CN102013785A - 一种圆筒型永磁同步直线电机的推力优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种圆筒型永磁同步直线电机的推力优化设计方法，先建立电机的实体模型，设定包括电机初级铁芯定子的初级铁芯长度的运动选项参数；再对运动选项参数用有限元方法进行求解建立有限元几何模型；通过公式计算得到初级铁芯定子两端边端力的优化相位差值，调整初级铁芯长度得到对应于优化相位差值的最优初级铁芯长度，最后采用最优初级铁芯长度、半开半闭圆底槽型的齿槽结构以及Halbach结构充磁得到推力波动最小的圆筒型永磁同步直线电机。本发明通过削弱由端部效应、齿槽效应产生的磁阻力对推力波动影响，使推力波动达到最小；方法简单有效，计算精度高，既可作电动机使用，也可作发电机使用。

Description

一种圆筒型永磁同步直线电机的推力优化设计方法

技术领域

本发明属于电机设计技术领域，涉及一种圆筒型永磁同步直线电机的推力优化设计方法，解决推力波动恶化圆筒型永磁同步直线电机伺服运行特性的问题。

背景技术

圆筒型永磁同步直线电机在运转时，由于电机初级铁心结构、固有边端效应、齿槽效应引起了推力波动现象，推力波动是产生电机振动与噪音的主要原因，恶化其伺服运行特性，特别是在低速时甚至产生震荡，因此必须采取措施减小推力波动对电机性能的影响。

当圆筒型永磁同步直线电机运转时，其内部空间，包括铜与铁所占空间区域，都存在着电磁场，这个电磁场是由定子、转子电流所产生的。电机中电磁场在不同媒质中的分布、变化以及电流的交链情况决定了电机的运行状态与性能，因此，电机电磁场对分析和设计电机具有重要的意义。目前，电机的计算分析方法主要有集中参数的磁路分析法和分布参数的电磁理论法，其中，集中参数的磁路理论法是利用等效磁路法进行分析，将分布参数考虑成集中磁路模型，集中参数的磁路理论法简单，理论计算容易，但由于电机磁场的分布非均匀性及漏磁的存在，使得该方法计算误差相对较大，为了弥补误差，电机设计中存在大量的修正参数，则需要在大量工程经验中一次次试验获得，费时费力，同时浪费资源。分布式参数电磁场理论方法主要是利用Maxwell方程，求解整个区域的场分布函数，能够很好处理复杂磁场分布，但该方法理论计算复杂，同时不能解决复杂的边界条件及材料的非线性因素等。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足而提供一种简单易行且计算精度高的圆筒型永磁同步直线电机的推力优化设计方法，减小由边端效应和齿槽效应引起的推力波，使电机推力波动达到最小。

本发明为实现上述目的采用的技术方案是：先使用计算机软件建立圆筒型永磁直线电机的实体模型，确定电机的基本结构参数，设定包括电机初级铁芯定子的初级铁芯长度的运动选项参数；再对运动选项参数用有限元方法进行求解，根据求解后的各个运动选项参数建立有限元几何模型；然后基于有限元几何模型，通过公式计算得到初级铁芯定子两端边端力的优化相位差值，再调整初级铁芯长度得到对应于优化相位差值的最优初级铁芯长度，最后采用最优初级铁芯长度、半开半闭圆底槽型的齿槽结构以及Halbach结构充磁，得到推力波动最小的圆筒型永磁同步直线电机。

本发明的技术效果是：

1、本发明在保持电机其他尺寸不变的前提下，优化了初级铁芯长度，改善了端部效应，改变气隙大小以提高气隙磁场分布正弦性，改善了绕组线圈反电动势波形的正弦性，同时对电机的齿槽尺寸的配合进行优化，削弱齿槽效应，从而削弱了由端部效应、齿槽效应产生的磁阻力对推力波动影响，使推力波动达到最小。使用Halbach结构充磁方式，使得电机力密度增强，达到推力加大的效果。

