直线电机

摘要
直线感应电机可以认为是旋转电机在结构方面的一种变形，它可以看作是一台旋转电机沿其径向剖开，然后拉平演变而成。

在直线感应电机中，相当于旋转电机定子的，叫初级；相当于旋转电机转子的，叫次级。

直线感应电机的工作原理：当初级绕组通入交流电源时，便在气隙中产生行波磁场，次级在行波磁场切割下，将感应出电动势并产生电流，该电流与气隙中的磁场相作用就产生电磁推力。

如果初级固定，则次级在推力作用下做直线运动；反之，则初级做直线运动。

直线感应电机结构简单，随动性好，体积较小，广泛应用于工业生产、交通运输、印刷业以及人们的日常生活中。

研究直线感应电机的瞬变特性，有利于分析速度变化对电机性能的影响，进而通过改变初级结构或激励源等方法对电机性能进行改进。

本文利用有限元分析软件对直线感应电机瞬态特性进行计算，得到电机性能与参数间的变化对应关系，为直线感应电机的结构优化奠定必要的理论基础。

1．建立直线感应电机有限元分析模型；
2．利用有限元软件分析直线感应电机瞬态特性；
3．分析初级结构等参数变化对电机电磁力和感应电动势等性能的影响。

关键字：直线感应电机；有限元；瞬态；感应电动势
目录
摘要
Abstract
第一章绪论 1
1.1 直线电机的发展概况 1
1.2直线感应电机国内外发展现状 2
1.3课题研究背景及意义 3
1.3.1课题研究背景 3
1.3.2课题研究的意义 4
1.4 课题主要内容与要求 4
1.4.1 课题主要内容 4
1.4.2 课题研究的要求 4
第二章课题对象及研究方法介绍 5
2.1直线感应电机介绍 5
2.1.1 圆筒型直线感应电机 6
2.1.2平板型直线感应电机 7
2.1.3 钢次级直线感应电机 8
2.2 有限元法概述 8
第三章 ANSOFT Maxwell 2D软件 11
3.1 ANSOFT Maxwell 2D软件简介 11
3.2 Maxwell 2D软件的使用步骤 11
3.3 Maxwell 2D软件的瞬态求解方程 12
3.4直线感应电机的Maxwell 仿真 13
3.4.1 仿真建模 13
3.4.2 设定边界条件和激励源 14
3.4.3 求解网格 14
第四章仿真数据分析 16
4.1 电流对电机速度的影响 16
4.2 电流对电机电磁力的影响 17
4.3 电流对电机感应电动势的影响 19
4.4 初级（定子）结构对电机速度的影响 21
4.5 初级（定子）结构对电机电磁力的影响 21
4.6 初级（定子）结构对电机感应电动势的影响 22
4.7 结论 23
第五章总结与不足 24
5.1 总结 24
5.2 不足 24
参考文献 25
致谢 27
第一章绪论
1.1 直线电机的发展概况
直线电机可直接驱动负载作直线运动，无需回转式电机在转换成直线运动时所需的一套转换机构，直线电机也可直接驱动盘式机械作低速旋转运动而无需齿轮变换装置，因而电机具有结构简单、节约能源、功效高等特点，近年来直线电机的发展主要有如下特点：
(l)直线电机新产品研制较多；如日本古河电气公司研制的超导直线电机的线圈长15厘米，宽7厘米，线径0.05毫米，是用妮钦合金超导材料制成的，和同尺寸普通直线电机相比电流可提高100倍，推力可提高2500倍，实验条件下电流最大达360安，容量达5.5kVA；美国帕特鲁玛机电公司研制的微步距直线电机在40英寸/秒的速度下产生50磅的推力，微步距运行时达12500步/英寸，电机定位精度0.001英寸。

(2)新原理直线电机不断出现；如日本电气公司研制的压电驱动式直线电机，利用压电陶瓷的压电效应得到驱动源，为印字装置而研制的这种直线电机其移动行程大约是压电传动长度的0.1%，可实现毫米级控制，具有分辨率高能耗低等特点；日本东京新生工业公司对超声波直线电机进行实用化研究，这种电机的原理是用压电陶瓷和磁致伸缩材料形成超声波振动子的强力振动，将这种强超声波振动变换成一个方向运动即可获得旋转或直线运动；国外近年开始研制薄膜直线电机，用轻薄的薄膜材料作电机的定子、动子基片，这种电机无轴承、结构简单。

(3)微特型电机发展较快；随着自动控制技术和微型计算机应用的发展，微特型直线电机有了较大发展，这是一种小型的增量直线电机，主要用在计算机外设、自动化仪器仪表以及需要精密直线位移和运动的机械手及机器人中，在需要精密直线运动的自动化仪器设备中采用微特型直线可做到精度高、反应灵敏、快速性好，仪器设备总体结构简单、体积小、成本低，因而是一种大有发展前途的直线电机[1-2]。

