次級(jí)材料對直線電動(dòng)機(jī)性能影響的Maxwell 2D仿真分析
襄昌利1.2，劉少克2，宋敏2
（1空軍航空大學(xué)，吉林長春130022；2國防科技大學(xué)，湖南長沙410073）
摘要：使用Maxwell 2D軟件對直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行仿真，介紹了仿真方法和邊端效應(yīng)的調(diào)整方法，主要分析了氣隙大小和次級(jí)材料的厚度對直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行性能的影響，對直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)、科研應(yīng)用有一定的參考價(jià)值。
關(guān)鍵詞：直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)；仿真；Maxwell 2D
中圖分類號(hào)：TM359.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004 -7018 (2008) 09 -0022 -03
0引言
直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)制造和科研開發(fā)中，常常需要做大量的實(shí)驗(yàn)來考察電機(jī)性能，這無論在人力、物力、財(cái)力和時(shí)間上都有較大的消耗。而采用仿真分析的方法，則具有方便迅速、節(jié)省成本的優(yōu)點(diǎn)。用有限元軟件Maxwell 2D進(jìn)行仿真可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，從而加速其設(shè)計(jì)制造和科研開發(fā)。
1模型樣機(jī)
本文樣機(jī)為國防科大CM S03和CMS03A磁浮列車用直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，其幾何模型的基本樣式如圖l所示。隨著仿真目的不同，具體的幾何參數(shù)也將發(fā)生相應(yīng)的變化。
建模中假設(shè)初級(jí)鐵心的電導(dǎo)率為0，不會(huì)產(chǎn)生渦流，即忽略渦流損耗。
電機(jī)運(yùn)行中其電磁場隨時(shí)間和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而發(fā)生變化，故選用Transient（瞬態(tài)）模塊進(jìn)行建模。Transient模塊適用于模型中具有平動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)物體(Object)的情況，能夠計(jì)算出運(yùn)動(dòng)過程中任意時(shí)刻的磁通密度、磁場強(qiáng)度、感應(yīng)電流等電磁場量。次級(jí)材料及其高度則按照不同的仿真目的進(jìn)行繪圖和設(shè)置。
2邊端效應(yīng)的調(diào)整
直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)特有的邊端效應(yīng)必須在建模中得以體現(xiàn)才能保證仿真結(jié)果的正確。直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的極數(shù)大于或等于6時(shí)可以認(rèn)為負(fù)序和零序電流與正序電流相比已足夠小而忽略；由于鐵心開斷造成的脈振磁勢也可以忽略不計(jì)[2]。對于動(dòng)態(tài)縱向邊端效應(yīng)，由于幾何建模的方向是沿著其運(yùn)動(dòng)方向，因此可以反映出動(dòng)態(tài)縱向邊端效應(yīng)產(chǎn)生的影響。但是，2D模型并不能反映出橫向邊端效應(yīng)的影響。橫向邊端效應(yīng)的影響可以近似認(rèn)為僅使次級(jí)電阻率有所增加，即可以通過調(diào)整次級(jí)電阻率的大小來加以改善[2]。在定量計(jì)算時(shí)需要把次級(jí)電阻率乘以一個(gè)修正系數(shù)Kt，其表達(dá)式為：
式中：c ——次級(jí)導(dǎo)體板單邊伸出初級(jí)鐵心的寬度(cm)；lδ——初級(jí)鐵心疊厚( cm)；τ——直線電機(jī)極距( cm)。可以看出，kr值僅與電機(jī)尺寸有關(guān)，在本文中其值為1.92。因此，建模時(shí)需要將次級(jí)材料的電導(dǎo)率一電阻率的倒數(shù)除以kr。
3添加鐵磁材料
Maxwell 2D軟件允許用戶自定義材料屬性（如磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率等），本文電機(jī)次級(jí)所用到的鐵板材料是某型鋼材，其B-H曲線由手工輸入，其曲線如圖2所示。
仿真過程中鋁板和鐵板材料的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率設(shè)置如表l所示。
4仿真結(jié)果分析
當(dāng)直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)作為磁浮列車的動(dòng)力源時(shí)，除了推力作為重點(diǎn)的研究對象外，法向力對列車懸浮性能的影響也是巨大的，因而推力和法向力往往需要同時(shí)研究。
(1)氣隙大小對推力和法向力的影響
改變氣隙的長度，研究電機(jī)的氣隙大小對推力和法向力的影響，仿真結(jié)果如表2所示。
表2中數(shù)據(jù)表明，當(dāng)氣隙逐漸變大時(shí)，推力隨著減小；但法向力則有變化。在氣隙從1 mm變至3mm時(shí)法向吸引力由小變大，其余情況為隨氣隙增大而減小。通過觀察仿真結(jié)果中的電磁力矢量圖，發(fā)現(xiàn)當(dāng)氣隙很小時(shí)，初級(jí)對次級(jí)感應(yīng)電流層（鋁板）之間的排斥力效果顯著，所以法向力會(huì)有這樣的變化。在氣隙較大時(shí)，初次級(jí)間的水平推力和法向力同為隨氣隙增大而減小的 |