2、采用计算机有限元分析方法对电机进行精确分析，求的精确解，不仅简单有效，而且计算精度高，能有效克服电机磁路复杂导致集中参数计算不精确、以及参数之间相互耦合导致参数优化困难等问题，提高了驱动器电子器件工作寿命；既可作电动机使用，也可作发电机使用，易于工程化应用，有广阔的应用前景。

附图说明

图1为圆筒型永磁直线电机的轴向剖面图；

图2 为圆筒型永磁直线电机的有限元几何模型；

图3为圆筒型永磁同步直线电机的磁阻力示意图；

图4为圆筒型永磁直线电机的充磁方式示意图。

具体实施方式

本发明首先在满足工程需要的条件下，建立电机的实体模型，根据实际具体工程需要，确定电机的基本结构参数，经有限元法计算分析得到有限元几何模型，然后选择影响电机推力波动的结构参数进行优化，通过有限元方法优化初级铁芯长度，改变气隙大小以及优化齿槽配合尺寸，最终得到较优的结构参数，设计出推力波动最小的圆筒型永磁同步直线电机。具体实施步骤如下：

1、建立圆筒型永磁直线电机的实体模型

参见图1，圆筒型永磁直线电机包括初级铁芯定子1和动子6，初级铁芯定子1固定在支架骨2上，在初级铁芯定子1上绕有初级绕组3，初级绕组3采用的是集中式电枢绕组。动子6上固定永磁体4和胶木5，永磁体4采用高剩磁、高矫顽力、高磁能积的钕铁硼稀土永磁材料，在永磁体4轴向充磁，且各个永磁体4极性相反地依次排列，相邻的永磁体4间以磁导材料的胶木5隔开。

圆筒型永磁直线电机在初级绕组3产生的气隙行波磁场和励磁磁场的共同作用下，气隙行波磁场对动子6产生电磁推力。在这个电磁推力的作用下，动子6就沿着气隙行波磁场的运动方向做直线运动，即永磁体4沿着x轴运动。由于圆筒型永磁直线电机为短初级铁芯定子1、长动子6、轴对称结构，其动子6、初级铁芯定子1表面都是光滑圆柱面，因此可以忽略掉电机的切向电磁分布, 而只考虑沿轴向的电磁分布。对于电机的轴向剖面，由于轴线两侧的对称性, 只取半个轴向剖面即可，为此，只需根据实际电机尺寸，对其半个轴向剖面进行实体建模。在使用计算机软件建立实体模型后，确定电机的基本结构参数，设定各初始值及初级铁芯长度，为模型的各个部件作定义以及分配材料，再设定激励源参数，加载边界条件，设置运动选项参数，该运动选项参数包括了初级铁芯长度变量。

2、建立有限元几何模型

对设置的运动选项参数用有限元方法进行求解。所谓的有限元方法，就是把具有无限点连续介质的结构或场离散为有限节点连接成的有限单元来分析，离散化是通过网格剖分来实现的，把原来只在无限小的微元上成立的物理量之间的关系用有限的单元关系近似。本发明就是将所需求解区域作三角形单元剖分，运用边界原理建立线性代数方程组；求解线性代数方程组，将这些三角形单元的小区域的求解结果总和起来得到整个区域的解。有限元分析的过程是由计算机来完成，由计算机来进行计算，得到求解后的各个运动选项参数，根据求解后的各个运动选项参数建立如图2所示的有限元几何模型，在有限元几何模型中，可通过选项设定查看力的大小以及观察磁路特征，获得磁感应强度分配情况等。

3、优化初级铁芯定子1的初级铁芯长度以及优化齿槽配合尺寸

由于电机的铁芯是两端开断的长直型，引起各相绕组互感不相等，以及电机脉振磁场、反向磁场的存在，引起了静态纵向端部效应。它与齿槽效应合称为磁阻力效应，因此，圆筒型永磁直线电机的水平推力波动主要由端部效应的边端力和齿槽效应的齿槽力造成的。

