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毕设论文41
JIANGSUUNIVERSITY
本科毕业论文
磁通切换永磁直线电机设计与分析
DesignandAnalysisofFluxSwitchingPermanentMagnetLinearMotor
学院名称:
电气信息工程学院
专业班级:
自动化0802
学生姓名:
房卓娅
指导教师姓名:
赵文祥
指导教师职称:
副教授
2012年06月
磁通切换永磁直线电机设计与分析
专业班级:
自动化0802学生姓名:
房卓娅
指导老师:
赵文祥职称:
副教授
摘要磁通切换永磁直线电机是一种新型结构的电机,克服了传统电机的诸多缺点,该电机结构简单,体积小,效率高,响应快,精度高,安全性高,又便于维修和检测,因此在各个领域都得到广泛的应用,具有较好的应用前景。
本文以磁通切换永磁直线电机为研究对象,介绍了基本的电机拓扑结构,在掌握其基本的工作原理的基础上,研究该类电机的发展状况以及国内外的研究现状,以及简单的理解由旋转电机变为直线电机的由来。
随后介绍了永磁电机,以及永磁电机的基本分类,又介绍了磁通切换原理和直线电机的工作原理。
本文具体介绍了所使用的Ansoft的软件,介绍了建立一个模型的具体流程,所需数据,以及电机材料;后又对反电势波形,定位力矩波形,绕组磁链波形,磁力线波形,磁通密度分布图的观察。
本文提出了参数化有限元模型的思想,用Ansoft软件建立了该电机参数化有限元分析模型,分析某些参数对电机反电势的影响,本文重点讲述气隙长度对反电势幅值的影响,得出结论气隙长度越长,反电势幅值越小,并且反电势幅值与气隙长度成线性变化。
本文还提出了以后需要深入研究的问题。
通过初步的研究和分析,为该电机的进一步深入研究和开发应用奠定了基础。
关键词直线电机永磁电机磁通切换电机模型仿真
DesignandAnalysisofFluxSwitchingPermanentMagnetLinearMotor
AbstractFlux-switchingpermanentmagnetlinearmotorisanovelmachine,whichhasabrightfuturebyovercomingtheshortagesofthetraditionalmachineshavingmagnetsinthemover.Itiswidelyappliedintransportsystemsduetotheadvantageofsmallsize,lightweight,easytocontrol,fastaction,accurateposition.Anovelpermanentmagnetflux-switchinglinearmotorisinvestigatedinthisthesis.Itiscost-effective,sincethemagnetsandcoilsarebothsetinthemover,whilethelongstatorisonlymadeoflaminatedironcore.Thissimplemotorstructurecostsmuchlowerthanotherconventionaltypes.Finiteelementanalysisshowsthat,withproperdesign,theperformancecanbeimproved.Thekeysofthetheoreticalandtechnicalissueaboutflux-switchingpermanentmagnetlinearmotoraredeeplyandsystematicallystudied,includingtheoperationprinciple,finiteelementanalysis,staticcharacteristics,designprocedure,mathematicmodel,simulationandcomparisonwithothertraditionalmachines.Inaddition,specificdescriptionofAnsoftisalsodescribedinthisarticle.Itincludesbuildingamodelprocesses.Hence,theflux-linking,backEMF,coggingtorque,windinginductanceandtorquearededuced.Welearnanewstatorpermanentmagnetfluxswitchinglinearmotor.Aftergraspingthebasicworkingprinciple,aparameterizedfiniteelementmodelisdeveloped.AnalysisofcertainparametersonthebackEMF,especiallytheimpactoftheairgaplengthofthebackEMF.Itcanbeconcludedthatthelongertheairgaplength,thesmallerthebackEMF.Thetheresultslayafoundationforthefurtherresearchanddevelopmentoftheflux-switchingpermanentmagnetlinearmotordrive.
