三種不同形狀永磁體圓筒型永磁直線電機氣隙磁場研究

王秀靜，相志輝

(江蘇金陵機械制造總廠，江蘇南京210007)

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三種不同形狀永磁體圓筒型永磁直線電機氣隙磁場研究

王秀靜，相志輝

(江蘇金陵機械制造總廠，江蘇南京210007)

影響圓筒型永磁直線電機性能的關鍵因素是氣隙磁場的性能。利用有限元軟件ANSYS分析了三種不同形狀永磁體結構圓筒型永磁直線電動機在無槽和開槽時的氣隙磁場磁密大小和波形。得出了在相同條件下，矩形和梯形永磁體結構氣隙磁密大、變化范圍廣、受開槽影響小而菱形結構氣隙磁密小，變化范圍窄，波形畸變率高。得到的規律為動子選擇和電機設計提供了依據。

圓筒型永磁直線電機；ANSYS；氣隙磁場

0　引言

軸向充磁圓筒型永磁直線電機(TPMLM)在結構上取消了傳動機構既簡化了系統結構又減少了機械損耗。它不但提高了效率，同時具有體積小、結構靈活多變、易于調節和控制、以及無橫向邊端效應等優點，在直驅式驅動領域得到了越來越廣泛的應用[1]。

1　TPMLM的結構和原理

在TPMLM中定子的變化主要集中在槽的個數、形狀、大小和齒距，而動子的變化主要在極數、極距、極弧系數和永磁體的形狀。本文主要是從動子永磁體結構的不同來對比分析幾類電機的性能。在TPMLM中比較常見的動子永磁體形狀通常有三種：即永磁體為矩形、梯形和菱形，如圖1所示。不同形狀永磁體對于TPMLM性能有著不同的影響，因此非常有必要研究TPMLM在不同永磁體形狀下的性能，這樣非常有利于在進行電機設計時對永磁體的選擇起到指導作用。

Jiabin Wang等人基于麥克斯韋磁場方程推導出了解析計算三種不同充磁方式的氣隙磁場解析表達式[2]～[7]；Nicola Bianchi等人利用等效磁阻的方法分析了TPMLM的氣隙磁密和極槽關系[8]，[9]。他們都只是得出了氣隙磁密的解析公式沒有進一步去研究不同的永磁體形狀對于TPMLM的性能有什么影響。本文利用有限元分析軟件ANSYS對三種動子采用不同永磁體形狀的TPMLM進行二維有限元仿真分析。比較了在所有結構參數都一樣時，三種永磁體形狀TPMLM的無槽和開槽的氣隙磁密大小、波形以及正弦度，得出三種電機的特點，為電機設計提供理論依據。

(a)永磁體為矩形

(b)永磁體為梯形

永磁直線電機其實是從永磁旋轉電機演變過來的，該類電機的原理、分析方法和永磁旋轉電機類似。把永磁旋動電機沿徑向剖開拉直，就能夠得到平板型永磁直線電機，再將平板型電機的扁平部分卷繞起來使其與磁場運動方向，就得到了圓筒型永磁直線電機。圓筒型永磁直線電機主要由以下幾部分結構組成：不銹鋼軸、動子鐵心、永磁體、氣隙、定子鐵心、不銹鋼外殼。TPMLM的結構示意圖如圖2所示。

TPMLM的磁路無論哪種充磁方式都是由永磁體產生經過動子鐵心再經過氣隙到達定子鐵心，再從定子鐵心出發經過氣隙到達動子鐵心最后進入永磁體。當動子永磁體產生的磁場和定子繞組電流產生的磁場相互作用時，將會產生軸向推力使動子運動，只要有效的控制繞組中電流大小和方向就可使TPMLM按照需要做往復運動。

2　三種不同形狀永磁體TPMLM氣隙磁場對比

TPMLM的定子結構可以分為無槽和有槽種。無槽電機出力較小、推力脈動也小。有槽電機雖然比無槽電機出力要大，但是推力脈動也大[10]～[12]。通過ANSYS仿真分析三種動子無槽和有槽電機的氣隙磁場磁密大小和波形。

2.1無槽TPMLM氣隙磁場分析要對三種形狀永磁體電機的氣隙磁密進行對比分析，就必須使得三種形狀永磁體電機除了永磁體形狀不同，其他的結構參數必須保持一致，電機的結構參數如表1所示。

在永磁體的磁能積一樣的情況下，比較三種形狀永磁體氣隙磁密云圖、氣隙磁場強度如圖3和圖4所示，平均氣隙磁場強度如表2所示。

從圖4中可以梯形永磁體的氣隙磁場強度最大，菱形最小；同時矩形和梯形永磁體氣隙磁場強度波形更接近正弦波；在梯形和菱形結構中磁力線的走向上磁阻不一樣，導致在一些磁阻比較大的地方漏磁加大，這樣就導致這兩者之間的輸出磁能偏小，反而諧波增大。從表2中可以看出矩形永磁體平均氣隙磁場強度最大即輸出磁能最大，THD最小；菱形永磁體平均氣隙磁場強度最小即輸出磁能最小；梯形永磁體THD最大。從圖5中可以看出矩形永磁體的基波含量最大，諧波含量最小；而梯形永磁體的基波含量低反而諧波含量很高不利于氣隙磁場強度波形的改善。綜合分析可得矩形永磁體能夠得到波形較好，磁能最大的輸出。

