徑向和橫向磁場(chǎng)直線開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的比較分析

張?jiān)时耄乃齑海駩?ài)兵，姜亞海

(南通大學(xué)，南通 226019)

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徑向和橫向磁場(chǎng)直線開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的比較分析

張?jiān)时耄乃齑海駩?ài)兵，姜亞海

(南通大學(xué)，南通 226019)

結(jié)合兩種不同結(jié)構(gòu)型式的直線開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)，分析了它們的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理。利用ANSYS有限元軟件對(duì)兩種不同結(jié)構(gòu)的電機(jī)進(jìn)行了瞬態(tài)和靜態(tài)電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算和仿真，得到了它們的性能曲線，在此基礎(chǔ)上對(duì)其性能進(jìn)行了分析比較，得出了相關(guān)結(jié)論，為兩種結(jié)構(gòu)型式的直線開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的工程應(yīng)用提供了理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

徑向磁場(chǎng)直線開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)；橫向磁場(chǎng)直線開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)；ANSYS；牽引力；法向力

0 引 言

開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單堅(jiān)固，容錯(cuò)能力強(qiáng)，調(diào)速性能好，可靠性高，現(xiàn)已越來(lái)越廣泛的應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。直線開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱 LSRM)與旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱 SRM)是相對(duì)應(yīng)的，LSRM相當(dāng)于沿旋轉(zhuǎn)式SRM的圓周方向，將定子、轉(zhuǎn)子依次展開(kāi)，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子部分為 LSRM 的次級(jí)，定子部分為 LSRM的初級(jí)，如圖1所示。隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展, LSRM以其簡(jiǎn)單牢固的機(jī)械結(jié)構(gòu)、優(yōu)越的直線驅(qū)動(dòng)性能愈來(lái)愈受到人們的重視。

圖1 SRM展開(kāi)成LSRM的截面圖

本文以徑向磁場(chǎng)LSRM(以下簡(jiǎn)稱 RFLSRM)和橫向磁場(chǎng)LSRM(以下簡(jiǎn)稱 TFLSRM)為研究對(duì)象，針對(duì)該兩種電機(jī)對(duì)其性能特性進(jìn)行比較分析，為其工程應(yīng)用提供了理論支撐。

1 電機(jī)結(jié)構(gòu)

LSRM從磁通與電機(jī)運(yùn)動(dòng)方向的關(guān)系上可以分為RFLSRM和TFLSRM兩種結(jié)構(gòu)形式。

1.1 RFLSRM結(jié)構(gòu)

RFLSRM的結(jié)構(gòu)如圖2所示，電機(jī)的初級(jí)上繞有線圈，次級(jí)上無(wú)繞組。圖2的主次級(jí)位置，B相通電，根據(jù)磁通沿磁導(dǎo)最大路徑閉合的原理，電機(jī)的次級(jí)將在牽引力作用下將沿水平方向運(yùn)向右動(dòng)，且電機(jī)的磁通與運(yùn)動(dòng)方向在一個(gè)平面上。

圖2 RFLSRM的結(jié)構(gòu)圖

1.2 TFLSRM結(jié)構(gòu)

TFLSRM的結(jié)構(gòu)如圖3所示，它的磁通方向和電機(jī)運(yùn)行方向相互垂直，從而實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的電路和磁路在幾何結(jié)構(gòu)上的解耦，電機(jī)設(shè)計(jì)更加靈活，可以提高電機(jī)的功率密度。圖3的主次級(jí)位置A相通電，電機(jī)的次級(jí)將在牽引力作用下將沿水平方向運(yùn)向右動(dòng)。

(a) TFLSRM二維橫截面圖

(b) TFLSRM二維側(cè)面圖

2 性能對(duì)比分析

為了便于對(duì)比分析，設(shè)兩種結(jié)構(gòu)電機(jī)的初級(jí)極數(shù)，次級(jí)極數(shù)，初級(jí)極距，次級(jí)極距，初級(jí)極寬，次級(jí)極寬，初級(jí)極高，次級(jí)極高，每相繞組，氣隙以及速度均相同，其主要參數(shù)如表1所示。

表1 兩種直線開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

根據(jù)電機(jī)學(xué)知識(shí)，可得電機(jī)產(chǎn)生的平均電磁力：

(1)

單個(gè)極下電機(jī)的氣隙力密度FA：

(2)

式中：Bδ為電機(jī)的氣隙磁密；A為電機(jī)的電負(fù)荷。由式(2)看出，有兩條途徑可以增加力密度：一是增加電負(fù)荷 A 值，二是增加氣隙磁密Bδ。但是，由圖2可以看出，RFLSRM的初級(jí)齒部和線槽處于同一平面內(nèi)，因此它們之間不是獨(dú)立的，它們的相互關(guān)系如下：

(3)

(4)

式中：bt為初級(jí)齒寬；τ為一個(gè)齒節(jié)距；Bt為齒部磁密；JS為電流密度；AS為槽面積。電流密度JS取決于電機(jī)的冷卻方式，齒部磁密Bt取決于鐵磁材料的飽和程度，所以只能通過(guò)增加槽面積AS和初級(jí)齒寬bt來(lái)提高轉(zhuǎn)矩密度。對(duì)于RFLSRM，由于線槽和初級(jí)齒部處于同一個(gè)平面內(nèi)，在電流密度JS保持不變和電機(jī)齒部磁密Bt不會(huì)過(guò)飽和的情況下，若要增加氣隙磁密Bδ，增加初級(jí)齒寬就必須減小線槽面積，反之，增加線槽面積就必須減小初級(jí)齒寬。因此RFLSRM由于磁負(fù)荷和電負(fù)荷存在同一平面內(nèi)，使得在增加氣隙磁密Bδ時(shí)受到限制。在RFLSRM的初級(jí)和次級(jí)極寬以及線圈匝數(shù)一定的情況下，很難增加RFLSRM的氣隙磁密。

