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