2.2有槽TPMLM氣隙磁場分析

對TPMLM開槽之后的氣隙磁場強度進行對比，在表1的結構參數基礎上必須加上一些其它參數：極數p=10、槽數z=9、槽口寬b=6mm和槽型結構為半閉口槽等結構參數。三種形狀永磁體有槽TPMLM的氣隙強度波形和FFT分析結果如圖6、圖7所示。

從圖6和圖7中可以看出：由于極和槽的最大公約數為1，三種形狀永磁體的氣隙磁密諧波分量為10的整數倍次，這樣大大降低了諧波量；矩形永磁體結構氣隙磁密大且波形好；菱形永磁體結構波形好但與相同情況的矩形永磁體結構相比氣隙磁密偏小；梯形永磁體結構方式的氣隙磁密大小介于矩形和菱形永磁體結構之間。綜合三者的情況可以得出矩形永磁體結構在性能各方面都有優勢，再對電機進行一定的優化，可以得到一個理想的推力輸出能力，因此，該種充磁方式結構簡單更便于制造。

3　結語

通過對三種不同永磁體形狀的無槽和有槽氣隙磁密大小、波形對比，可以得出這三種永磁體形狀電機的特點。

(1)矩形永磁體結構的TPMLM不僅氣隙磁密大，且在開槽后的基波磁密也大，諧波含量適中，使用范圍廣。

(2)菱形永磁體結構的TPMLM氣隙磁密偏小，且開槽后對該種充磁方式影響較大，諧波含量高，在一些特殊場合能夠得到很好的應用。

(3) 梯形永磁體結構可以獲得相對較大的氣隙磁場還可以獲得比較接近正弦形或矩形的氣隙磁場波形，且在這種充磁方式下開槽影響不大，諧波含量最小。故梯形結構動子在TPMLM的應用比較靈活，也是在設計時對參數的選取要合理準確。

[1]張鋒．潛油圓筒形直線永磁電機工程樣機及其控制系統研究[D]．濟南：山東大學，2010：37-51．

[2]Jiabin Wang，David Howe，Jewell Geraint W．Analysis and design optimization of an improved axially magnetized tubular permanent magnet machine[J]．IEEE Transactions Energy Conversion，2004，19(2)：289-295．

[3]Jiabin Wang，David Howe．Tubular modular permanent magnet machines equipped with quasi halbach magnetized magnets part I：magnetic field distribution, EMF, and thrust force[J]．IEEE Transactions on Magnetics，2005，41(9)：2470-2478．

[4]Jiabin Wang，Weiya Wang，Kais Atallah．A linear permanent magnet motor for active vehicle suspension[J]．IEEE Transactions on Vehicular Technology，2011，60(1)：55-63．

[5]Jiabin Wang，David Howe．Tubular modular permanent magnet machines equipped with quasi halbach magnetized magnets part II：magnetic field distribution, EMF, and thrust force[J]．IEEE Transactions on Magnetics，2005，41(9)：2479-2489．

[6]Jiabin Wang，David Howe，Zhengyu Lin．Design optimization of short stroke single phase tubular permanent magnet motor for refrigeration applications[J]．IEEE Transactions on Industry Electronic，2010，57(1)：327-334．

[7]Jiabin Wang，David Howe，Jewell Geraint W．Analysis and design optimization of an improved axially magnetized tubular permanent magnet machine[J]，IEEE Transactions Energy Conversion，2004，19(2)：289-295．

[8]Nicola Bianchi，Silverio Bolognani，Dario Dalla Corte．Tubular linear permanent magnet motors：an overall comparison[J]．IEEE Transactions on Industry Applications，2003，39(2)：466-475．

[9]Nicola Bianchi．Analytical field computation of a tubular permanent magnet linear motor[J]．IEEE Transactions on Magnetics，2000，36(5)：3798-3801．

[10]陸國良，夏永明，劉曉．基于有限元分析的3種圓筒型永磁同步直線電機的運行仿真[J]．輕工機械，2006，24(4)：56-59．

[11]李慶雷，王先逵．永磁同步直線電機推力波動分析及改善措施[J]．清華大學學報(自然科學版)，2000，40(5)：33-36．

[12]趙鏡紅，張曉鋒，張俊洪，等．圓筒永磁直線同步電機磁場和推力分析[J]．電機與控制學報，2010，14(1)：12-17．

Research on Air-Gap Magnetic Field of Tubular Permanent Magnet Linear Motor with Three Shapes Permanent Magnets

Wang Xiujing and Xiang Zhihui

(JiangsuJinlingMachineryManufacturingPlant,Nanjing210007,China)

The key factor of impacting performances of tubular permanent magnet linear motor(TPMLM) is performance of air-gap magnetic field. In this paper, the magnitudes and waveforms of air-gap magnetic fields of unslotted and slotted motors with three shapes permanent magnets are analyzed by ANSYS finite-element software. Under the same condition, the motors with rectangular and trapezoidal permanent magnets have large magnitude and wide variation range air-gap flux density and have small influence by slotting, but the motor with rhombic permanent magnets has small magnitude and narrow variation range air-gap flux density and has high waveform distortion rate. The obtained results can provide the basis to choose and design mover of TPMLM.

TPMLM；ANSYS；air-gap magnetic field

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.04.02

TM359.4

A

1008-7281(2016)04-0005-004

王秀靜女1986年生；畢業于武漢材料保護研究所，現從事技術管理工作.

2016-05-06