由圖3可知，TFLSRM的磁通方向和電機(jī)運(yùn)行方向相互垂直，從而實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的電路和磁路在幾何結(jié)構(gòu)上的解耦，即它的電負(fù)荷和磁負(fù)荷在相互垂直的兩個(gè)平面內(nèi)，因此它們之間不會(huì)相互制約，可以分別增加它們，從而獲得較高的力密度。在TFLSRM的初級(jí)和次級(jí)極寬以及線圈匝數(shù)一定的情況下，可以選擇合適的鐵心寬度(圖3(a)中E形齒的中間齒寬度)，來(lái)增加TFLSRM的氣隙磁密，從而提高TFLSRM的出力。

2.1 有限元分析

通過(guò)ANSYS有限元軟件對(duì)兩種結(jié)構(gòu)電機(jī)建模計(jì)算，計(jì)算分析電機(jī)三維磁場(chǎng)的計(jì)算流程圖如圖4所示，通過(guò)后處理(畫出場(chǎng)圖、分析結(jié)果、計(jì)算參數(shù))可得到了其靜態(tài)磁化曲線、瞬態(tài)電感曲線、牽引力曲線和法向力曲線等。

圖4 ANSYS計(jì)算三維電磁場(chǎng)流程圖

2.1.1 電感曲線

理論上TFLSRM通過(guò)改變磁路結(jié)構(gòu)，使得電負(fù)荷和磁負(fù)荷相互解耦，從而在一定范圍內(nèi)通過(guò)提高磁能變化率來(lái)提高牽引力。圖5為電感曲線，當(dāng)初級(jí)的齒與次級(jí)的槽對(duì)齊時(shí)(即x=0 mm)為最小電感。TFLSRM電感的最小值為6.312 5 mH，RFLSRM電感的最小值為6.598 7 mH。當(dāng)初級(jí)的齒與次級(jí)的齒對(duì)齊時(shí)(即x=37.5 mm)為最大電感。TFLSRM電感的最大值是26.936 3 mH，RFLSRM電感的最大值是24.878 mH。圖6是磁化曲線，當(dāng)初級(jí)的齒與次級(jí)的槽對(duì)齊時(shí)(即x=0 mm)為最小磁化

圖5 電機(jī)電感曲線

曲線，當(dāng)初級(jí)的齒與次級(jí)的齒對(duì)齊時(shí)(即x=37.5 mm)為最大磁化曲線。由圖5和圖6可知，TFLSRM的電感和磁共能的變化率更大，有更大的出力。

圖6 磁化曲線

2.1.2 牽引力曲線

(a)TFLSRM牽引力曲線(b)RFLSRM牽引力曲線

(c) 20 A時(shí)TFLSRM和RFLSRM的牽引力曲線

2.1.3 法向力曲線

由圖7可知，TFLSRM的牽引力波動(dòng)比較大，法向力是影響牽引力波動(dòng)的原因之一。由前文TFLSRM的結(jié)構(gòu)可知，其法向力方向和電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向相互垂直。法向力會(huì)引起LSRM初級(jí)的變形，使得電機(jī)氣隙長(zhǎng)度變得不均勻，氣隙磁場(chǎng)發(fā)生畸變。畸變的磁場(chǎng)與電流的相互作用使得LSRM電機(jī)的牽引力隨著初、次級(jí)齒極的相對(duì)位置的變化而波動(dòng)。圖8是TFLSRM的法向力曲線圖。可知電流為20 A時(shí)其最大法向力為228 N，是其最大牽引力的10倍左右。TFLSRM的法向力比RFLSRM法向力更大。

(a)TFLSRM的法向力(b)RFLSRM的法向力

圖8 電機(jī)的法向力曲線

2.2 功率變換器分析

圖9 功率變換電路

3 結(jié) 語(yǔ)

本文分析了兩種不同結(jié)構(gòu)的LSRM，在尺寸相同的情況下，基于有限元軟件ANSYS，對(duì)所設(shè)計(jì)的兩臺(tái)樣機(jī)磁場(chǎng)和功率電路進(jìn)行了分析比較。通過(guò)計(jì)算和仿真結(jié)果可知：(1)TFLSRM的最大牽引力和平均牽引力比RFLSRM更大，輸出功率更高，功率密度更大；(2)TFLSRM和RFLSRM的牽引力波動(dòng)都比較大；(3)TFLSRM的法向力更大，導(dǎo)致其牽引力波動(dòng)更大；(4)兩者的功率變換器相同，控制方法相似。

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Comparative Analysis of Radial Magnetic Field and Transverse Magnetic Field Linear Switched Reluctance Motors

ZHANGYun-biao，QUSui-chun，QIUAi-bing，JIANGYa-hai

(Nantong University，Nantong 226019，China)

Two different structure types of the linear switched reluctance motor (LSRM) were compared, and their structural characteristics and working principle were analyzed. The numerical calculation and simulation of transient and static electromagnetic field about these two different structures motors were made using the finite element software ANSYS, and the performance curves map was obtained. On the basis of this, their performance was compared and analyzed, providing a theoretical basis and technical support for engineering application of the two different structure types of linear switched reluctance motor (LSRM).

radial magnetic field linear switched reluctance motor (RFLSRM); transverse magnetic field linear switched reluctance motor (TFLSRM); ANSYS; thrust force; normal force

2015-10-13

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61473159)；江蘇省南通市科技局應(yīng)用研究計(jì)劃(BK2014076)

TM352

A

1004-7018(2016)04-0026-03

張?jiān)时?1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樾滦碗姍C(jī)及其控制。