短時(shí)高過載無槽圓筒型永磁直線電機(jī)電磁及溫升特性研究.pdf

1、無槽圓筒型永磁直線電機(jī)(Tubular Permanent Magnet Linear Motor, TPMLM)具有繞組利用率高,定位力小,電樞反應(yīng)小等優(yōu)點(diǎn),在直線運(yùn)動(dòng)場合中具有巨大的應(yīng)用前景。對于已有的無槽TPMLM,較低的磁負(fù)荷限制了電機(jī)推力密度的提高。此外,提高電機(jī)電負(fù)荷利于提高推力密度,但是此時(shí)電機(jī)發(fā)熱溫升迅速,影響電機(jī)的可靠性,因此必須準(zhǔn)確預(yù)估電機(jī)溫升。本文以負(fù)載大范圍變化的伺服系統(tǒng)為應(yīng)用背景,開展此類電機(jī)的電磁及溫升特性研

2、究,以提高TPMLM的推力性能,保證其可靠性,進(jìn)而拓展其應(yīng)用。
　　本文首先進(jìn)行電機(jī)磁場計(jì)算分析,在此基礎(chǔ)上開展無槽TPMLM初級(動(dòng)子)繞組的特性研究。針對單個(gè)虛槽內(nèi)不同位置處繞組產(chǎn)生的反電勢具有相角差,且與相間絕緣相關(guān)的特殊性,提出了虛槽內(nèi)軸向繞組分布因數(shù),并給出其計(jì)算公式,研究得到虛槽內(nèi)繞組軸向分布特性。針對繞組所在位置屬于物理氣隙,繞組厚度與電磁負(fù)荷緊密關(guān)聯(lián)特性,開展繞組厚度優(yōu)化研究,揭示繞組厚度對電機(jī)推力及電機(jī)常數(shù)的影響

3、規(guī)律。
　　針對次級(定子)上存在漏磁大、鐵心利用率低的缺點(diǎn),提出類梯型、凸型、類V型和類U型四種新型磁極,通過增聚磁原理,提高電機(jī)的磁負(fù)荷。研究指出,類梯形和凸型磁極通過增加定子鐵心外徑處寬度,提高鐵心利用率,提高了氣隙磁場強(qiáng)度。類V型磁極使單塊永磁體厚度減半,克服了厚的永磁體易在非導(dǎo)磁軸上形成漏磁路的缺點(diǎn),具有聚磁效果。類U型磁極兼具聚磁和增磁效果,使氣隙磁密基波幅值大幅度提高,且高次諧波分量沒有增加,電機(jī)推力提高。對各磁極參

4、數(shù)的研究結(jié)果表明當(dāng)次級外徑/內(nèi)徑比越大時(shí),采用類梯形和凸型磁極的優(yōu)勢越明顯,而當(dāng)次級外徑/內(nèi)徑比越小時(shí),采用類V型和類U型磁極更利于改善磁場,提高電機(jī)的推力。研制了無槽TPMLM樣機(jī),并進(jìn)行空載反電勢及電磁力測試研究。
　　針對電機(jī)溫升計(jì)算中繞組建模困難問題,建立改進(jìn)的圓環(huán)形分層等效繞組模型,并開展不同電密下環(huán)形線圈的溫升計(jì)算與測試研究,驗(yàn)證繞組模型的有效性,并揭示高電密時(shí)線圈內(nèi)溫度梯度分布及溫升規(guī)律,從而為電機(jī)電負(fù)荷的選取提供參

5、考。針對無槽TPMLM工作時(shí)各表面空氣流動(dòng)及散熱復(fù)雜的特點(diǎn),建立基于動(dòng)網(wǎng)格的電機(jī)外部流體場計(jì)算模型,計(jì)算得到次級表面及氣隙內(nèi)空氣流動(dòng)規(guī)律,在此基礎(chǔ)上給出各表面散熱系數(shù)的計(jì)算方法。
　　分析指出無槽TPMLM熱交換的特殊性:定子外表面部分區(qū)域在自然對流和強(qiáng)制對流換熱兩種狀態(tài)下反復(fù)變換。針對這種特殊性,綜合熱路和溫度場方法的無槽TPMLM溫升計(jì)算模型,并進(jìn)行不同工況下無槽TPMLM的溫升計(jì)算研究:當(dāng)動(dòng)子行程長時(shí),建立動(dòng)子溫度場、定子溫

6、度場及變化氣隙的熱路模型,并構(gòu)建氣隙熱路和動(dòng)子、定子溫度場之間的熱邊界關(guān)聯(lián)性;當(dāng)動(dòng)子行程短時(shí),建立動(dòng)子和定子耦合區(qū)域溫度場計(jì)算模型,以及定子非耦合區(qū)域熱路模型,并根據(jù)傳熱相等原理,將定子耦合區(qū)域向非耦合區(qū)域的傳熱等效為耦合區(qū)域溫度場計(jì)算的熱邊界條件。熱路和溫度場綜合計(jì)算的方法,既利于提高溫升計(jì)算精度,又利于減小計(jì)算模型。在此基礎(chǔ)上計(jì)算揭示短時(shí)高過載時(shí)無槽TPMLM的溫升規(guī)律。通過開展電機(jī)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)溫升實(shí)驗(yàn)研究,對綜合熱路和溫度場計(jì)算的方

7、法及其結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　深入分析短時(shí)高過載電機(jī)的發(fā)熱、吸熱及散熱規(guī)律,指出提高電機(jī)本身吸收熱量的能力,是降低短時(shí)高過載無槽TPMLM繞組溫升的一個(gè)有效途徑。在此基礎(chǔ)上開展絕緣結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱優(yōu)化研究,計(jì)算表明,對于短時(shí)高過載無槽TPMLM,導(dǎo)熱優(yōu)化增強(qiáng)了繞組向其它部位的導(dǎo)熱,增大了電機(jī)本身吸熱量,減小了繞組與其它部位的溫差,從而有效降低了繞組溫升。比較研究了不同工況下導(dǎo)熱優(yōu)化、散熱優(yōu)化、和采用新型磁極以減小損耗的方法對于降低無槽TPM