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

1、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)由于其簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和良好的運(yùn)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(kāi)，可以得到開(kāi)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(kāi)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(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，又具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單便于維護(hù)的特點(diǎn)。但是，由于開(kāi)關(guān)磁阻直線電機(jī)在具備了開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也繼承了其相應(yīng)的不足：開(kāi)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(yùn)行時(shí)推力脈動(dòng)較大，從而導(dǎo)致噪聲問(wèn)題突出，同時(shí)在特定

2、頻率下電機(jī)本體會(huì)產(chǎn)生諧振問(wèn)題。在電磁場(chǎng)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?jiǎng)恿Φ拈_(kāi)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(duì)于安培力來(lái)說(shuō)難以控制，從而產(chǎn)生了上述缺點(diǎn)。本文在開(kāi)關(guān)磁阻直線電機(jī)的基礎(chǔ)上，通過(guò)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(shí)減小磁阻推力脈動(dòng)，減小噪聲問(wèn)題對(duì)電機(jī)運(yùn)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(jì)的直線電機(jī)所

3、存在的缺點(diǎn)。
　　本文的主要研究?jī)?nèi)容及取得的成果如下：
　　1.根據(jù)旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)，將其沿徑向剖開(kāi)，得到開(kāi)關(guān)磁阻直線電機(jī)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，確定了開(kāi)關(guān)磁阻直線電機(jī)的定子和動(dòng)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(duì)其磁場(chǎng)分布和電磁特性進(jìn)行了分析計(jì)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(dòng)較大、電磁推力較低的缺點(diǎn)。進(jìn)而對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化：分別在動(dòng)

4、子齒槽、動(dòng)子軛部，以及同時(shí)在動(dòng)子齒槽及軛部嵌入高性能永久磁鋼材料，并對(duì)每種結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行了分析和計(jì)算，所得結(jié)果表明，同時(shí)在動(dòng)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(dòng)小，數(shù)值大，最接近于矩形波。
　　2.在開(kāi)關(guān)磁阻直線電機(jī)動(dòng)子齒槽及動(dòng)子軛部嵌入永磁體的電機(jī)稱為永磁式開(kāi)關(guān)磁阻直線電機(jī)。使用 ANSYS/Maxwell軟件，對(duì)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(chǎng)模塊分析不同位置動(dòng)子和定

5、子內(nèi)部磁場(chǎng)分布情況，以及氣隙磁場(chǎng)分布情況；通過(guò)運(yùn)用瞬態(tài)磁場(chǎng)分析模塊，得到周期范圍內(nèi)無(wú)電激勵(lì)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(lì)磁與電勵(lì)磁方式對(duì)于電機(jī)運(yùn)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(duì)改進(jìn)后電機(jī)模型的氣隙主磁場(chǎng)進(jìn)行許-克變換分析計(jì)算，將電機(jī)氣隙磁場(chǎng)與簡(jiǎn)單場(chǎng)對(duì)應(yīng)起來(lái)，同時(shí)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(chǎng)分布解析表達(dá)式，在其基礎(chǔ)上進(jìn)一步通過(guò)麥克斯韋應(yīng)力張量法計(jì)算出電磁推

6、力，解析計(jì)算結(jié)果證明：許-克變換法得到的運(yùn)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(chǎng)分析運(yùn)算是可行的、準(zhǔn)確的。
　　4.針對(duì)永磁式開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)啟動(dòng)推力大，運(yùn)動(dòng)速度快的特點(diǎn)，總結(jié)電機(jī)控制策略，采用一種固定關(guān)斷時(shí)間的峰值電流控制 PWM方法對(duì)所設(shè)計(jì)的電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制。分別對(duì)固定關(guān)斷時(shí)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(kāi)關(guān)頻率，同時(shí)兼顧電流