永磁式開關磁阻直線電機結構設計及其電磁特性分析.pdf

1、開關磁阻電機由于其簡單的結構和良好的運行特性受到了廣泛關注，根據(jù)其基本結構沿徑向展開，可以得到開關磁阻直線電機，這是一種結合了直線電機原理與開關磁阻電機特性的新型特種電機，它既能高速度、高精度實現(xiàn)直線運動，又具有結構簡單便于維護的特點。但是，由于開關磁阻直線電機在具備了開關磁阻電機的優(yōu)點的同時，也繼承了其相應的不足：開關磁阻直線電機的能量轉換密度普遍低于電磁式直線電機或磁軌式直線電機，運行時推力脈動較大，從而導致噪聲問題突出，同時在特定

2、頻率下電機本體會產生諧振問題。在電磁場中，電機磁阻力往往大于所產生的安培力，因此，以磁阻力為主要動力的開關磁阻直線電機可獲得更大的電磁推力，由于安培力與線圈電流成線性關系，而磁阻力的產生條件導致其相對于安培力來說難以控制，從而產生了上述缺點。本文在開關磁阻直線電機的基礎上，通過在電機結構中引入高性能永久磁鋼，使電機的比功率密度增加，同時減小磁阻推力脈動，減小噪聲問題對電機運行的影響。改進后，由于樣機模型結構變化，克服了原設計的直線電機所

3、存在的缺點。
　　本文的主要研究內容及取得的成果如下：
　　1.根據(jù)旋轉開關磁阻電機結構，將其沿徑向剖開，得到開關磁阻直線電機。根據(jù)設計要求，確定了開關磁阻直線電機的定子和動子結構、尺寸參數(shù)以及繞組布置和氣隙尺寸；在ANSYS/Maxwell軟件中建立了3D模型，對其磁場分布和電磁特性進行了分析計算，確定了電機主要結構尺寸。分析結果表明，該結構仍然存在轉矩脈動較大、電磁推力較低的缺點。進而對電機結構進行了進一步優(yōu)化：分別在動

4、子齒槽、動子軛部，以及同時在動子齒槽及軛部嵌入高性能永久磁鋼材料，并對每種結構分別進行了分析和計算，所得結果表明，同時在動子齒槽及軛部嵌入高性能永久磁鋼材料的結構得到了良好的電磁推力特性：脈動小，數(shù)值大，最接近于矩形波。
　　2.在開關磁阻直線電機動子齒槽及動子軛部嵌入永磁體的電機稱為永磁式開關磁阻直線電機。使用 ANSYS/Maxwell軟件，對其電磁特性進行進一步分析和研究。利用有限元分析軟件的靜態(tài)磁場模塊分析不同位置動子和定

5、子內部磁場分布情況，以及氣隙磁場分布情況；通過運用瞬態(tài)磁場分析模塊，得到周期范圍內無電激勵以及通電情況下線圈磁鏈以及電感的變化波形，觀察得到永磁體勵磁與電勵磁方式對于電機運行性能的影響，分析推導電磁推力波形發(fā)生變化的原因。
　　3.對改進后電機模型的氣隙主磁場進行許-克變換分析計算，將電機氣隙磁場與簡單場對應起來，同時兼顧邊端效應和齒槽效應的影響，推導出直線電機磁場分布解析表達式，在其基礎上進一步通過麥克斯韋應力張量法計算出電磁推

6、力，解析計算結果證明：許-克變換法得到的運算結果與有限元法得到的結果一致，采用許-克變換法進行磁場分析運算是可行的、準確的。
　　4.針對永磁式開關磁阻電機啟動推力大，運動速度快的特點，總結電機控制策略，采用一種固定關斷時間的峰值電流控制 PWM方法對所設計的電機進行驅動控制。分別對固定關斷時間模塊以及峰值電流控制模塊進行仿真，得到每種模塊產生的電流波形并進行分析，分析表明，該種電機控制方法可以保證恒定的功率開關頻率，同時兼顧電流