專利名稱：一種圓筒型永磁同步直線電機(jī)的推力優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種圓筒型永磁同步直線電機(jī)的推力優(yōu)化 設(shè)計(jì)方法，解決推力波動惡化圓筒型永磁同步直線電機(jī)伺服運(yùn)行特性的問題。
背景技術(shù)：
圓筒型永磁同步直線電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時， 由于電機(jī)初級鐵心結(jié)構(gòu)、固有邊端效應(yīng)、 齒槽效應(yīng)引起了推力波動現(xiàn)象，推力波動是產(chǎn)生電機(jī)振動與噪音的主要原因，惡化其伺 服運(yùn)行特性，特別是在低速時甚至產(chǎn)生震蕩，因此必須采取措施減小推力波動對電機(jī)性 能的影響。當(dāng)圓筒型永磁同步直線電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時，其內(nèi)部空間，包括銅與鐵所占空間區(qū)域， 都存在著電磁場，這個電磁場是由定子、轉(zhuǎn)子電流所產(chǎn)生的。電機(jī)中電磁場在不同媒質(zhì) 中的分布、變化以及電流的交鏈情況決定了電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)與性能，因此，電機(jī)電磁場 對分析和設(shè)計(jì)電機(jī)具有重要的意義。目前，電機(jī)的計(jì)算分析方法主要有集中參數(shù)的磁路 分析法和分布參數(shù)的電磁理論法，其中，集中參數(shù)的磁路理論法是利用等效磁路法進(jìn)行 分析，將分布參數(shù)考慮成集中磁路模型，集中參數(shù)的磁路理論法簡單，理論計(jì)算容易， 但由于電機(jī)磁場的分布非均勻性及漏磁的存在，使得該方法計(jì)算誤差相對較大，為了彌 補(bǔ)誤差，電機(jī)設(shè)計(jì)中存在大量的修正參數(shù)，則需要在大量工程經(jīng)驗(yàn)中一次次試驗(yàn)獲得， 費(fèi)時費(fèi)力，同時浪費(fèi)資源。分布式參數(shù)電磁場理論方法主要是利用Maxwell方程，求解 整個區(qū)域的場分布函數(shù)，能夠很好處理復(fù)雜磁場分布，但該方法理論計(jì)算復(fù)雜，同時不 能解決復(fù)雜的邊界條件及材料的非線性因素等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種簡單易行且計(jì)算精度高 的圓筒型永磁同步直線電機(jī)的推力優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，減小由邊端效應(yīng)和齒槽效應(yīng)引起的推 力波，使電機(jī)推力波動達(dá)到最小。本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的采用的技術(shù)方案是先使用計(jì)算機(jī)軟件建立圓筒型永磁 直線電機(jī)的實(shí)體模型，確定電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)定包括電機(jī)初級鐵芯定子的初級鐵 芯長度的運(yùn)動選項(xiàng)參數(shù)；再對運(yùn)動選項(xiàng)參數(shù)用有限元方法進(jìn)行求解，根據(jù)求解后的各個 運(yùn)動選項(xiàng)參數(shù)建立有限元幾何模型；然后基于有限元幾何模型，通過公式計(jì)算得到初 級鐵芯定子兩端邊端力的優(yōu)化相位差值，再調(diào)整初級鐵芯長度得到對應(yīng)于優(yōu)化相位差值 的最優(yōu)初級鐵芯長度，最后采用最優(yōu)初級鐵芯長度、半開半閉圓底槽型的齒槽結(jié)構(gòu)以及 Halbach結(jié)構(gòu)充磁，得到推力波動最小的圓筒型永磁同步直線電機(jī)。本發(fā)明的技術(shù)效果是
