基于maxwell 2d的長定子直線同步電動(dòng)機(jī)仿真
閆文龍，潘孟春，翁飛兵，田武剛
(國防科技大學(xué)．湖南長沙4l0073)
摘要：采用maxwell 2d軟件對(duì)長定子直線同步電動(dòng)機(jī)的高速運(yùn)行過程進(jìn)行了建模與仿真，詳細(xì)分析了直線電動(dòng)機(jī)氣隙電磁場的分布情況，綜合比較了不同定子極距下的推力波動(dòng)和懸浮力波動(dòng)情況，得到了較理想模型，對(duì)此類問題的解決提供了一種陜捷有效的療法．
0引 言
常導(dǎo)吸浮型高速磁浮列車(采用常規(guī)導(dǎo)體線圈，運(yùn)用異性磁極相吸原理)，以長定子直線同步電動(dòng)機(jī)作為主要驅(qū)動(dòng)部件，設(shè)計(jì)時(shí)速可達(dá)500km．在如此高速的環(huán)境中，研究列車上直線電機(jī)中電磁場變化及懸浮力波動(dòng)和推力波動(dòng)情況等現(xiàn)象，對(duì)于控制列車的高速穩(wěn)態(tài)運(yùn)行有重要意義。
一般仿真軟件比如ansys建立高速運(yùn)行中的磁浮列車直線電機(jī)模型較為復(fù)雜，計(jì)算時(shí)問很長。而maxwell 2d軟件采用自上而下的用戶界面、****的自適應(yīng)剖分技術(shù)、用戶定義材料庫等特點(diǎn)，易于使用，功能強(qiáng)大，極大地降低了建模的難度，縮短j，計(jì)算時(shí)間，我們可以直觀準(zhǔn)確地觀察到任意時(shí)刻電磁場分布情況與不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和激勵(lì)對(duì)電機(jī)的影響情況等工作性能指標(biāo)。
1磁場分析理論
磁浮列車i二長定子同步直線電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)時(shí)變電磁場分布滿足一般的麥克斯韋方程組。另外，為更方便計(jì)算與顯示各電磁場矢量之間關(guān)系，maxwell2d引入輔助變量矢量磁位a，滿足如下關(guān)系：
式中：μ為媒質(zhì)磁導(dǎo)率。若為直角坐標(biāo)系，可推導(dǎo)出：
按照麥克斯韋應(yīng)力張量法，電機(jī)的推力和懸浮力計(jì)算公式如下：
式中：p為電機(jī)極對(duì)數(shù)；τ為定子極距；be為定子鐵心寬度;μ0為空氣磁導(dǎo)率；bx和by分別為磁感應(yīng)強(qiáng)度b的水平方向和垂直方向分量。
2模型的建立及參數(shù)設(shè)置
采用maxweu 2d軟件的磁瞬態(tài)場分析模塊建立磁浮列車上的長定子直線同步電動(dòng)機(jī)二維模型。
高速磁浮列車的軌道即為同步直線電機(jī)的長定子，而車體上動(dòng)子的一個(gè)電磁鐵組合由lo個(gè)中間模塊(整極或主磁極)和2個(gè)端部模塊(半極)組成，定子和動(dòng)子極距相等都為266.6 mm，模型默認(rèn)厚度為
1 m，如圖1所示。
定子繞組加載50 hz的三相對(duì)稱正弦電流，幅值為，im=l00o a。發(fā)電繞組槽里安裝繞組利用動(dòng)子運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的
感應(yīng)電勢(shì)發(fā)電(為簡化分析，模型中省去發(fā)電繞組)。
動(dòng)子勵(lì)磁直流電流設(shè)為55／3 a，一個(gè)矩形繞組線圈(共270匝)上安匝數(shù)為55×270／3=4 950(安匝數(shù))。
動(dòng)子同步運(yùn)行速度v=2fτ=2×50×o.266 6=26 66 m／s。f為三相正弦交流電頻率；τ為定子極距。
3仿真結(jié)果及其分析
3．1網(wǎng)格剖分
maxwell 2d采用****的自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù)，可以使用戶方便快捷地對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分，并可以根據(jù)剖分結(jié)果來重新設(shè)定網(wǎng)格剖分?jǐn)?shù)據(jù)，網(wǎng)格剖分的三角形越小，計(jì)算結(jié)果越精確，如圖2所示。
3 2電磁場分析
通過軟件的后處理模塊可以得到需要的電磁場磁力線a、電磁場感應(yīng)強(qiáng)度b等矢量和標(biāo)量分布，如圖3所示。
從仿真結(jié)果可以看出，整個(gè)模型共有11個(gè)完整的磁力線回路，其它地方磁力線回路幾乎沒有．并且通過與其它觀測(cè)點(diǎn)時(shí)刻比較可看出，隨著動(dòng)子的高速運(yùn)行，磁力線回路基本保持不變地一起移動(dòng)。
圖1模型的氣隙中央畫條直線l，其長度與長定子軌道相等，運(yùn)用field功能模塊可以獲得氣隙中央磁場分析結(jié)果。圖4和圖5為氣隙磁場在零和0.ol s時(shí)刻(其他觀察點(diǎn)時(shí)刻也可以)沿氣隙中央直線l的磁感應(yīng)強(qiáng)度b的分布，考慮到整個(gè)模型較大，選擇field模塊自帶的normalized distance把橫坐標(biāo)即直線l的長度做歸一化處理，當(dāng)然其原點(diǎn)都在圖1中長定子軌道的起始位置。
從圖4和圖5可以看出，在0．0l s時(shí)刻動(dòng)子發(fā)生了移動(dòng)，沿氣隙中央直線l磁感應(yīng)強(qiáng)度b的x、y方向幅值主 |
