結構參數對直線電機性能的影響

姜忠臣+趙璽

摘 要：文章主要以扁平型短次級長初級直線感應電機為分析對象。文章采用有限元分析軟件Ansoft對銅鋼復合次級直線電機進行仿真研究，分別分析了氣隙大小、次級鐵軛厚度、銅層厚度對電機性能的影響。對直線電機的設計開發有一定的幫助。

關鍵詞：直線感應電機；銅鋼復合次級；Ansoft

中圖分類號：TM346 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）21-0075-02

直線電機由于可以直接產生直線運動，省去了由旋轉運動轉化為直線運動繁瑣的中間傳動機構，可以替代機械機構用于直線傳動[1]。直線電機結構簡單、速度快、控制精度高，在直線傳動領域的應用越來越廣泛。

1 有限元分析

考慮到直線電機的運動速度比較低，可以使用緩慢直線運動導電媒質中的電磁場方程[2]進行研究：

（1）

式中， 、 、 分別為X、Y、Z軸的單位矢量， 為外加電流密度復振幅矢量， 為矢量磁位復振幅矢量， 、 、 為三個坐標軸的矢量磁位的復振幅的分量，？滋0為空氣磁導率，？酌為次級導電板（銅層）的電導率，？棕為供電電源的角頻率，v為次級運動速度，渦流場分析時速度為0。

以X-Y平面為二維場仿真，Y方向為次級運動方向。電流只在Z軸方向流動，所以， ，（1）式可簡化為：

式中，？琢=，？子為極距。

2 仿真模型建立

本文用渦流場與瞬態場結合的方法對直線電機進行分析，渦流場可以仿真穩態情況，瞬態場可以仿真動態情況并能獲得Fs曲線。對直線電機的模型進行仿真時為了減小縱向端部效應的影響，本文采用了6極電機，當電機極數大于或等于6時靜態縱向端部效應的影響可以忽略不計[2]。初級、次級鐵軛均采用硅鋼片，可以認為電導率為0，不需要考慮渦流與磁場透入深度的影響。圖1為直線電機仿真模型，為了簡化分析，將電機設計為無槽電機。無槽電機相當于將氣隙變大，對于本文的研究不存在影響。

3 仿真結果與分析

3.1 氣隙大小對電機性能的影響

保持其他條件不變，只改變氣隙大小，起動推力仿真結果如表1所示。

（相電流f=50Hz，幅值2500A，轉差率S=1）

改變氣隙大小，在相同的激勵下氣隙磁密平均值如表2所示。

從表2中可以看出在相同的激勵下，氣隙越大，氣隙中的磁密越小，導致電機出力減小。氣隙的增大導致了勵磁電抗的減小，相同的電流激勵產生的磁場更弱，導致氣隙磁密更小。所以在進行直線電機設計時在機械方面允許的情況下應盡量減小氣隙。

3.2 次級鐵軛厚度對電機性能的影響

保持其他條件不變，只改變次級鐵軛厚度，起動推力仿真結果如表3所示。

（相電流f=2Hz，幅值2500A，轉差率S=1）

從表3中可以看出在保持初級電流恒定的情況下，隨著次級鐵軛厚度的增大電機推力逐漸增加，當厚度增加到一定程度時，電機推力變化很小。造成這種現象的原因在于次級鐵軛厚度過小導致導磁面積減小，鐵軛容易達到飽和，導致磁導率下降，氣隙磁密下降從而使推力減小。所以次級鐵軛厚度應保證在額定電流時次級鐵軛磁密不達到飽和。

3.3 次級導電層厚度對直線電機性能的影響

對次級導電層厚度的影響進行研究時，保持了直線電機氣隙大小不變，即次級鐵軛到初級距離不變，因為銅的磁導率跟空氣相同。仿真了次級銅層厚度分別為1、2、3、4mm的情況，電機的Fs特性曲線。

從仿真結果可以看出不同厚度銅層電機的特性曲線中推力最大值相差很小，且變化趨勢非常像旋轉電機的轉子串電阻調速。事實上銅鋼復合次級的銅層就相當于次級的電阻，改變銅層的厚度就相當于改變了導電截面積，改變了次級的電阻大小，使電機的特性曲線發生了變化。但是實際情況是改變次級銅層厚度雖然電磁氣隙沒有發生變化，但導致了機械氣隙發生了變化。所以改變次級銅層厚度需要綜合機械氣隙一起考慮。

4 結束語

針對不同結構參數的銅鋼復合次級進行仿真研究發現，在機械方面允許的情況下氣隙越小電機性能越好。次級鐵軛厚度應該保證額定電流下不使次級鐵軛達到飽和。而次級導電層厚度的選擇，需要綜合考慮特性曲線與機械氣隙的大小進行選擇。

參考文獻：

[1]葉云岳.直線電機原理與應用[M].北京：機械工業出版社，2000.

[2]上海工業大學，上海電機廠.直線異步電動機[M].北京：機械工業出版社，1979.