1、本發(fā)明在保持電機(jī)其他尺寸不變的前提下，優(yōu)化了初級鐵芯長度，改善了端部 效應(yīng)，改變氣隙大小以提高氣隙磁場分布正弦性，改善了繞組線圈反電動勢波形的正弦 性，同時對電機(jī)的齒槽尺寸的配合進(jìn)行優(yōu)化，削弱齒槽效應(yīng)，從而削弱了由端部效應(yīng)、齒槽效應(yīng)產(chǎn)生的磁阻力對推 力波動影響，使推力波動達(dá)到最小。使用Halbach結(jié)構(gòu)充磁 方式，使得電機(jī)力密度增強(qiáng)，達(dá)到推力加大的效果。2、采用計(jì)算機(jī)有限元分析方法對電機(jī)進(jìn)行精確分析，求的精確解，不僅簡單有 效，而且計(jì)算精度高，能有效克服電機(jī)磁路復(fù)雜導(dǎo)致集中參數(shù)計(jì)算不精確、以及參數(shù)之 間相互耦合導(dǎo)致參數(shù)優(yōu)化困難等問題，提高了驅(qū)動器電子器件工作壽命；既可作電動機(jī) 使用，也可作發(fā)電機(jī)使用，易于工程化應(yīng)用，有廣闊的應(yīng)用前景。


圖1為圓筒型永磁直線電機(jī)的軸向剖面圖； 圖2為圓筒型永磁直線電機(jī)的有限元幾何模型； 圖3為圓筒型永磁同步直線電機(jī)的磁阻力示意圖； 圖4為圓筒型永磁直線電機(jī)的充磁方式示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明首先在滿足工程需要的條件下，建立電機(jī)的實(shí)體模型，根據(jù)實(shí)際具體工 程需要，確定電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，經(jīng)有限元法計(jì)算分析得到有限元幾何模型，然后選 擇影響電機(jī)推力波動的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，通過有限元方法優(yōu)化初級鐵芯長度，改變氣 隙大小以及優(yōu)化齒槽配合尺寸，最終得到較優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)計(jì)出推力波動最小的圓筒 型永磁同步直線電機(jī)。具體實(shí)施步驟如下
1、建立圓筒型永磁直線電機(jī)的實(shí)體模型
參見圖1，圓筒型永磁直線電機(jī)包括初級鐵芯定子1和動子6，初級鐵芯定子1固定 在支架骨2上，在初級鐵芯定子1上繞有初級繞組3，初級繞組3采用的是集中式電樞繞 組。動子6上固定永磁體4和膠木5，永磁體4采用高剩磁、高矯頑力、高磁能積的釹鐵 硼稀土永磁材料，在永磁體4軸向充磁，且各個永磁體4極性相反地依次排列，相鄰的永 磁體4間以磁導(dǎo)材料的膠木5隔開。圓筒型永磁直線電機(jī)在初級繞組3產(chǎn)生的氣隙行波磁場和勵磁磁場的共同作用 下，氣隙行波磁場對動子6產(chǎn)生電磁推力。在這個電磁推力的作用下，動子6就沿著氣 隙行波磁場的運(yùn)動方向做直線運(yùn)動，即永磁體4沿著χ軸運(yùn)動。由于圓筒型永磁直線電 機(jī)為短初級鐵芯定子1、長動子6、軸對稱結(jié)構(gòu)，其動子6、初級鐵芯定子1表面都是光滑 圓柱面，因此可以忽略掉電機(jī)的切向電磁分布，而只考慮沿軸向的電磁分布。對于電機(jī) 的軸向剖面，由于軸線兩側(cè)的對稱性，只取半個軸向剖面即可，為此，只需根據(jù)實(shí)際電機(jī) 尺寸，對其半個軸向剖面進(jìn)行實(shí)體建模。在使用計(jì)算機(jī)軟件建立實(shí)體模型后，確定電機(jī) 的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)定各初始值及初級鐵芯長度，為模型的各個部件作定義以及分配材 料，再設(shè)定激勵源參數(shù)，加載邊界條件，設(shè)置運(yùn)動選項(xiàng)參數(shù)，該運(yùn)動選項(xiàng)參數(shù)包括了初 級鐵芯長度變量。2、建立有限元幾何模型
對設(shè)置的運(yùn)動選項(xiàng)參數(shù)用有限元方法進(jìn)行求解。所謂的有限元方法，就是把具有無 限點(diǎn)連續(xù)介質(zhì)的結(jié)構(gòu)或場離散為有限節(jié)點(diǎn)連接成的有限單元來分析，離散化是通過網(wǎng)格 剖分來實(shí)現(xiàn)的，把原來只在無限小的微元上成立的物理量之間的關(guān)系用有限的單元關(guān)系近似。本發(fā)明就是將所需求解區(qū)域作三角形單元剖分，運(yùn)用邊界原理建立線性代數(shù)方程 組；求解線性代數(shù)方程組，將這些三角形單元的小區(qū)域的求解結(jié)果總和起來得到整個區(qū) 域的解。有限元分析的過程是由計(jì)算機(jī)來完成，由計(jì)算機(jī)來進(jìn)行計(jì)算，得到求解后的各 個運(yùn)動選項(xiàng)參數(shù)，根據(jù)求解后的各個運(yùn)動選項(xiàng)參數(shù)建立如圖2所示的有限元幾何模型， 在有限元幾何模型中，可通過選項(xiàng)設(shè)定查看力的大小以及觀察磁路特征，獲得磁感應(yīng)強(qiáng) 度分配情況等。3、優(yōu)化初級鐵芯定子1的初級鐵芯長度以及優(yōu)化齒槽配合尺寸
