周少正 段昆

摘要：簡單介紹了研究直線磁阻電機的背景意義，利用MAGNET有限元軟件對直線磁阻電機進行模型仿真并對結(jié)果進行分析，并分析不同參數(shù)下直線磁阻電機力特性。

關(guān)鍵詞：直線磁阻電機MAGNET有限元分析

0 引言

隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，磁阻式電機以其簡單結(jié)實的機械結(jié)構(gòu)、優(yōu)越的調(diào)速性能愈來愈受到人們的重視。但由于LRM電機的初、次極均為凸極結(jié)構(gòu)，使它在運行過程中存在磁通周期性變化和嚴重的局部飽和現(xiàn)象，繞組的磁鏈和電流之間有著高度的非線性關(guān)系，同時磁鏈隨動子位置的變化而變化，因此，在開關(guān)磁阻電機的研究中，電磁場的計算具有重要的意義[2]，它是整個LRM電機甚至是整個LRM電機驅(qū)動系統(tǒng)分析計算的基礎，磁場計算的準確程度將影響到對LRM電機穩(wěn)態(tài)運行性能分析的準確性以及控制策略的可靠性。因此對LRM電機磁場的有限元計算分析是很有必要的。

1 基于MAGNET的直線開關(guān)磁阻電機的有限元分析

MAGNET軟件是由INFOLYTICA公司生產(chǎn)的一種磁場分析仿真軟件，是具有2D/3D多自由度瞬態(tài)電磁場分析能力的軟件。

1.1 直線磁阻電機的有限元模型

低速直線開關(guān)磁阻電機運行遵循“磁阻最小原理”[1]，即磁通總要沿著磁阻最小的路徑閉合，而具有一定形狀的鐵心在移動到最小磁阻位置時，必使自己的主軸線與磁場的軸線重合。如圖1所示：

■

上邊的分別為動子A相、B相、C相。下邊為定子導軌。根據(jù)設計的需要，在動子上繞線。C相的兩個凸極相對，磁阻最小，不產(chǎn)生牽引力。當開通B相時，由于主軸線與磁場的軸線不重合，根據(jù)“磁阻最小原理”必定產(chǎn)生牽引力直到主軸線與磁場的軸線重合，此時B相關(guān)斷，開通A相，原理如同B相，關(guān)斷A相，再開通C相，如此循環(huán)下去，即：B-A-C-B的方式；如果改變開通的方式，即：B-C-A，則將改變牽引力的方向[3]。

直線磁阻電機主要參數(shù)有：定子的凸極與槽寬、動子的凸極與槽寬、電機的橫向?qū)挕幼优c定子的間隙、各相繞組匝數(shù)等等。

根據(jù)設計的要求，可以適當選取尺寸。其中X2不能任意選取。開關(guān)磁阻電機在依次開通B、A、C三相后，要求C相的定子凸極和動子凸極的相對位置要恢復到起始位置。如圖1，y2是電機運行一個周期的行走距離，可以作以下的假設：假定在A相后面再加上一相C相，如果3X2=ky2 (其中k為正整數(shù))，電機運行一個周期后，A相的定子凸極和動子凸極的相對位置就恢復到起始位置，由此可以確定X2的尺寸。這樣電機的基本結(jié)構(gòu)就形成了。

繞組設計主要是確定繞組的匝數(shù)，確定一組即可(三相對稱)。根據(jù)公式可以得知

F■=■

選取一組數(shù)據(jù)：

Fmax=200N，i=10A，y1=10mm，y2=20mm，l=6.5cm，Z

=1mm，C1=2.52，Ns=2，μ■=1.256×10-6，則由公式得N=

175.77匝。取N=176匝。

其中C0，C1——齒距與氣隙綜合比系數(shù)，Ns——動子與定子磁回路對應的極數(shù)。

又知，相距X2與極寬y2有如下關(guān)系：3X2=ky2

取k=1，則X2=6.667mm

打開MAGNET界面，設計出直線開關(guān)磁阻電機的實體模型，大致如圖1示。

2 有限元求解結(jié)果及分析

在負載驅(qū)動下：

當取I=10A，z=1mm時，B相通電26ms，然后A相通電25ms，最后C相通電25ms（即一個周期），其他參數(shù)設定好后進行仿真，結(jié)果如下圖：

■

由上圖運動體速度變化曲線可見，速度波動不大，達到了預期效果。

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動子C相、A相受力曲線與B相類似，僅僅相差了一定的時間。

選取一個周期內(nèi)不同時刻電機的磁場，如下圖示（以A相為例）：

■

3 不同參數(shù)下力特性分析與對比

由于影響電機力特性的因素很多，在此我們只選取對電機力特性影響較大的兩個方面來進行分析。

3.1 不同電流下電機的力特性

由公式F（x，i）=■i■■可知電流大小直接關(guān)系到電機推力大小，仍取前面所建電機模型參數(shù)，把電流由10A改為20A，其他參數(shù)不變，則電機力特性如圖8：

相比于電流為10A，z=1mm 時的力特性（圖4），很明顯，電流增大之后，定子導軌受力也明顯增大，初始時刻由原來的350N左右，增大到400N左右。

將電流由10A增大到20A，其它參數(shù)不變，磁場變化情況如圖10：

與電流為10A的圖形（圖6）相比，明顯可以看到磁場強度有了較大的增加。

3.2 不同氣隙下電機的力特性

仍取前面所建電機模型參數(shù)，把初級與次級間的氣隙z由1mm改為2mm。

I=10A z=2mm時電機磁場特性如圖11，與原來I=10A

z=1（圖4）相比，磁場強度有所減弱。

電機力特性如圖9，對比圖4 I=10A z=1mm時電機力特性曲線，在其他參數(shù)不變的情況下，氣隙增大1mm，電機受力由原來的350N左右減小到現(xiàn)在的160N左右，由此可見，氣隙大小也是影響電機力特性的一個重要因素。

由以上分析可知：LRM的結(jié)構(gòu)十分簡單，性能優(yōu)越。通過增加動子極數(shù)即可減少波動，降低噪聲，提高控制精度，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。其推廣應用前途十分廣泛。

4 結(jié)束語

本文以MAGNET軟件為基礎，進行直線磁阻電機的有限元分析，對所建LRM模型仿真并對結(jié)果進行分析，并對不同參數(shù)下電機力特性進行分析對比。

由于直線開關(guān)磁阻電機特性分析是一個全新的課題，其所涉及的問題還很多，由于時間和各方面條件的限制，一部分結(jié)果僅進行了仿真驗證，尚需進一步的實驗驗證，有些問題還需進行更深入的研究。

參考文獻：

[1]李發(fā)海，朱東起.電機學[M].北京：科學出版社，2001.

[2]童懷.磁阻電機動態(tài)特性的非線性分析與計算機仿真[M].北京：科學出版社，2000.11.

[3]葉云岳.直線電機技術(shù)手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.

作者簡介：周少正（1982-），男，2007年畢業(yè)于河南理工大學電氣工程及其自動化專業(yè)，助理工程師，主要從事電機設計工作。