基于ansys的圓筒型永磁直線電動(dòng)機(jī)氣隙磁場分析

0tpmlm中不同充磁方式電機(jī)的特性通過該結(jié)構(gòu)，環(huán)形永磁直速電機(jī)（tpmlm）不僅簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，還減少了機(jī)械損失，提高了效率。同時(shí)，它具有體積小、結(jié)構(gòu)靈活多變、易于調(diào)整和控制、無橫向邊端效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，在直接驅(qū)動(dòng)圈驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在TPMLM中定子的變化主要集中在槽的個(gè)數(shù)、形狀、大小和齒距,而動(dòng)子的變化主要在極數(shù)、極距、極弧系數(shù)和永磁體的充磁方式。本文主要是從動(dòng)子結(jié)構(gòu)的不同來分析幾類結(jié)構(gòu)的電機(jī)。在TPMLM中比較常見的動(dòng)子結(jié)構(gòu)通常有三種,即軸向充磁結(jié)構(gòu)、徑向充磁結(jié)構(gòu)和Halbach結(jié)構(gòu),如圖1所示。不同充磁方式具有不同的特點(diǎn),應(yīng)用場合也不一樣。徑向充磁動(dòng)子結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用在平板型永磁直線電機(jī),而軸向充磁動(dòng)子結(jié)構(gòu)和Halbach充磁動(dòng)子結(jié)構(gòu)應(yīng)用的場合比較廣泛,在不同類型的永磁直線電機(jī)都有應(yīng)用。JiabinWang等人基于麥克斯韋磁場方程推導(dǎo)出了解析計(jì)算三種不同充磁方式的氣隙磁場解析表達(dá)式;NicolaBianchi等人利用等效磁阻的方法分析了TPMLM的氣隙磁密以及極槽關(guān)系。他們都是得出了氣隙磁密的解析公式?jīng)]有進(jìn)一步去分析結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化會(huì)對氣隙磁場有何影響。本文利用有限元分析軟件Ansys對三種充磁方式動(dòng)子結(jié)構(gòu)的TPMLM進(jìn)行二維有限元仿真分析。首先比較了在所有結(jié)構(gòu)參數(shù)都一樣時(shí)三種充磁方式TPMLM的無槽和開槽的氣隙磁密大小、波形以及正弦度,得出三種電機(jī)的特點(diǎn),為電機(jī)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。在此基礎(chǔ)上再分別討論了三種充磁方式下氣隙磁密大小在改變極弧系數(shù)、永磁體厚度和氣隙大小等結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律,得出了如何能夠獲得較大的氣隙磁密進(jìn)而得出較大的推力以及如何消除推力脈動(dòng)的一些思路。1確定永磁直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)組成,并將其作為專業(yè)的磁場永磁直線電機(jī)其實(shí)是從永磁旋轉(zhuǎn)電機(jī)演變過來的,該類電機(jī)的原理、分析方法和永磁旋轉(zhuǎn)電機(jī)類似。把永磁旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿徑向剖開拉直,就能夠得到平板型永磁直線電機(jī),再將平板型電機(jī)的扁平部分卷繞起來使其與磁場運(yùn)動(dòng)方向平行,就得到了圓筒型永磁直線電機(jī)。圓筒型永磁直線電機(jī)主要由以下五部分結(jié)構(gòu)組成:不銹鋼軸、動(dòng)子鐵心、永磁體、定子鐵心、不銹鋼外殼。TPMLM的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。TPMLM的磁路無論哪種充磁方式都是由永磁體產(chǎn)生,經(jīng)過動(dòng)子鐵心、氣隙到達(dá)定子鐵心,再從定子鐵心出發(fā)經(jīng)過氣隙到達(dá)動(dòng)子鐵心最后進(jìn)入永磁體。