KeywordslinearmachinePMmachineFlux-switchingmotormodelsimulation
目录
第一章绪论1
1.1直线电机的概述1
1.1.1直线电机的简介1
1.1.2直线电机研究现状及发展趋势2
1.2本章小结3
第二章磁通切换永磁直线电机原理与应用6
2.1永磁电机6
2.1.1引言6
2.1.2永磁电机的发展6
2.1.3永磁电机的分类6
2.2直线电机的基本结构7
2.3磁通切换原理10
2.4直线电机工作原理11
2.5磁通切换永磁直线电机的应用及其优势12
2.5.1直线电机的应用12
2.5.2永磁直线电机在轨道交通方面的优势12
2.6本章小结13
第三章磁通切换永磁直线电机的有限元分析14
3.1有限元原理14
3.2有限元软件AnsoftMaxwell的介绍15
3.3电机仿真模型的建立16
3.3.1建立几何模型16
3.3.2定义材料和加载激励源16
3.3.3激励源与边界条件定义及加载19
3.3.4运动选项设置21
3.3.5求解选项参数设定22
3.3.6求解及后处理24
3.3.7保存结果退出24
3.4本章小结24
第四章电机模型的建立及仿真结果25
4.1电机模型及实验结果25
4.2电机气隙尺寸对反电势的影响27
4.3电机气隙长度与漏磁及反电势的关系28
4.4本章小结31
第五章总结和展望31
5.1全文总结31
5.2课题展望31
致谢32
参考文献33
第一章绪论
1.1直线电机的概述
直线电机是一种将电能直接转换成直线运动的机械能的动力装置,一改以往以链条、钢丝绳、传送带、齿条丝杠和蜗轮蜗杆等传统的中间转换环节,克服了传统机械转换机构的传动链长、体积大、效率低、响应慢、精度低等缺陷。
正是由于直线电机的最大优点是取消了从电机到工作台之间的一切中间环节,把工作台进给传动链的长度缩短为零,因此称为“零传动”或“直接驱动”技术。
直线电机直接驱动技术是20世纪下半叶出现的具有新理论、新原理的新技术,它将和计算机技术一样在工业、军事、民用等领域中得到广泛的应用。
1.1.1直线电机的简介
直线电机发展的起点并不比旋转电机晚很多,在世界上出现旋转电机后不久,就出现了直线电机的雏形,但是直线电机的发展过程是曲折的。
1840年英国人惠斯顿发明了世界上第一台直线电机,但这种直线电机由于气隙过大而导致效率很低,未获成功。
到20世纪中叶,随着控制、电子、材料等技术的发展,为直线电机的开发提供了理论和技术上的支持,直线电机开始进入新的发展阶段。
英国的E.R.Laithwaite教授是现代直线电机发展的先驱,他强调直线电机的基础研究,以他为首的研究小组取得了不少的重要成果。
其他代表人物还有日本的山田一教授,他撰写了多本有关直线电机的著作[1-3]。
20世纪70年代以后,直线电机应用的领域更加广泛,如自动绘图仪、液态金属泵、电磁锤、轻工机械、家电、空气压缩机和半导体制造装置等。
由于直接驱动进给系统具有传统进给系统无法比拟的优点和潜力,且随着矢量控制理论的发展和微电子器件与控制技术的进步,以及高性能永磁材料的发展和价格的降低,直线电机的研究再次受到各国的重视[4]。
近些年来,国内外直线电机的发展动向可总结为三个方面,即:
一是向高速、高精度方面发展;二是向大推力、大容量方面发展;三是向物流设备方面发展。
直线电机在高速、高精度方面的发展首推在现代机床业中的应用。
传统机床的驱动装置依赖丝杆驱动,丝杆驱动本身就具有一系列不利因素,包括:
长度限制、机械背隙、磨擦、扭曲、螺距一周期误差、较长的振动衰减时间、与电机的耦合惯量以及丝杠的轴向压缩等。
所有这些因素均限制了传统驱动装置的效率和精度。
当设备磨损时,必须进行不断地调节以确保所需精度。
直线电机驱动技术可以保证相当高的性能水准以及比传统的将旋转运动转化为直线运动的电机驱动装置具备更高的效率和简便性,具有传统驱动装置无法达到的高速、高精度。
近些年来,直线电机除在高速、高精度方面的发展较快以外,在大推力、大容量方面的发展也是比较快的。
其应用领域如:
八十年代开始在加拿大、日本、美国、马来西亚等应用的直线电机城轨交通[5](地铁和轻轨),现在发展很快,特别在日本和中国。
应用直线电机驱动的城轨交通,其优势主要体现在以下几点,即:
