動磁式永磁直線同步電動機電磁力分析
郝雙暉，劉吉柱，龍瑞政，鄭偉峰，郝明暉
(哈爾濱工業大學，黑龍江哈爾濱150001)
摘要：結合永磁直線同步電動機的特點，介紹了在超大功率場合的動磁式永磁直線同步電動機的應用結構形式。利用有限元分析方法分析了電動機相關結構參數對電動機推力和齒擼力的影啊，得到了齒槽力波動周期的計算方法，以及相關結構參數對電動機推力、推力波動的影啊曲線和不同結構參數時的齒槽力波形，實驗論證了分析結果的正確性。
關鍵詞：動磁式；永磁直線同步電動機；齒槽力；有限元分析
中圖分類號：TM34l；TM359．4 文獻標識碼：A 文章編號：l004—71118(2010)01—0001—03
0 引 言
永磁直線同步電動機(以下簡稱PMLsM)具有推力大、功率密度高、損耗低、時間響應快等優點，在民用和軍用領域都得到了越來越廣泛的應用。與動圈式直線電動機相比，短次級、長初級結構的動磁式永磁直線同步電動機在大功率、長行程、高速往復運動的應用場合，具有更大的優勢。動磁式直線電動機配合合適的機械結構，電機推力可以通過增減永磁體的極對數來達到增減推力的目的，因此其模塊性更強。本文介紹了用于超大功率場合的直線電動機的總體結構，并利用有限元分析方法，綜合分析了動磁式永磁直線同步電動機的結構參數對電機電磁力特性的影響。
1超大功率直線電動機的應用結構
為提供足夠的推力以及克服電機單邊磁拉力的影響，在超大功率的場合一般采用雙邊直線電動機的結構。但是超大功率的雙邊直線電動機結構尺寸大、工藝難度高，同時也對電源系統提出了很大的挑戰.因此可將超大功率的直線電動機拆分成多個雙邊直線電動機在空間上的組合，這些直線電動機功率相對更小，但通過組合不但能夠滿足超大推力的要求，而且降低了工藝難度和單個電機對電源系統的要求。這種多層多列的空間陣列組合如圖l所示，定子的中問是裝有永磁體的動子，整個系統的推力可以通過增減系統的電機數量和動子的長度來實現增減。
在驅動繞組結構上，定子采用集中繞組的形式，電機加工和裝配更簡單，也有利于將定子結構進行模塊化設計。永磁直線同步電動機無論功率多大，它都具有一般刀(磁直線電動機的特性，所以磁極寬度、磁極高度、槽距、槽寬、槽深、氣隙對電機的推力及其波動以及齒槽力都有很大的影響。
2有限元分析模型
利用二維有限元方法對永磁直線同步電動機的電磁場進行分析，二維穩態電磁場的Maxwell基本方程用矢量磁位A表示，則其滿足準泊松方程：
式中：Az為A的z方向分量；μ為材料磁導率；J0為初級電樞電流密度;Jm為永磁體等效磁化電流密度。
在二維磁場分析中，采用MaxwelJ張量法計算電磁力，推力Fx和法向力Fy分別為：
式中：s為氣隙中圍繞電機運動部分的積分路徑；nx和ny為單位切向矢量和單位法向矢量；BX和By為磁通密度矢量B的切向和法向矢量；μ0為磁導率。
分析過程中加載電流總的安匝數750安匝不變，通過調整直線電動機的相關參數來分析各個參數對電磁力的影響，初級繞組采用每對極對應3槽的集中繞組結構。圖2是有限元分析的基本模型，模型的極距為45 mm，槽距為30 mm，設定定子寬度為50 mm，額定推力為273. 57 N·m，法向力為1 888 .78 N·m。
3結構參數對PMLSM電磁推力的影響分析
3 1結構參數對電磁推力的影響分析
推力是直線電動機設計重要的性能指標，經過有限元分析得到圖3和圖4的曲線簇。圖3是推力在不同結構參數下隨著氣隙變化曲線圖。
從圖3可以看出，在電機其它參數不變的情況下，推力隨著氣隙的增大而減小， |
