结构参数对直线电机性能的影响

结构参数对直线电机性能的影响

文章主要以扁平型短次级长初级直线感应电机为分析对象。文章采用有限元分析软件Ansoft对铜钢复合次级直线电机进行仿真研究，分别分析了气隙大小、次级铁轭厚度、铜层厚度对电机性能的影响。对直线电机的设计开发有一定的帮助。

标签：直线感应电机；铜钢复合次级；Ansoft

直线电机由于可以直接产生直线运动，省去了由旋转运动转化为直线运动繁琐的中间传动机构，可以替代机械机构用于直线传动[1]。直线电机结构简单、速度快、控制精度高，在直线传动领域的应用越来越广泛。

1 有限元分析

考虑到直线电机的运动速度比较低，可以使用缓慢直线运动导电媒质中的电磁场方程[2]进行研究：

（1）

式中，、、分别为X、Y、Z轴的单位矢量，为外加电流密度复振幅矢量，为矢量磁位复振幅矢量，、、为三个坐标轴的矢量磁位的复振幅的分量，？滋0为空气磁导率，？酌为次级导电板（铜层）的电导率，？棕为供电电源的角频率，v为次级运动速度，涡流场分析时速度为0。

以X-Y平面为二维场仿真，Y方向为次级运动方向。电流只在Z轴方向流动，所以，，（1）式可简化為：

式中，？琢=，？子为极距。

2 仿真模型建立

本文用涡流场与瞬态场结合的方法对直线电机进行分析，涡流场可以仿真稳态情况，瞬态场可以仿真动态情况并能获得Fs曲线。对直线电机的模型进行仿真时为了减小纵向端部效应的影响，本文采用了6极电机，当电机极数大于或等于6时静态纵向端部效应的影响可以忽略不计[2]。初级、次级铁轭均采用硅钢片，可以认为电导率为0，不需要考虑涡流与磁场透入深度的影响。图1为直线电机仿真模型，为了简化分析，将电机设计为无槽电机。无槽电机相当于将气隙变大，对于本文的研究不存在影响。

3 仿真结果与分析

3.1 气隙大小对电机性能的影响

保持其他条件不变，只改变气隙大小，起动推力仿真结果如表1所示。

（相电流f=50Hz，幅值2500A，转差率S=1）

改变气隙大小，在相同的激励下气隙磁密平均值如表2所示。

從表2中可以看出在相同的激励下，气隙越大，气隙中的磁密越小，导致电机出力减小。气隙的增大导致了励磁电抗的减小，相同的电流激励产生的磁场更弱，导致气隙磁密更小。所以在进行直线电机设计时在机械方面允许的情况下应尽量减小气隙。

3.2 次级铁轭厚度对电机性能的影响

保持其他条件不变，只改变次级铁轭厚度，起动推力仿真结果如表3所示。

（相电流f=2Hz，幅值2500A，转差率S=1）

从表3中可以看出在保持初级电流恒定的情况下，随着次级铁轭厚度的增大电机推力逐渐增加，当厚度增加到一定程度时，电机推力变化很小。造成这种现象的原因在于次级铁轭厚度过小导致导磁面积减小，铁轭容易达到饱和，导致磁导率下降，气隙磁密下降从而使推力减小。所以次级铁轭厚度应保证在额定电流时次级铁轭磁密不达到饱和。

3.3 次级导电层厚度对直线电机性能的影响

对次级导电层厚度的影响进行研究时，保持了直线电机气隙大小不变，即次级铁轭到初级距离不变，因为铜的磁导率跟空气相同。仿真了次级铜层厚度分别为1、2、3、4mm的情况，电机的Fs特性曲线。

从仿真结果可以看出不同厚度铜层电机的特性曲线中推力最大值相差很小，且变化趋势非常像旋转电机的转子串电阻调速。事实上铜钢复合次级的铜层就相当于次级的电阻，改变铜层的厚度就相当于改变了导电截面积，改变了次级的电阻大小，使电机的特性曲线发生了变化。但是实际情况是改变次级铜层厚度虽然电磁气隙没有发生变化，但导致了机械气隙发生了变化。所以改变次级铜层厚度需要综合机械气隙一起考虑。

4 结束语

针对不同结构参数的铜钢复合次级进行仿真研究发现，在机械方面允许的情况下气隙越小电机性能越好。次级铁轭厚度应该保证额定电流下不使次级铁轭达到饱和。而次级导电层厚度的选择，需要综合考虑特性曲线与机械气隙的大小进行选择。

参考文献：

[1]叶云岳.直线电机原理与应用[M].北京：机械工业出版社，2000.

[2]上海工业大学，上海电机厂.直线异步电动机[M].北京：机械工业出版社，1979.