永磁式開關(guān)磁阻直線電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計及其電磁特性分析.pdf

1、開關(guān)磁阻電機(jī)由于其簡單的結(jié)構(gòu)和良好的運行特性受到了廣泛關(guān)注，根據(jù)其基本結(jié)構(gòu)沿徑向展開，可以得到開關(guān)磁阻直線電機(jī)，這是一種結(jié)合了直線電機(jī)原理與開關(guān)磁阻電機(jī)特性的新型特種電機(jī)，它既能高速度、高精度實現(xiàn)直線運動，又具有結(jié)構(gòu)簡單便于維護(hù)的特點。但是，由于開關(guān)磁阻直線電機(jī)在具備了開關(guān)磁阻電機(jī)的優(yōu)點的同時，也繼承了其相應(yīng)的不足：開關(guān)磁阻直線電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換密度普遍低于電磁式直線電機(jī)或磁軌式直線電機(jī)，運行時推力脈動較大，從而導(dǎo)致噪聲問題突出，同時在特定

2、頻率下電機(jī)本體會產(chǎn)生諧振問題。在電磁場中，電機(jī)磁阻力往往大于所產(chǎn)生的安培力，因此，以磁阻力為主要動力的開關(guān)磁阻直線電機(jī)可獲得更大的電磁推力，由于安培力與線圈電流成線性關(guān)系，而磁阻力的產(chǎn)生條件導(dǎo)致其相對于安培力來說難以控制，從而產(chǎn)生了上述缺點。本文在開關(guān)磁阻直線電機(jī)的基礎(chǔ)上，通過在電機(jī)結(jié)構(gòu)中引入高性能永久磁鋼，使電機(jī)的比功率密度增加，同時減小磁阻推力脈動，減小噪聲問題對電機(jī)運行的影響。改進(jìn)后，由于樣機(jī)模型結(jié)構(gòu)變化，克服了原設(shè)計的直線電機(jī)所

3、存在的缺點。
　　本文的主要研究內(nèi)容及取得的成果如下：
　　1.根據(jù)旋轉(zhuǎn)開關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)，將其沿徑向剖開，得到開關(guān)磁阻直線電機(jī)。根據(jù)設(shè)計要求，確定了開關(guān)磁阻直線電機(jī)的定子和動子結(jié)構(gòu)、尺寸參數(shù)以及繞組布置和氣隙尺寸；在ANSYS/Maxwell軟件中建立了3D模型，對其磁場分布和電磁特性進(jìn)行了分析計算，確定了電機(jī)主要結(jié)構(gòu)尺寸。分析結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)仍然存在轉(zhuǎn)矩脈動較大、電磁推力較低的缺點。進(jìn)而對電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化：分別在動

4、子齒槽、動子軛部，以及同時在動子齒槽及軛部嵌入高性能永久磁鋼材料，并對每種結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行了分析和計算，所得結(jié)果表明，同時在動子齒槽及軛部嵌入高性能永久磁鋼材料的結(jié)構(gòu)得到了良好的電磁推力特性：脈動小，數(shù)值大，最接近于矩形波。
　　2.在開關(guān)磁阻直線電機(jī)動子齒槽及動子軛部嵌入永磁體的電機(jī)稱為永磁式開關(guān)磁阻直線電機(jī)。使用 ANSYS/Maxwell軟件，對其電磁特性進(jìn)行進(jìn)一步分析和研究。利用有限元分析軟件的靜態(tài)磁場模塊分析不同位置動子和定

5、子內(nèi)部磁場分布情況，以及氣隙磁場分布情況；通過運用瞬態(tài)磁場分析模塊，得到周期范圍內(nèi)無電激勵以及通電情況下線圈磁鏈以及電感的變化波形，觀察得到永磁體勵磁與電勵磁方式對于電機(jī)運行性能的影響，分析推導(dǎo)電磁推力波形發(fā)生變化的原因。
　　3.對改進(jìn)后電機(jī)模型的氣隙主磁場進(jìn)行許-克變換分析計算，將電機(jī)氣隙磁場與簡單場對應(yīng)起來，同時兼顧邊端效應(yīng)和齒槽效應(yīng)的影響，推導(dǎo)出直線電機(jī)磁場分布解析表達(dá)式，在其基礎(chǔ)上進(jìn)一步通過麥克斯韋應(yīng)力張量法計算出電磁推

6、力，解析計算結(jié)果證明：許-克變換法得到的運算結(jié)果與有限元法得到的結(jié)果一致，采用許-克變換法進(jìn)行磁場分析運算是可行的、準(zhǔn)確的。
　　4.針對永磁式開關(guān)磁阻電機(jī)啟動推力大，運動速度快的特點，總結(jié)電機(jī)控制策略，采用一種固定關(guān)斷時間的峰值電流控制 PWM方法對所設(shè)計的電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動控制。分別對固定關(guān)斷時間模塊以及峰值電流控制模塊進(jìn)行仿真，得到每種模塊產(chǎn)生的電流波形并進(jìn)行分析，分析表明，該種電機(jī)控制方法可以保證恒定的功率開關(guān)頻率，同時兼顧電流