(1)同样容量,降低车体高度,减小隧道面积,成本减少,土地节约;
(2)爬坡能力强,转弯半径小,土建减少,成本降低,选线、换乘方便;
(3)非接触牵引,节能,噪音低;
(4)列车加减速度快,效率高;
(5)维护量少,运营成本低;
(6)与传统地铁比,除机车底部有所变化外,总的建造模式基本不变;
(7)长期的安全运行纪录。
温哥华空中列车在14年的时间里安全运送乘客4.5亿人次,运行里程超过10亿公里。
直线电机在各种物料传输和搬运方面具有独特的优势。
主要体现在结构简单、运行可靠、成本低、效率与智能化程度高等。
目前在垂直传输方面如直线电机电梯、升降机;在平面传输方面如邮政包件分拣传输线,各种行李分拣传输线,钢材生产传输线,电气、电子、机械加工生产线,食品加工线,制药生产线等各种工业加工线和各种检测线;还有商场、医院等场合的物料传输、搬运以及立体仓库的搬运,汽车库的搬运调度等等,不一而举。
1.1.2直线电机研究现状及发展趋势
直线电机不仅广泛应用于工业、交通运输业、军事装备业,而且也逐渐进入到人们的日常生活中。
例如:
磁悬浮列车就是直线电机在交通运输业中的典型应用[6],在军事上,人们利用直线电机制成了各种电磁炮[7-8],并试图将直线电机用于导弹、火箭的发射[9-12];在工业领域,如用于冶金工业中的电磁泵、液态金属搅拌器;采油工业中的直线电机抽油系统[13];在纺织工业中,直线电机驱动的电梭子,割麻装置以及各种自动化仪表和电动执行机构;在物料输送与搬运方面,在垂直输送方面有直线电机电梯、升降机;在平面输送方面有直线电机驱动的邮政包件分拣输送线、行李分拣输送线、钢材生产输送线、电气、电子、机械加工生产线、食品加工线、制药生产线等各种工业加工线、装配线、检测线,商场、医院等场合的物料输送及立体仓库的搬运、立体汽车库的调度等;在民用与建筑业方面,直线电机还被用于门、窗、电梯等民用装置上[14]。
当前制造业向着高速、高精度方向发展,如电子制造工艺(硅微细加工工艺)和微系统制造技术[15](如MEMS微制造、微流控芯片微制造等)需要亚微米级的精度:
在纳米技术开发与应用方面,纳米级、亚纳米级的定位精度迫在眉睫。
直线电机直接驱动系统正是适应了上述需要在高速高精度的机械制造装备与大行程超高精密的电子制造工程领域得到了广泛的关注与开发应用[16]。
早期的直线电机以感应电机为主,但在上世纪90年代以来,随着永磁材料[17]性能的不断提高和完善,特别是钱铁硼永磁材料的热稳定性和耐腐蚀性的改善、价格的逐步下降以及电力电子技术的进一步发展,对旋转永磁电机研究开发经验的逐步成熟,永磁直线电机得到了大量的研究开发与应用,形成了直线电机直接驱动伺服单元以直线感应电机和永磁直线电机为主的局面。
近些年以来,随着稀土永磁材料[18]、电磁场数值计算、智能控制理论及微机技术的出现和不断发展,永磁直线电动机一作为一种新颖的驱动或推进装置,逐步成为学术研究和开发应用的热点。
它不需要电励磁,省去了励磁线圈和励磁电源,不存在励磁损耗,提高了电机的效率,减低了电机的温升,冷却要求减低,同时也简化了直线电机磁极的结构,结构轻,单位尺寸出力大,惯性低,响应快.对长定子动磁极的直线电机非常合适,因为磁极不需要外加励磁电源。
钦铁硼永磁具有强磁力和高娇顽力,大磁动势和高气隙密度,在减少电机体积和重量的同时可增加电机的出力.随后稀土材料性能的提高、价格的降低,电力电子器件价格的降低,永磁直线电机的性价比将越来越好,也逐渐被工业界广泛采用。
因此,永磁直线电机[19]是直线电机中的重点,也是发展的方向。
1.2本章小结
本章主要介绍了直线电机的研究背景,发展历史,以及国内外研究现状,在此基础上,引入课题研究对象,为下章磁通切换永磁直线电机的研究做好基础准备。
第二章磁通切换永磁直线电机原理与应用
2.1永磁电机
2.1.1引言
电机是以磁场为媒介进行机械能和电能相互转换的电磁装置。
为在电机内建立进行机电能量转换所必需的气隙磁场,可以有两种方法。
一种是在电机绕组内通电流产生,既需要有专门的绕组和相应的装置,又需要不断供给能量以维持电流流动,例如普通的直流电机和同步电机;另一种是由永磁体来产生磁场,既可简化电机结构,又可节约能量,这就是永磁电机。
2.1.2永磁电机的发展
