新型鋼次級弧形直線感應電動機法向力研究

汪旭東，張志華，許孝卓

(河南理工大學，河南焦作454000O)

摘要：提出一種新型鋼次級弧形直線感應電動機，采用多層行波電磁場理論建立該電機的區(qū)域模型，推導出法向力計算公式，建立該鋼次級弧形直線感應電動機三維瞬態(tài)有限元仿真模型，仿真結(jié)果與解析計算結(jié)果相吻合。并與同參數(shù)的扁平形鋼次繳直線感應電動機作比較，結(jié)果表明這種鋼次級弧形直線感應電動機在不改變推力的前提下能夠減少法向吸力，提高推力與吸力比值，為該類電機的性能計算、優(yōu)化設計奠定理論基礎。

    關(guān)鍵詞：弧形直線感應電動機；區(qū)域模型；法向力；三維瞬態(tài)有限元模型

    中圖分類號：TM359．4；TM346  文獻標識碼：A    文章編號：1004—7018(2010）05—0001—03

O引  言

直線電機在運行時都會產(chǎn)生與推力相垂直的力，稱之為法向力。法向力可以是浮力也可以是吸力，工程人員使用不同的方法，使法向力發(fā)揮不同的用途。非磁性次級的直線感應電動機法向力為斥力，斥浮型磁懸浮列車正是受益于此^[1-2]；鋼次級的直線感應電動機和永磁直線同步電動機(PMLsM)會產(chǎn)生很大的法向吸力，一般情況下是無益的，它會增加電機對滑軌的正壓力(增加摩擦力)、彎曲導軌，降低電機的精度和工作效率，在結(jié)構(gòu)沒計和實際應用中需要考慮它的影響^[3]。在如何減少PMLsM法向吸力的研究中，文獻[4]采用了永磁體H albach排列結(jié)構(gòu)，并用遺傳算法對法向吸力進行了優(yōu)化，取得了較好的結(jié)果；也有采用動子永磁體無鐵軛0j使PMLsM獲得高的推力與吸力比值，但電機的結(jié)構(gòu)不牢固，使用受到限制。文獻[6]提出一種減少扁平形鋼次級直線感應電動機法向吸力的方法，即控制電機磁通，減小車輪滾動阻力和電機銅耗，在給定推力目標的前提下對電機進行約束優(yōu)化，以減少法向吸力帶來的不利影響。

    大部分文獻中減少直線電機法向吸力的方法大都通過控制方式、優(yōu)化電機參數(shù)來實現(xiàn)的，沒有改變扁平形直線電機的基本結(jié)構(gòu)。本文提出一種新型弧形結(jié)構(gòu)的鋼次級直線感應電動機，該弧形鋼次級直線感應電動機與原有的扁平形鋼次級直線感應電動機相比，在電機相同參數(shù)和供電條件下產(chǎn)生的水平推力基本不變，而法向吸力有一定的減小，論證了該類電機的實際應用價值。

1弧形直線感應電動機的拓撲結(jié)構(gòu)

    該鋼次級弧形直線感應電動機是扁平形直線電機的一種變形，即將扁平形直線感應電動機沿電機的橫向方向彎曲，使該電機的初級和次級都從扁平形轉(zhuǎn)變?yōu)榛⌒谓Y(jié)構(gòu)，相應的電磁氣隙也是一段圓弧。整體拓撲結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。

扁平形鋼次級直線感應電動機由于其結(jié)構(gòu)特點無法克服自身的法向吸力，本文提出的弧形直線感應電動機在運行過程中產(chǎn)生的法向力由垂直吸力變成了向心吸力，避免了電機在工作巾左右晃動，使其穩(wěn)定運行，例如用該電機驅(qū)動電動伸縮門，不僅能夠發(fā)揮直線電動機原有的優(yōu)點，其法向向心力使電動門具有自動導向作用，利用該電機次級的弧形結(jié)構(gòu)，在其表面上涂上防滑漆，還可充當一條車輛減速帶^[7]。

2弧形直線感應電動機的法向力

    為求解該鋼次級弧形直線感應電動機的法向力，本文建立了該電機立體區(qū)域分析模型，如圖3所示。為分析方便，對模型作如下假設：

    (1)外施電壓對稱，初級繞組電流以無限薄電流層(曲面a)代替；

    (2)不考慮初級端部效應影響，電機延x軸正負方向無限延伸；

    (3)初級鐵心磁導率無限大，電導率為零。

在立體區(qū)域分析模型中，本文規(guī)定坐標系x軸代表該弧形直線感應電動機的運動方向，y軸代表垂直與電流層a的法線方向，z軸代表電流層彎曲的延伸方向，x軸和y軸形成一個垂直與電流層a的切面β，在切面β上的各種場量均與z軸方向無關(guān)，電流層密度j1確只有z軸分量，這樣在β面上得到該弧形直線感應電動機二維場理想模型。

    在二維場模型中本文采用多層行波電磁場理論方法[8-10]，將弧形直線感應電動機分為四個區(qū)域。區(qū)域1是電機初級，沿著y軸負方向無限延伸，電流層緊貼在區(qū)域l上；區(qū)域2是氣隙，沿y軸的長度為L₂,μ₂=μ₀,σ₂=0,區(qū)域3是鋼次級，沿y軸的長度為。均為常數(shù)；