如附图3所示是建立在有限元几何模型的磁阻力，磁阻力由边端力                                                

和齿槽力

两部分组成。边端力

是初级铁芯定子1的铁芯长度在开路磁场时所受到的推力，边端力

随着边缘和永磁体4的相对位置变化而变化，为两端边端力的总和。初级铁芯定子1的长度决定两力的相位变化，因此调节初级铁芯定子1的铁芯长度，使两边端力相互抵消，就达到减小磁阻力的目的。

初级铁芯定子1在不同位置所受到的推力是不一样的，但在相同位置两端受力的性质、条件和幅值完全一样，仅是方向相反，即右端边端力

为正，而左端边端力

为负，同时存在着相位差

，相位差取决于动子6的长度，边端力

和

可通过产生相位差

来得到：

                         （1）

，

为初级铁芯定子1的铁芯长度，

为极距，

为整数，

为旋转对称有限元几何模型坐标系统的x轴，为初级铁芯定子1一边端所在坐标的x轴坐标。

边端力

和

展开为如下傅里叶级数：

             

                  （2）

其中

、 、都为常数，n=1,2,3,…。

                （3）

对于长度为

的初级铁芯定子1，其端部力为

                    （4）

其中

                           （5）

由（4）式可知合成端部力幅值与初级铁芯定子1初级长度密切相关，因此可选择合适的初级长度来减小端部力幅值，从而达到削弱端部效应的目的。幅值最小值取自为零时，即

，得到优化

值：

                            （6）

得到优化相位差

值后，再调整初级铁芯长度，得到在此长度下的边端力和

的最小值，该最小值对应的初级铁芯的长度就是最优初级铁芯长度。同时，再采用圆滑过渡端部结构的初级铁芯定子1，采用倾斜的端部结构的初级铁芯定子1，采用无铁心式空心绕组等，可进一步改善端部效应，进一步降低端部力的波动。 

圆筒型永磁同步直线电机是一种有槽电枢永磁同步直线电机，由于齿槽的存在，使永磁体4与所对应的气隙磁导不均匀，产生齿槽效应的齿槽力，引起电动机输出推力的波动。本发明在设计了最优初级铁心长度前提下，改变气隙大小，将齿槽设计为半开半闭圆底槽型来减小齿槽力

，削弱推力波动。

4、采用Halbach结构的充磁方式

如图4，永磁体4中的箭头表示为该永磁体块的充磁方向，即其内部的磁路方向。Halbach结构的充磁方式结合了径向充磁方式与轴向充磁方式，磁力线从某一个径向充磁的永磁体出发，穿过气隙，在相邻轴向充磁磁体的引导下，穿过初级铁芯定子1的铁芯，到达另一个径向充磁的永磁体4，再穿过该轴向充磁的磁体，到达出发点形成回路。采用Halbach结构充磁方式的电机的动子6上基本没有磁通，这样，提高了电机气隙中的磁密，从而提高了电机的力能密度。使用这种充磁方式，可设计更小体积的电机来得到较大的推力，而且该种充磁方式大大减小了电机本体的漏磁现象，减少了电机对外部环境的电磁干扰。

Claims (2)

1.一种圆筒型永磁同步直线电机的推力优化设计方法，其特征是采用如下步骤：

1）使用计算机软件建立圆筒型永磁直线电机的实体模型，确定电机的基本结构参数，设定包括电机初级铁芯定子的初级铁芯长度的运动选项参数；

2）对运动选项参数用有限元方法进行求解，根据求解后的各个运动选项参数建立有限元几何模型；

3）基于有限元几何模型，通过公式                                               

计算得到初级铁芯定子两端边端力

和的优化相位差

值，调整初级铁芯长度得到对应于优化相位差

值的最优初级铁芯长度，其中， 

，                

，             

是极距，

是整数，

、

、

为常数，n=1,2,3,…，

为有限元几何模型坐标系统的x轴；

4）采用最优初级铁芯长度、半开半闭圆底槽型的齿槽结构以及Halbach结构充磁，最终得到推力波动最小的圆筒型永磁同步直线电机。

2.根据权利要求1所述的一种圆筒型永磁同步直线电机的推力优化设计方法，其特征是：电机的实体模型是电机半个轴向剖面的实体模型。

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