當(dāng)動(dòng)子永磁體產(chǎn)生的磁場和定子繞組電流產(chǎn)生的磁場相互作用時(shí),將會(huì)產(chǎn)生軸向推力使動(dòng)子運(yùn)動(dòng)。只要有效地控制繞組中電流大小和方向就可以使得TPMLM按照需要做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。2機(jī)出力和推力TPMLM的定子結(jié)構(gòu)可以分為無槽和有槽兩種。無槽電機(jī)出力較小、推力脈動(dòng)也小。有槽電機(jī)雖然比無槽電機(jī)出力要大,但是推力脈動(dòng)也大。下面通過Ansys仿真分析三種動(dòng)子無槽和有槽電機(jī)的氣隙磁場磁密大小和波形。2.1電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)要對三種充磁方式電機(jī)的氣隙磁密進(jìn)行對比分析,就必須使得三種充磁方式的電機(jī)除了充磁方式不一樣,其他的結(jié)構(gòu)參數(shù)必須保持一致,電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。無槽TPMLM的氣隙磁密波形和FFT結(jié)果如圖3、圖4所示。從圖中可以看出軸向充磁方式的氣隙磁密和基波幅值最大,諧波量少;Halbach充磁方式的氣隙磁密大小和基波與軸向充磁方式很接近,諧波分量最小;而徑向充磁方式的氣隙磁密較小,只是接近于軸向充磁方式的一半,基波也較小,諧波分量最大。2.2極和槽計(jì)算上氣隙磁密nd模型對TPMLM開槽之后的氣隙磁場磁密進(jìn)行對比,在表1的結(jié)構(gòu)參數(shù)基礎(chǔ)上必須加上一些其它參數(shù):極數(shù)p=10、槽數(shù)z=9、槽口寬b=6mm和槽型為半閉口槽等結(jié)構(gòu)參數(shù)。三種充磁方式有槽TPMLM的氣隙磁密波形和FFT分析結(jié)果如圖5、圖6所示。從圖5和圖6中可以看出:由于極和槽的最大公約數(shù)為1,三種充磁方式的氣隙磁密諧波分量為10的整數(shù)倍次,這樣大大降低了諧波量;軸向充磁的永磁體結(jié)構(gòu)氣隙磁密大且波形好;徑向充磁的永磁體結(jié)構(gòu)波形好但和相同情況的軸向充磁結(jié)構(gòu)相比氣隙磁密偏小;Halbach永磁體結(jié)構(gòu)方式的氣隙磁密大小介于軸向充磁和徑向充磁結(jié)構(gòu)之間,但是由于Halbach永磁體結(jié)構(gòu)方式可以看成是軸向充磁和徑向充磁的組合,故由于這兩種充磁方式的調(diào)節(jié)作用使得從圖6中可以看出Halbach永磁體結(jié)構(gòu)方式基波含量高,諧波少。綜合三者的情況可以得出軸向充磁方式的永磁體結(jié)構(gòu)雖然在性能上相比Halbach永磁體結(jié)構(gòu)方式有小小的劣勢,但是從永磁體的使用情況和性價(jià)比等因數(shù)綜合考慮軸向充磁在損失一部分性能的情況下占優(yōu),再把優(yōu)化極距大小和永磁體軸向充磁長度兩者進(jìn)行匹配,可以得到一個(gè)理想的推力輸出能力,而且該種充磁方式結(jié)構(gòu)簡單便于制造。3結(jié)構(gòu)參數(shù)對電機(jī)氣隙磁體的影響在分析有槽圓筒型永磁直線電機(jī)的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步分析電機(jī)的極弧系數(shù)、永磁體厚度和氣隙大小對三種圓筒型永磁直線電機(jī)氣隙磁場的影響。3.1極弧系數(shù)對軸向充磁方式的影響其它參數(shù)不變的情況下改變TPMLM的極弧系數(shù),分析三種圓筒型永磁直線電機(jī)氣隙磁場隨極弧系數(shù)變化的變化規(guī)律。極弧系數(shù)對三種充磁方式的氣隙磁密影響如圖7所示。從圖7中可以看出:(1)極弧系數(shù)的變化對軸向充磁方式影響較大,隨著極弧系數(shù)增大氣隙磁密急劇減小,幾乎成線性變化趨勢;Habalch充磁方式氣隙磁密隨著極弧系數(shù)的增大先緩慢減小再加速減小;徑向充磁方式的氣隙磁密隨著極弧系數(shù)的增大始終只是緩慢減小。(2)Habalch充磁方式氣隙磁密先出現(xiàn)軸向充磁的變化趨勢后出現(xiàn)徑向充磁的變化趨勢的原因在于:在極弧小于0.75時(shí),軸向方向充磁占主導(dǎo)作用;在極弧系數(shù)大于0.75時(shí),徑向方向占主導(dǎo)作用。