由于電機(jī)的鐵芯是兩端開斷的長直型，引起各相繞組互感不相等，以及電機(jī)脈振磁 場、反向磁場的存在，引起了靜態(tài)縱向端部效應(yīng)。它與齒槽效應(yīng)合稱為磁阻力效應(yīng)，因 此，圓筒型永磁直線電機(jī)的水平推力波動主要由端部效應(yīng)的邊端力和齒槽效應(yīng)的齒槽力 造成的。如附圖3所示是建立在有限元幾何模型的磁阻力，磁阻力由邊端力 F-和齒槽力P5to兩部分組成。邊端力P-是初級鐵芯定子1的鐵芯長度在開路磁場時所
受到的推力，邊端力巧·^隨著邊緣和永磁體4的相對位置變化而變化，為兩端邊端力的總
和。初級鐵芯定子1的長度決定兩力的相位變化，因此調(diào)節(jié)初級鐵芯定子1的鐵芯長度， 使兩邊端力相互抵消，就達(dá)到減小磁阻力的目的。初級鐵芯定子1在不同位置所受到的推力是不一樣的，但在相同位置兩端受 力的性質(zhì)、條件和幅值完全一樣，僅是方向相反，即右端邊端力&』+為正，而左端邊
端力為負(fù)，同時存在著相位差 ,相位差取決于動子6的長度，邊端力#_，+和
可通過產(chǎn)生相位差5來得到
權(quán)利要求
1.一種圓筒型永磁同步直線電機(jī)的推力優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征是采用如下步驟1)使用計(jì)算機(jī)軟件建立圓筒型永磁直線電機(jī)的實(shí)體模型，確定電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)參 數(shù)，設(shè)定包括電機(jī)初級鐵芯定子的初級鐵芯長度的運(yùn)動選項(xiàng)參數(shù)；2)對運(yùn)動選項(xiàng)參數(shù)用有限元方法進(jìn)行求解，根據(jù)求解后的各個運(yùn)動選項(xiàng)參數(shù)建立有 限元幾何模型；(ρ \
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種圓筒型永磁同步直線電機(jī)的推力優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征 是電機(jī)的實(shí)體模型是電機(jī)半個軸向剖面的實(shí)體模型。
全文摘要
本發(fā)明公開一種圓筒型永磁同步直線電機(jī)的推力優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，先建立電機(jī)的實(shí)體模型，設(shè)定包括電機(jī)初級鐵芯定子的初級鐵芯長度的運(yùn)動選項(xiàng)參數(shù)；再對運(yùn)動選項(xiàng)參數(shù)用有限元方法進(jìn)行求解建立有限元幾何模型；通過公式計(jì)算得到初級鐵芯定子兩端邊端力的優(yōu)化相位差值，調(diào)整初級鐵芯長度得到對應(yīng)于優(yōu)化相位差值的最優(yōu)初級鐵芯長度，最后采用最優(yōu)初級鐵芯長度、半開半閉圓底槽型的齒槽結(jié)構(gòu)以及Halbach結(jié)構(gòu)充磁得到推力波動最小的圓筒型永磁同步直線電機(jī)。本發(fā)明通過削弱由端部效應(yīng)、齒槽效應(yīng)產(chǎn)生的磁阻力對推力波動影響，使推力波動達(dá)到最??；方法簡單有效，計(jì)算精度高，既可作電動機(jī)使用，也可作發(fā)電機(jī)使用。
文檔編號H02K41/03GK102013785SQ20101055512
公開日2011年4月13日 申請日期2010年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月23日
發(fā)明者劉星橋, 朱麗婷, 鮑豐亮 申請人:江蘇大學(xué)