三种不同形状永磁体圆筒型永磁直线电机气隙磁场研究

王秀静，相志辉

(江苏金陵机械制造总厂，江苏南京210007)



三种不同形状永磁体圆筒型永磁直线电机气隙磁场研究

王秀静，相志辉

(江苏金陵机械制造总厂，江苏南京210007)

影响圆筒型永磁直线电机性能的关键因素是气隙磁场的性能。利用有限元软件ANSYS分析了三种不同形状永磁体结构圆筒型永磁直线电动机在无槽和开槽时的气隙磁场磁密大小和波形。得出了在相同条件下，矩形和梯形永磁体结构气隙磁密大、变化范围广、受开槽影响小而菱形结构气隙磁密小，变化范围窄，波形畸变率高。得到的规律为动子选择和电机设计提供了依据。

圆筒型永磁直线电机；ANSYS；气隙磁场

0　引言

轴向充磁圆筒型永磁直线电机(TPMLM)在结构上取消了传动机构既简化了系统结构又减少了机械损耗。它不但提高了效率，同时具有体积小、结构灵活多变、易于调节和控制、以及无横向边端效应等优点，在直驱式驱动领域得到了越来越广泛的应用[1]。

1　TPMLM的结构和原理

在TPMLM中定子的变化主要集中在槽的个数、形状、大小和齿距，而动子的变化主要在极数、极距、极弧系数和永磁体的形状。本文主要是从动子永磁体结构的不同来对比分析几类电机的性能。在TPMLM中比较常见的动子永磁体形状通常有三种：即永磁体为矩形、梯形和菱形，如图1所示。不同形状永磁体对于TPMLM性能有着不同的影响，因此非常有必要研究TPMLM在不同永磁体形状下的性能，这样非常有利于在进行电机设计时对永磁体的选择起到指导作用。

Jiabin Wang等人基于麦克斯韦磁场方程推导出了解析计算三种不同充磁方式的气隙磁场解析表达式[2]～[7]；Nicola Bianchi等人利用等效磁阻的方法分析了TPMLM的气隙磁密和极槽关系[8]，[9]。他们都只是得出了气隙磁密的解析公式没有进一步去研究不同的永磁体形状对于TPMLM的性能有什么影响。本文利用有限元分析软件ANSYS对三种动子采用不同永磁体形状的TPMLM进行二维有限元仿真分析。比较了在所有结构参数都一样时，三种永磁体形状TPMLM的无槽和开槽的气隙磁密大小、波形以及正弦度，得出三种电机的特点，为电机设计提供理论依据。

(a)永磁体为矩形

(b)永磁体为梯形

永磁直线电机其实是从永磁旋转电机演变过来的，该类电机的原理、分析方法和永磁旋转电机类似。把永磁旋动电机沿径向剖开拉直，就能够得到平板型永磁直线电机，再将平板型电机的扁平部分卷绕起来使其与磁场运动方向，就得到了圆筒型永磁直线电机。圆筒型永磁直线电机主要由以下几部分结构组成：不锈钢轴、动子铁心、永磁体、气隙、定子铁心、不锈钢外壳。TPMLM的结构示意图如图2所示。

TPMLM的磁路无论哪种充磁方式都是由永磁体产生经过动子铁心再经过气隙到达定子铁心，再从定子铁心出发经过气隙到达动子铁心最后进入永磁体。当动子永磁体产生的磁场和定子绕组电流产生的磁场相互作用时，将会产生轴向推力使动子运动，只要有效的控制绕组中电流大小和方向就可使TPMLM按照需要做往复运动。

2　三种不同形状永磁体TPMLM气隙磁场对比

TPMLM的定子结构可以分为无槽和有槽种。无槽电机出力较小、推力脉动也小。有槽电机虽然比无槽电机出力要大，但是推力脉动也大[10]～[12]。通过ANSYS仿真分析三种动子无槽和有槽电机的气隙磁场磁密大小和波形。

2.1无槽TPMLM气隙磁场分析要对三种形状永磁体电机的气隙磁密进行对比分析，就必须使得三种形状永磁体电机除了永磁体形状不同，其他的结构参数必须保持一致，电机的结构参数如表1所示。

在永磁体的磁能积一样的情况下，比较三种形状永磁体气隙磁密云图、气隙磁场强度如图3和图4所示，平均气隙磁场强度如表2所示。

从图4中可以梯形永磁体的气隙磁场强度最大，菱形最小；同时矩形和梯形永磁体气隙磁场强度波形更接近正弦波；在梯形和菱形结构中磁力线的走向上磁阻不一样，导致在一些磁阻比较大的地方漏磁加大，这样就导致这两者之间的输出磁能偏小，反而谐波增大。从表2中可以看出矩形永磁体平均气隙磁场强度最大即输出磁能最大，THD最小；菱形永磁体平均气隙磁场强度最小即输出磁能最小；梯形永磁体THD最大。从图5中可以看出矩形永磁体的基波含量最大，谐波含量最小；而梯形永磁体的基波含量低反而谐波含量很高不利于气隙磁场强度波形的改善。综合分析可得矩形永磁体能够得到波形较好，磁能最大的输出。