永磁电机的发展同永磁材料的发展密切相关。
我国是世界上最早发现永磁材料的磁特性并把它应用于实践的国家,两千多年前,我国利用永磁材料的磁特性制成了指南针,在航海、军事等领域发挥了巨大的作用,成为我国古代四大发明之一。
19世纪20年代出现的世界上第一台电机就是由永磁体产生励磁磁场的永磁电机。
但当时所用的永磁材料是天然磁铁矿石(Fe3O4),磁能密度很低,用它制成的电机体积庞大,不久被电励磁电机[20]所取代。
随着各种电机迅速发展的需要和电流充磁器的发明,人们对永磁材料的机理、构成和制造技术进行了深入研究,相继发现了碳钢、钨钢、钴钢等多种永磁材料。
特别是20世纪30年代出现的铝镍钴永磁和50年代出现的铁氧体永磁,磁性能有了很大提高,各种微型和小型电机又纷纷使用永磁体励磁。
永磁电机的功率小至数毫瓦,大至几十千瓦,在军事、工农业生产和日常生活中得到广泛应用,产量急剧增加。
相应地,这段时期在永磁电机的设计理论、计算方法、充磁和制造技术等方面也都取得了突破性进展,形成了以永磁体工作图图解法为代表的一套分析研究方法。
但是,铝镍钴永磁的矫顽力偏,铁氧体永磁的剩磁密度不高,限制了它们在电机中的应用范围。
一直到20世纪60年代和80年代,稀土钴永磁和钕铁硼永磁相继问世,它们的高剩磁密度、高矫顽力、高磁能积和线性退磁曲线的优异磁性能特别适合于制造电机,从而使永磁电机的发展进入一个新的历史时期。
2.1.3永磁电机的分类
常规永磁电机通常分为以下五类:
永磁直流电动机、异步起动永磁同步电机、永磁无刷直流电动机、调速永磁同步电动机和永磁同步发电机。
永磁直流电动机与普通直流发电机结构上的不同在于前者取消了励磁绕组和磁极铁心,代之以永磁磁极,具有结构简单、可靠性高、效率高、体积小、重量轻的重点。
绝大多数永磁直流电动机是微型电动机,在电动玩具、家用电器、汽车工业中得到了广泛的应用,其中在汽车工业中的应用发展最快,每台轿车上有几十台电机,除发电机外,基本上都是永磁直流电机。
无刷直流电机和调速永磁同步电机结构上基本相同,定子上为多相绕组,转子上有永磁体,它们的主要区别在于无刷直流电机根据转子位置信息实现自同步。
它们的优点在于:
(1)取消了电刷换向器,可靠性提高;
(2)损耗主要由定子产生,散热条件好;(3)体积小,重量轻。
异步起动永磁同步电动机与调速永磁同步电动机结构上的区别是:
前者转子上有起动绕组或具有起动作用的整体铁心,能实现自启动,无需控制系统即可在电网上运行。
永磁同步发电机与电励磁同步发电机在结构上的不同在于前者采用永磁头建立磁场,取消了励磁绕组、励磁电源、集电环和电刷等,结构简单,运行可靠。
若采用稀土永磁,可以提高气隙密度和功率密度,具有体积小、重量轻的优点。
2.2直线电机的基本结构
图2-1所示的a和b分别表示了一台旋转电机和一台直线电机。
(a)旋转电机(b)直线电机
图2-1旋转电机和直线电机示意图
直线电机可以认为是旋转电机在结构方面的一种演变,它可以看作是将一台旋转电机沿径向剖开,然后将电机的周围展成直线,如图2-2所示。
这样就得到了由旋转电机演变而来的最原始的直线电机。
由定子演变而来的一侧称为初级,由转子演变而来的一侧称为次级。
(a)沿径向剖开(b)把圆周展成直线
图2-2由旋转电机演变为直线电机的过程
图2-2中演变而来的直线电机,其初级和次级长度是相等的,由于在运动时初级与次级之间要做相对运动,如果在运动开始时,初级与次级正巧对齐,那么在运动中,初级与次级之间的耦合的部分越来越少,而不能正常运动。
为了保证在所需的行程范围内,初级与次级之间的耦合能保持不变,因此实际应用时,是将初级和次级制作成不同的长度。
在制造直线电机时,即可以是初级短,次级长,也可以是初级长,次级短。
前者称为短初级长次级,后者称为长初级短次级。
但是短初级在制造成本上、运行的费用上均比短次级低得多,因此,目前除特殊场合外,一般均采用短初级长次级,如图2-3所示。
(a)短初级(b)短次级
(b)图2-3单边型直线电机
在图2-3中所示的直线电机中仅在一边安放初级,对于这样的结构型式称为单边型直线电机。
这种结构的电机,一个最大特点是在初级与次级之间存在着一个很大的法向吸力,一般这个法向吸力,在钢次级时约为推力的10倍左右,在大多数的场合下,这种法向吸力是不希望存在的,如果在次级的两边都装上初级,那么这个法向吸力可以相互抵消,这种结构形式称为双边型,如图2-4所示。
