 机
纷纷致力于混合动力汽车的研发 " 自由活塞式发 电发动机具 有结构简单 !效率高 !单位质量 功率 大! 有害气体和颗粒物排放低 ! 可使用多种燃料等 特 点 , 是近 年来 的研 究 热 点 " 自由活 塞 式 发 电 发
电机槽极个数 的比例是 1.5 " 这种定子绕组为短 距绕组 , 有很好的谐波抑制效果 " 但也正 由于是 短距绕组 , 因而电机整体 的电动势并不高 " 无刷直流式 (B功 C )绕组是 这样绕制 的 , 在 每一个定子齿上依次循环绕制 A BC 三相 " 槽数
Z = 1 2 , 极 数 却 = 8 , 因 此 槽 距 角 a 二却 二 /Z = 8二 l 2 = 2侧 3 " 电 机 每 极 每 相 槽 数 q 二 /
及三种绕组模型各 自 特点 "通过有 限元仿 真的方 法得 到气隙磁 密及相关量 , 得 出各绕组模 型的优缺点 "确 定
了模块化绕组模 型为最佳 方案 " 关键词 : 直线电机 ; 绕 组模型 ; 有 限元 中图分类号 :T M 359.4 文献标志码 : A 文章编 号 : 1673石540(2013 )03( X)8习 0 5
形相 比 , 气隙磁 密波形近 似相 同 , 但气隙磁 密明
2
2.1
直 线电机 电磁分析
三种 绕组 气 隙磁密 有 限元分 析结 果 无刷 直流 式绕组 气 隙磁 密
显加大 " 因而 H a l ba c h 阵列具 有增 大气 隙磁 密
的作 用 " 2 . 1.2 交流 正 弦式绕 组 气 隙磁 密
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1.1
三种绕组结构分析
三 种绕 组结 构
/ (却m ) = 乙 Z +c /d二 / 2 , 单元电机个数为 2 1 P / 2 二 4 , 每个单元电机 的槽数3(拟 + " )二 3 " 直线 电机
圆筒 型 永磁 同 步 直线 电机 , 与气 缸 和油 缸 相
比 , 具有速度高 ! 行程长 ! 无污染的优点 " 同步 电 机起 动难 是个 很大 问题 , 为 了获得 起 动推 力 , 往 往 在其圆筒型动子外覆合一层铝皮或者铜皮 , 成为 复合次级 " 确定 圆筒型结构之后 , 除了一些尺寸 上的考虑外 , 最主要的设计就是绕组设计 " 本文设计 了三种绕 组模型 : 无 刷直流式 绕 组 , 交流正弦绕组及模块化绕组 , 如图 2 一图 4 所 示 , 并 对这 三 种绕 组模 型予 以 比较 分 析 , 最 终确 定 合适的绕组模型 "
A n so f t LLC 0 名o r
l / n U 日 ` , k q U 乙 0 .n O 0 曰 U k
析 "三种方式的气 隙磁密波形分别如图 7 一图 9
所示 "
A nS0f t LLC n U 八 0 1 q4 D 加 8 2 6 0
研究与设计 EM CA
电机 与拉 剑 应用 20一 3 , 40 (3 )
圆筒型永磁 同步直线 电机绕 组分析 .
刘星桥 , 黄新光, 王 燕, 范 阳平
(江苏大学 电气信息工程学院 , 江苏 镇江 2 1 加 13 )
摘 要 : 设 计了圆筒型永磁 同步直线 电机的三种 绕组模 型 , 确定 其极槽 配合 形式 , 分析 了极槽 配合原 理
两个 2 0 /! 两 个 4 0 / !一个 6 0 /共 6 个 矢 量 合 成 , 方 向角 度 为 30 0 " 同理 , B 相 由一 个 2 4 0
一
1.2
两种 绕 组原 理分 析
交 流正 弦绕 组用得 很 多 , 不 必再 作原 理分 析 " 在此 只对 其 他两 种绕组 作原 理分 析 "
( Sehool of E leetr i eal and Inf or m ati on E ngineer i ng , Ji angsu U niversi ty , Zh en j iang 2 120 13 , C h i na
A b stra et : T h e m o del s of d i e r f e nt w i n di n g st u otur r e s of t u bu l r a det er m i ne f e asibl e sl ot / pol e num b er eol b n per m anen t 一 m agn et m aeh i nes w as desi gned , r o
构 的复杂 性 , 很 难建 立 准 确 的数 学模 型 进行 精 确
分 析 , 只能对 电 机结 构 作 适 当 的简 化 而 建 立 近 似
* 基金项 目: 江苏高校优势学科建设工程 资助项 目(PA P D , N o .6一20 11 ) ; 常州市科技 支撑计划 (C E20 l l 2 0 1 6 )