2.2有槽TPMLM气隙磁场分析

对TPMLM开槽之后的气隙磁场强度进行对比，在表1的结构参数基础上必须加上一些其它参数：极数p=10、槽数z=9、槽口宽b=6mm和槽型结构为半闭口槽等结构参数。三种形状永磁体有槽TPMLM的气隙强度波形和FFT分析结果如图6、图7所示。

从图6和图7中可以看出：由于极和槽的最大公约数为1，三种形状永磁体的气隙磁密谐波分量为10的整数倍次，这样大大降低了谐波量；矩形永磁体结构气隙磁密大且波形好；菱形永磁体结构波形好但与相同情况的矩形永磁体结构相比气隙磁密偏小；梯形永磁体结构方式的气隙磁密大小介于矩形和菱形永磁体结构之间。综合三者的情况可以得出矩形永磁体结构在性能各方面都有优势，再对电机进行一定的优化，可以得到一个理想的推力输出能力，因此，该种充磁方式结构简单更便于制造。

3　结语

通过对三种不同永磁体形状的无槽和有槽气隙磁密大小、波形对比，可以得出这三种永磁体形状电机的特点。

(1)矩形永磁体结构的TPMLM不仅气隙磁密大，且在开槽后的基波磁密也大，谐波含量适中，使用范围广。

(2)菱形永磁体结构的TPMLM气隙磁密偏小，且开槽后对该种充磁方式影响较大，谐波含量高，在一些特殊场合能够得到很好的应用。

(3) 梯形永磁体结构可以获得相对较大的气隙磁场还可以获得比较接近正弦形或矩形的气隙磁场波形，且在这种充磁方式下开槽影响不大，谐波含量最小。故梯形结构动子在TPMLM的应用比较灵活，也是在设计时对参数的选取要合理准确。

[1]张锋．潜油圆筒形直线永磁电机工程样机及其控制系统研究[D]．济南：山东大学，2010：37-51．

[2]Jiabin Wang，David Howe，Jewell Geraint W．Analysis and design optimization of an improved axially magnetized tubular permanent magnet machine[J]．IEEE Transactions Energy Conversion，2004，19(2)：289-295．

[3]Jiabin Wang，David Howe．Tubular modular permanent magnet machines equipped with quasi halbach magnetized magnets part I：magnetic field distribution, EMF, and thrust force[J]．IEEE Transactions on Magnetics，2005，41(9)：2470-2478．

[4]Jiabin Wang，Weiya Wang，Kais Atallah．A linear permanent magnet motor for active vehicle suspension[J]．IEEE Transactions on Vehicular Technology，2011，60(1)：55-63．

[5]Jiabin Wang，David Howe．Tubular modular permanent magnet machines equipped with quasi halbach magnetized magnets part II：magnetic field distribution, EMF, and thrust force[J]．IEEE Transactions on Magnetics，2005，41(9)：2479-2489．

[6]Jiabin Wang，David Howe，Zhengyu Lin．Design optimization of short stroke single phase tubular permanent magnet motor for refrigeration applications[J]．IEEE Transactions on Industry Electronic，2010，57(1)：327-334．

[7]Jiabin Wang，David Howe，Jewell Geraint W．Analysis and design optimization of an improved axially magnetized tubular permanent magnet machine[J]，IEEE Transactions Energy Conversion，2004，19(2)：289-295．

[8]Nicola Bianchi，Silverio Bolognani，Dario Dalla Corte．Tubular linear permanent magnet motors：an overall comparison[J]．IEEE Transactions on Industry Applications，2003，39(2)：466-475．

[9]Nicola Bianchi．Analytical field computation of a tubular permanent magnet linear motor[J]．IEEE Transactions on Magnetics，2000，36(5)：3798-3801．

[10]陆国良，夏永明，刘晓．基于有限元分析的3种圆筒型永磁同步直线电机的运行仿真[J]．轻工机械，2006，24(4)：56-59．

[11]李庆雷，王先逵．永磁同步直线电机推力波动分析及改善措施[J]．清华大学学报(自然科学版)，2000，40(5)：33-36．

[12]赵镜红，张晓锋，张俊洪，等．圆筒永磁直线同步电机磁场和推力分析[J]．电机与控制学报，2010，14(1)：12-17．

Research on Air-Gap Magnetic Field of Tubular Permanent Magnet Linear Motor with Three Shapes Permanent Magnets

Wang Xiujing and Xiang Zhihui

(JiangsuJinlingMachineryManufacturingPlant,Nanjing210007,China)

The key factor of impacting performances of tubular permanent magnet linear motor(TPMLM) is performance of air-gap magnetic field. In this paper, the magnitudes and waveforms of air-gap magnetic fields of unslotted and slotted motors with three shapes permanent magnets are analyzed by ANSYS finite-element software. Under the same condition, the motors with rectangular and trapezoidal permanent magnets have large magnitude and wide variation range air-gap flux density and have small influence by slotting, but the motor with rhombic permanent magnets has small magnitude and narrow variation range air-gap flux density and has high waveform distortion rate. The obtained results can provide the basis to choose and design mover of TPMLM.

TPMLM；ANSYS；air-gap magnetic field

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.04.02

TM359.4

A

1008-7281(2016)04-0005-004

王秀静女1986年生；毕业于武汉材料保护研究所，现从事技术管理工作.

2016-05-06