1.2直线感应电机国内外发展现状
目前，对直线感应电机的研究多着眼于设计制造及动静态特性的分析，工业应用中控制方法基本都采用开环或者简单的PID控制，同时学者们在不断探索直线感应电机在不同领域中应用的可能性。

国外对直线感应电机的研究比国内要早80年，与国外相比，我们尚存在差距。

就应用直线电机的磁浮列车来说，德国、日本等国家已经有比较成熟的磁浮列车技术，而我们国家从上个世纪八十年代开始研究发展磁悬浮技术，目前还处于实验研究阶段[3]。

在直线感应电机的模型分析方面，国外学者提出了很多种分析方法，应用于不同的场合，但是还没有形成统一的、比较成熟的模型分析方法。

除了传统的集中参数的电路理论法和分布参数的电磁场理论外，国内外学者还积极进行了其他分析方法的研究。

日本学者采用顺序无约束极小化技术(SUMT)对单边型直线感应电机的设计制造进行优化，韩国学者则在应用SUMT方法的同时采用了有限元分析的方法考察直线感应电机的性能，并进行优化设计；Dal-Ho Im等人用有限元方法对直线感应电机的动态特性进行研究；Sang-Baeck Yoon等人则使用序列二次规划(SQP)的方法优化直线感应电机的设计；Yuichiro Nozaki等人采用了三阶谐波注射的方法对横向磁通直线感应电机加以改进。

国内学者在这方面也有一定的建树，宋飞等人对复合次级直线感应电机的设计制造进行了研究；易萍虎等人应用多层傅利叶分析来求解气隙磁场和次级涡流场，研究直线感应电机的磁场分布和运行特性，浙江大学的研究人员也开始用有限元方法来研究直线感应电机的特性，焦留成等人使用Hook-Jeeves方法对直线感应电机的设计进行混合型的优化研究等。

矢量控制、直接力控制方面，国外学者也做了许多研究工作。

韩国学者提出了基于转子磁通等效电路的矢量控制方法；Byung-kwon等人使用有限元方法对直线感应电机的直接力控制进行分析研究；最近，法国学者研究将模糊控制和矢量控制应用到直线感应电机中。

国内对于直线感应电机控制的研究基本处于应用领域的探索阶段；浙江大学的学者做了PID控制方法和模糊控制的研究，并应用到实
际中，也有学者对矢量控制进行仿真运算；张红梅建立了直线感应电机的最优效率的控制模型，并用仿真方法验证了该模型的正确性。

直线感应电机的参数辨识等方面，国内的研究还基本处于起步状态，国外的学者进行了具有一定深度的研究；Willis等人从频域测量计算参数，Moon等人从时域测量计算参数；Stankovic和Gastli提出了分离电机的一相，仅从一相测量估计参数的方法。

RJ.Kerkman等学者提出用逆变器给电机输入特殊电流波的方法获得参数，Gubae Kang 等人在RJ.Kerkman的基础上，用VVVF方法控制直线感应电机，通过逆变器使电机产生较大的电流，来代替堵转实验，利用一些约束条件，将总电感等效后推导出一个关于互感的三阶方程，解方程得到电机参数。

在国内，张文雅研究了采用单独计算电机的初级漏感和次级漏感的方法，改进了传统的参数辨识理论;同时设计了神经网络速度观测方案[4]。

1.3课题研究背景及意义
1.3.1课题研究背景
虽然直线电机的工作原理与旋转电机相同，但是直线电机由于铁心的开断，形成了两个边端，因此存在着一些特有的问题。

在旋转感应电机中，旋转磁场始终在闭合的环形气隙中运动。

而直线感应电机中，由于铁心的磁场在移动方向上是断开的，长度也是有限的，对移动磁场来说，存在一个“入口端”和一个“出口端”。

初级绕组不连续使得各相绕阻间的互感不相等，从而引起各相阻抗不相等。

在三相对称电源电压供电、无补偿绕阻的情况下，三相电流的不平衡造成在气隙磁场中存在反向磁场和脉振磁场。

当次级运动时，由于次级板突然进入和离开初级而产生动态端部效应。

同时，在扁平型直线感应电机中，当电磁气隙与初级铁心宽度的比值较大，而次级感应板的宽度受到限制时，会引起静态横向边缘效应。

当初级和次级有相对运动时，次级感应板中产生的是电流实际是涡流，存在沿横向的分量，也就是所谓的动态横向边缘效应。

以上这些问题是旋转感应电机中不存在的，这些因素的作用结果均引起直线感应电机气隙磁场的畸变和削弱，也对直线感应的瞬态特性产生非常大的影响，使得直线感应电机瞬态特性仿真分析变得相对来说比较困难[5]。