(3)取不同的極弧系數(shù)時(shí)Habalch充磁方式始終處于較大的氣隙磁密。3.2軸向充磁和halbachi充磁方式的氣隙磁密大小同樣,其他參數(shù)不變,改變TPMLM的永磁體厚度,分析三種圓筒型永磁直線電機(jī)氣隙磁場隨永磁體厚度變化的變化規(guī)律。在不銹鋼軸半徑為0.03m、永磁體厚度與動(dòng)子內(nèi)徑的比值為0.1～0.5時(shí),對三種充磁方式的氣隙磁密大小影響的規(guī)律如圖8所示。從圖8中可以看出:(1)在永磁體厚度較小時(shí),軸向充磁方式的氣隙磁密較小,Halbach充磁方式的氣隙磁密較大;當(dāng)永磁體厚度達(dá)到動(dòng)子半徑的1/3時(shí),軸向充磁的氣隙磁密比Halbach充磁方式大,說明在永磁體厚度增大時(shí)Halbach充磁方式中的類似徑向分量限制了氣隙磁密的增大;而徑向充磁方式的氣隙磁密始終處于一個(gè)很平穩(wěn)的范圍。(2)在永磁體厚度較小時(shí),軸向充磁和Halbach充磁方式的氣隙磁密大小隨著永磁體厚度增加增長較快;在永磁體厚度與動(dòng)子外徑的比值達(dá)到一定且小于0.5時(shí),Halbach充磁方式的氣隙磁密增加變緩慢而軸向充磁增加仍然很快;當(dāng)永磁體厚度與動(dòng)子外徑的比值大于0.5時(shí),軸向充磁和Halbach充磁方式的氣隙磁密增長緩慢;徑向充磁方式氣隙磁密隨著永磁體厚度的變化一直增加緩慢,最后幾乎不增加,永磁利用率不高。綜上可得在TPMLM設(shè)計(jì)中永磁體厚度與動(dòng)子外徑比值最好不要超過0.5。在永磁體厚度較小時(shí),Halbach充磁方式占優(yōu),在永磁體厚度稍大時(shí),軸向充磁方式占優(yōu),而徑向充磁方式不太適合TPMLM。3.3tpmlm結(jié)構(gòu)參數(shù)對充磁方式的影響其它參數(shù)不變,改變TPMLM的氣隙大小,分析三種充磁方式圓筒型永磁直線電機(jī)氣隙磁場隨氣隙大小變化的變化規(guī)律如圖9所示。從9圖中可以得出:(1)無論氣隙多大,軸向充磁方式的氣隙磁密最大,徑向充磁方式氣隙磁密最小。(2)隨著氣隙的變小,三種充磁方式的氣隙磁密都變大。(3)軸向和Hablach充磁方式變化趨勢由慢到快,徑向充磁幾乎是一個(gè)線性均勻變化。從三條變化曲線可以得出氣隙大小對氣隙磁密的影響很大,所以必須根據(jù)實(shí)際需要合理準(zhǔn)確的選擇氣隙大小。由以上三種結(jié)構(gòu)參數(shù)對TPMLM在不同充磁方式下的氣隙磁密大小的變化規(guī)律的分析可知:極弧系數(shù)對三種電機(jī)的氣隙磁場強(qiáng)度影響都很明顯,且軸向充磁方式接近線性變化,Halbcah充磁方式的變化規(guī)律接近于其他兩種充磁方式的綜合情況;永磁體厚度對徑向磁化動(dòng)子電機(jī)的氣隙磁場強(qiáng)度影響不大,但是軸向磁化動(dòng)子電機(jī)和Halbcah動(dòng)子電機(jī)的氣隙磁場強(qiáng)度會(huì)隨著永磁體厚度的增大而明顯增大,但是當(dāng)永磁體厚度與動(dòng)子外徑的比值大于0.5時(shí),三種充磁方式變化都不明顯,不利于永磁體的利用;氣隙大小對三種電機(jī)氣隙磁場強(qiáng)度的影響是一致的,都隨著氣隙大小的減小而增大,大部分情況下,Halbach動(dòng)子電機(jī)的氣隙磁場強(qiáng)度要大于其他兩種電機(jī)的氣隙磁場強(qiáng)度。4電機(jī)的特點(diǎn)方面的應(yīng)用通過對三種不同充磁方式的無槽和有槽氣隙磁密大小、波形對比,分析了在其它參數(shù)不變的情況下改變TPMLM的動(dòng)子極弧系數(shù)、永磁體厚度和氣隙大小對三種不同充磁方式氣隙磁密的影響,可以得出這三種充磁方式電機(jī)的特點(diǎn)。(1)軸向充磁方式的TPMLM不僅氣隙磁密大,且在開槽后的基波磁密也大,諧波含量適中。從結(jié)構(gòu)參數(shù)對該種充磁方式的影響來看,受結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響較大,在設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)實(shí)際情況準(zhǔn)確合理的