永磁式开关磁阻直线电机结构设计及其电磁特性分析

发布时间：2018-01-28 09:44

  本文关键词： 永磁式开关磁阻直线电机 有限元分析 许-克变换法 应力张量法 齿槽效应 固定关断时间峰值电流控制　出处：《太原理工大学》2016年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：开关磁阻电机由于其简单的结构和良好的运行特性受到了广泛关注,根据其基本结构沿径向展开,可以得到开关磁阻直线电机,这是一种结合了直线电机原理与开关磁阻电机特性的新型特种电机,它既能高速度、高精度实现直线运动,又具有结构简单便于维护的特点。但是,由于开关磁阻直线电机在具备了开关磁阻电机的优点的同时,也继承了其相应的不足:开关磁阻直线电机的能量转换密度普遍低于电磁式直线电机或磁轨式直线电机,运行时推力脉动较大,从而导致噪声问题突出,同时在特定频率下电机本体会产生谐振问题。在电磁场中,电机磁阻力往往大于所产生的安培力,因此,以磁阻力为主要动力的开关磁阻直线电机可获得更大的电磁推力,由于安培力与线圈电流成线性关系,而磁阻力的产生条件导致其相对于安培力来说难以控制,从而产生了上述缺点。本文在开关磁阻直线电机的基础上,通过在电机结构中引入高性能永久磁钢,使电机的比功率密度增加,同时减小磁阻推力脉动,减小噪声问题对电机运行的影响。改进后,由于样机模型结构变化,克服了原设计的直线电机所存在的缺点。本文的主要研究内容及取得的成果如下:1.根据旋转开关磁阻电机结构,将其沿径向剖开,得到开关磁阻直线电机。根据设计要求,确定了开关磁阻直线电机的定子和动子结构、尺寸参数以及绕组布置和气隙尺寸;在ANSYS/Maxwell软件中建立了3D模型,对其磁场分布和电磁特性进行了分析计算,确定了电机主要结构尺寸。分析结果表明,该结构仍然存在转矩脉动较大、电磁推力较低的缺点。进而对电机结构进行了进一步优化:分别在动子齿槽、动子轭部,以及同时在动子齿槽及轭部嵌入高性能永久磁钢材料,并对每种结构分别进行了分析和计算,所得结果表明,同时在动子齿槽及轭部嵌入高性能永久磁钢材料的结构得到了良好的电磁推力特性:脉动小,数值大,最接近于矩形波。2.在开关磁阻直线电机动子齿槽及动子轭部嵌入永磁体的电机称为永磁式开关磁阻直线电机。使用ansys/maxwell软件,对其电磁特性进行进一步分析和研究。利用有限元分析软件的静态磁场模块分析不同位置动子和定子内部磁场分布情况,以及气隙磁场分布情况;通过运用瞬态磁场分析模块,得到周期范围内无电激励以及通电情况下线圈磁链以及电感的变化波形,观察得到永磁体励磁与电励磁方式对于电机运行性能的影响,分析推导电磁推力波形发生变化的原因。3.对改进后电机模型的气隙主磁场进行许-克变换分析计算,将电机气隙磁场与简单场对应起来,同时兼顾边端效应和齿槽效应的影响,推导出直线电机磁场分布解析表达式,在其基础上进一步通过麦克斯韦应力张量法计算出电磁推力,解析计算结果证明:许-克变换法得到的运算结果与有限元法得到的结果一致,采用许-克变换法进行磁场分析运算是可行的、准确的。4.针对永磁式开关磁阻电机启动推力大,运动速度快的特点,总结电机控制策略,采用一种固定关断时间的峰值电流控制pwm方法对所设计的电机进行驱动控制。分别对固定关断时间模块以及峰值电流控制模块进行仿真,得到每种模块产生的电流波形并进行分析,分析表明,该种电机控制方法可以保证恒定的功率开关频率,同时兼顾电流控制的快速性与稳定性,验证了该种控制策略在永磁式开关磁阻直线电机的驱动控制系统中的可行性与优越性。
[Abstract]:This paper presents a new type of reluctance linear motor with high speed and high precision . It has the advantages of high speed , high precision and low electromagnetic thrust . The results show that the structure of switched reluctance linear motor has the advantages of large torque ripple and low electromagnetic thrust . This paper analyzes and studies the electromagnetic characteristics of the motor . By using the static magnetic field module of the finite element analysis software , the distribution of the magnetic field and the distribution of the magnetic field in the stator are analyzed . By using the transient magnetic field analysis module , the magnetic field distribution of the motor is analyzed . The results show that the motor control strategy can ensure the constant power switching frequency , and the speed and stability of the current control are considered . The feasibility and superiority of the control strategy in the drive control system of the permanent magnet switched reluctance linear motor are verified .

【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM359.4

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本文编号：1470419