一种新型永磁直线同步电机绕组的有限元分析

2011-01-19袁振伟王三保周惠兴

制造业自动化 2011年10期

关键词：正弦永磁绕组

琚莉，彭云，袁振伟，王三保，周惠兴

（1. 河南财政税务专科学校，郑州 450002；2. 郑州大学化工与能源学院，郑州 450002；3. 中国农业大学，北京 100083）

一种新型永磁直线同步电机绕组的有限元分析

琚莉1，彭云2，袁振伟2，王三保2，周惠兴3

（1. 河南财政税务专科学校，郑州 450002；2. 郑州大学化工与能源学院，郑州 450002；3. 中国农业大学，北京 100083）

直线电机由旋转电机演变而来，本文针对直线电机自身的特点，提出直线电机绕组的新型排列方式，并用Ansoft Maxwell 12进行了有限元分析模拟，实验验证了这种排列方式的可行性和可靠性。

永磁直线电机；Ansoft Maxwell 12；有限元分析

0 引言

在许多场合，被控对象是直线运动，传统的获得直线运动的方法，一般是旋转电机加丝杠。由于结构上的限制，传统方法的运动速度、精度和可靠性已经达到极限。直线电机没有中间转换环节、无传动间隙和机械摩擦，可以获得更高的速度和精度。U型永磁同步直线电机，其结构简单，能适应高精度、高加速以及高速运行状态，越来越多的应用于各种直线运动领域。

本文在传统直线电机的基础上，分析提出了一种新型U型无铁芯直线同步电机动子的绕组，其推力波动小、响应快、体积小、结构简单并且能有效降低成本。同时采用有限元软件Ansoft Maxwell 12对这种绕组进行了建模分析，最后通过实际的实验进行了检验。

1 新型绕组的由来

把旋转电机沿径向展开，定子和动子部分都做成直线形式，就得到了直线电机。这里以3相4极永磁同步电机为例，说明直线电机的转变过程。

图1 直线电机的由来

电机沿径向展开，气隙磁场由原来的圆型转变成直线（如图1所示），磁钢磁力线分布情况可以近似看做一个正弦曲线（如图2所示）。分析永磁体所产生的磁场变化可知，要想获得最大的直线驱动力，同步直线电机绕组所产生的电磁场，同定子永磁体所产生的磁场一样，也应该是正弦形式。

图2 直线电机正弦变化的定子磁场

旋转电机绕组部分，由旋转电机展开得到的绕组平面图如图3所示，按星型接法，在ABC中通入正弦交流电后，绕组产生正弦变化的行波磁场，这是制造直线电机绕组最常见的方式。

图3 旋转电机绕组展开图（并联）

从图3中可以看出，电机只有12槽，可以采用单层绕组排列方式，但是每一项绕组所跨的槽数较多，增加了电机的铜耗，同时使得无用功功率增加，难以提高电机的功率因数。线圈与线圈的叠加，也增加了电机制造和装配的难度。考虑到直线电机有它自身的特点，我们只需要使绕组产生如图2所示的正弦磁场，就能得到我们想要的直线驱动力。再结合U型电机的特点和U型电机磁钢的间距，可以把绕组分开排列。这样处理，首先避免了线圈与线圈之间的叠加，从结构上保证了线圈与线圈之间的绝缘性能。其次，线圈分开后，间距和厚度相对容易保证，线圈之间的相互扰动会减少，这也有助于提升电机的电气性能。

图4 绕组的转化

如图4所示，把线圈展开后，采用合适的间距和合适的电压频率，就可以得到和定子一致的正弦交变磁场，进而得到我们想要的直线驱动力。与传统直线电机绕组比较，这种新型绕组具有铜耗低、结构简单、效率高、制造以及装配方便等诸多优点。

2 绕组分析

Ansoft公司的Maxwell 是一个功能强大、结果精确、易于使用的二维/三维电磁场有限元分析软件。它可以用于静电场、静磁场、时变电场，时变磁场，涡流场、瞬态场和温度场计算，在分析电机、传感器、变压器、永磁设备、激励器等电磁装置的静态、稳态、瞬态、正常工况和故障工况的特性方面都很有优势。Maxwell具有很强的专业性，并且容易掌握，越来越多的受到工程技术人员的青睐。

下面以最简单的三个线圈的直线电机为例，分析检验这种绕组的可行性，电机为三相，每相一个线圈，平行排列，电机参数见表1。