(a)短初级(b)短次级
图2-4双边型直线电机
上述介绍的直线电机称为扁平型直线电机,是目前应用最广泛的,除了上述扁平型直线电机的结构型式外,直线电机还可以做成圆筒型(也称管型)结构,它也可以看作是由旋转电机演变过来的,其演变过程如图2-5所示。
(a)旋转电机(b)扁平型单边直线电机(c)圆筒型直线电机
图2-5旋转电机演变为圆筒型直线电机的过程
图2-5表示一台旋转电机以及由定子绕组所构成的磁场极性分布情况;图2-5b表示转变为扁平型直线电机后,初级绕组所构成磁场极性分布情况,然后将扁平型直线电机沿着和直线运动相垂直的方向卷接成筒形,这样就构成图2-5c所示的圆筒型直线电机。
此外,直线电机还有圆弧型和圆盘型结构。
所谓圆弧型结构,就是将平板型直线电机的初级沿运动方向改成圆弧型,并安放于圆筒形次级的柱面外侧,如图2-6所示。
图2-7是圆盘型直线电机,该电机把次级做成一片圆盘(铜或铝,或铜、铝与铁复合),将初级放在次级圆盘靠近外缘的平面上,圆盘型直线电机的初级可以是双面的,也可以是单面的。
圆弧型和圆盘型直线电机的运动实际上是一个圆周运动,如图中的箭头所示,然而由于它们的运行原理和设计方法与扁平型直线电机结构相似,故仍归入直线电机的范畴。
图2-6圆弧型直线电机图2-7圆盘型直线电机
2.3磁通切换原理
所谓的磁通切换电机,是指绕组里匝链的磁通(磁链)会根据转子的不同位置切换方向和数量,即改变正负极性和数值大小。
在一个转子极距范围内,对应着电机的一个电周期,磁通的数量会从最大变到最小,方向从进入绕组到穿出绕组(或从穿出绕组到进入绕组)。
依据“磁阻最小原理”,磁通永远都是通过磁阻最小的路径闭合。
在图2-8(a)所示的转子位置,显然永磁体产生的磁通会沿着图示箭头的路径穿出定子齿而进入与之相对齐的转子极。
对于开路的定子绕组来说,其两端会感应出一定的反电动势。
而当转子运动到图2-8(b)的位置时,永磁磁通在数量上保持不变但穿行的路径对绕组来说恰好反向,为穿出转子极而进入定子齿。
显然,此时绕组中感应的反电动势与上一种情况相比,数值相同但极性相反。
正是基于这个原理,当转子在上述两个位置之间连续运动时,绕组里匝链的永磁磁通就会不断地在正负最大值之间呈周期性变化,与之相对应,根据法拉第定律,绕组两端就会产生幅值和相位交变的反电动势(back-EMF,back-Electro-Motive-Force),这个过程就被称之为“磁通切换”,这也是该类型电机名称的由来。
(a)磁通穿出绕组(b)磁通进入绕组
图2-8磁通切换原理
2.4直线电机工作原理
直线电动机的工作原理与旋转电动机相似。
以直线感应电动机为例:
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。
直线电机的原理并不复杂。
设想把一台旋转运动的感应电动机沿着半径的方向剖开,并且展平,这就成了一台直线感应电动机。
在直线电机中,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。
初级中通以交流,次级就在电磁力的作用下沿着初级做直线运动。
这时初级要做得很长,延伸到运动所需要达到的位置,而次级则不需要那么长。
实际上,直线电机既可以把初级做得很长,也可以把次级做得很长;既可以初级固定、次级移动,也可以次级固定、初级移动。
而本文研究的电机不是电励磁,而是永磁体励磁,而且做为电动机运行,电机内部耦合着永磁磁场和电枢磁场,因此在展开分析之前,先要讨论永磁磁通和电枢磁通的相互关系。
在图2-9(a)的位置,转子极P1和P2分别正对一块永磁体,电枢绕组电流如图中所示,用实线和虚线分别表示永磁磁通和电枢反应磁通的分布情况。
对P1,显然左半边的合成磁通是加强的,而右半边的电枢反应磁通与永磁磁通方向相反,总的合成作用力向左。
对P2的情况是相同的。
因此,转子会向左运动到图2-9(b)所示位置。
改变电枢绕组中的电流方向,对转子极P1和P2采用同样的的方法分析,可知它们仍然会受
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