目前，人们对旋转电机的瞬态特性仿真分析常采用MATLAB软件，其方法是先建立电机的数学模型(微分方程)，然后运用状态变量法调用四阶龙格-库塔函数求解；或者是利用Matlab的Simulink工具，以图示方式完成动态系统的建模，借助Simulink软件包的S函数来实现仿真模型。

利用Matlab/Simulink对传统旋转感应电机进行瞬态特性仿真已有很多成功的应用。

但是，对于直线感应电机来说，由于上面各种因素的存在，直线电机本质是一个非线性模型，目前还没有精确的数学模型。

因此利用MATLAB软件对直线感应电机进行瞬态特性仿真分析具有一定的局限性[6]。

1.3.2课题研究的意义
直线感应电机结构简单，随动性好，体积较小，广泛应用于工业生产、交通运输、印刷业以及人们的日常生活中。

研究直线感应电机的瞬变特性，有利于分析速度变化对电机性能的影响，进而通过改变初级级结构等方法对电机性能进行改进。

1.4 课题主要内容与要求
1.4.1 课题主要内容
参照已有的直线感应电机结构，利用有限元分析软件对直线感应电机瞬态特性进行计算，得到电机性能与参数间的变化对应关系，为直线感应电机的结构优化奠定必要的理论基础。

1、建立直线感应电机有限元分析模型；
2、利用有限元软件分析直线感应电机瞬态特性；
3、分析初级结构等参数变化对电机电磁力和感应电动势等性能的影响。

1.4.2 课题研究的要求
完成有限元参数建模，完成直线感应电机瞬态特性分析，得到不同初级结构，不同电流下的电机参数变化曲线。

直线感应电机的工作原理
直线感应电动机分为平板形单边式、平板形双边式、圆筒形，短定子方式和短转子方式，电源可以是单相或三相。

以单边式直线感应电动机为例，它由定子和动体组成。

定子也称为初级，它由冲上齿槽的电工钢片叠压而成，槽里嵌有绕组。

动体也称为次级导体，一般是用铜或铝制成的金属板。

定子和动体之间有一定的距离，也就是气隙。

当定于绕组通入单相或三相交流电时，就产生由下式表达的磁通密度B，即B=B0cos(ωt－πx/τ), ω=2πf，x定子表面上的距离，τ极距。

极矩是磁通密度的半波长，也就是等于半个周期长度，磁通密度是t的函数也是距离x的函数。

这种用t和x作为函数的磁通密度称行波磁场，这与旋转感应电动机的旋转磁场是同一个原理。

如上所述，通入交流电后在定子中产生的磁通，根据楞次定律，在动体的金属板上感应出涡流。

设引起涡流的感应电压为E，金属板上有电感L和电阻R，则金属板上的涡流电流为I=E/z，涡流电流和磁通密度将按费来明法则产生连续的推力F。

有正负推力，但正推力远大于负推力，作用于动体的力主要是正推力，这就是直线感应电动机的工作原理。

直线感应电动机的驱动装置可以采用变频器。

变频器的输出频率可在控制信号的作用下得到控制，可以进行逻辑控制或闭环控制。

变频器输出不同的频率，产生的推力将作相应的变化。

由于定子的两个线圈中的频率不同，导致了行波磁场的同步变化，从而使电动机的推力从0到最大值作周期性变化。

3 直线电机车辆的控制方式
目前传统旋转感应电机的控制方式主要有标量控制、直接磁场定向控制、间接磁场定向控制和直接转矩控制[6]。

从原理上来看直线感应电机与传统旋转感应电机有着相通性，都是通过三相交流电产生的磁场与导体作用产生驱动力，因而，用于传统旋转感应电机的控制方法也同样适用于直线感应电机（需要强调的是由于直线感应电机有着自己的特点，比如边端效应、电流不平衡等，往往需要根据这些特点对传统的控制方法进行改进，才能提高效率）。

因此，直线感应电机的控制方法主要也是上述的四种方法。

对直线感应电机来说上述四种方法中，对于速度突变工况[7]，直接磁场定向控制的响应最快且没有振荡；在低速范围的速度突变工况下，直接转矩控制和磁场定向控制都有着较快的响应，但是直接转矩控制存在一个稳态误差。

对于加速度的大小来说，直接转矩控制和标量控制能获得较大的加速度，而磁场定向控制的初始加速度较小。

控制的复杂程度上，直接转矩控制方法实现起来最为简单，只需要知道初级阻抗的值就可以；标量控制方法需要知道一相等效电路的所有参数；而磁场定向控制实现起来较为复杂，需要知道大量的直线感应电机的参数。

综合而言，磁场定向控制方法性能比较优异，特别是直接磁场定向控制在速度控制和位置控制上都有很高的精确度。

直接转矩控制实现较为方便，而标量控制也是可行的，但在动态特性上，标量控制要比直接转矩控制和磁场定向控制要差。