永磁直線同步電機設計研究

1、上海交通大學碩士學位論文永磁直線同步電機設計研究姓名：聶永峰申請學位級別：碩士專業(yè)：電機與電器指導教師：王建輝20090101上海交通大學碩士學位論文 II供了廣泛空間。 作為一種較為新穎的電機，目前國內仍缺乏系統(tǒng)化的永磁直線同步電機設計方案，尤其是電樞繞組部分。常用的方法仍是基于傳統(tǒng)的旋轉電機，例如使用雙層疊繞組方案。通過對實際電機的軟件模擬，我們發(fā)現(xiàn)這樣的設計思路的表現(xiàn)并不能令人滿意，比如造成了動子線圈槽滿率過大，電機設計難以形成系列化等缺點，而電機本身輸出推力的波動也較大。 針對傳統(tǒng)方案的一系列缺點，本文提出了一種新的永磁直線同步電機設計方案。該方案基于“單元電機”的概念，使用單層同心式

2、線圈。當目標推力要求變化時，只需改變“單元電機”的數(shù)目和排列組合的方式，就可以達到改變的目的。而每個單元中的繞組連接方式則不需要改變，由此避免了繁瑣而復雜的繞組設計，這就給電機的系列化設計帶來了便捷。同時，單層繞組的使用也更方便嵌線，也更有利于降低銅耗，提高效率。 在完成單元電機設計任務的基礎上，本文利用加拿大Infolytica公司出品的電磁場有限元分析軟件MagNet對電機的運行進行了模擬，并得到了電機的額定輸出推力曲線和反電動勢曲線，輸出推力曲線較之傳統(tǒng)方案也更平穩(wěn)。體現(xiàn)了該設計方案的優(yōu)越性。 關鍵詞 永磁直線同步電機，單元電機，有限元，MagNet 上海交通大學碩士學位論文 III A

3、bstract In conventional linear driving applications, original force is generated from rotary motor, so transmission devices is need, which causes large sum of energy loss, friction noise and brings out complicated maintenances. The introduction of linear motor targets at these problems, being able t

4、o directly convert electrical energy to linear moving, linear motor has gradually replaced rotary motor in linear driving applications such as lathe driving and integrated circuit assembly. Since the introduction of concept in mid 19th century, undergone four periods of breed, experiment, developmen

5、t and application, with virtue of power electronics and maturing controlling techniques, linear motor has been widely used in various fields such as production, transportation, etc. Similar to rotary motor, linear motor can be divided into various types according to working principles. Among these d

6、ifferent types, linear stepping motor, linear synchronous motor and linear induction motor receive most focus, usually linear stepping motor is utilized in applications demand high precision, such as semi-conductor industry, while the later two often go with large and continuous thrust applications,

7、 such as lathe. Linear synchronous motor, especially permanent magnet ones, receive more favor for larger thrust 上海交通大學碩士學位論文 IVper area unit and higher efficiency, and the construction of motor can be simplified due to the absence of exciting armature. On the other hand, abundant lanthanon in our c

8、ountry provides vast space for this kind of motor. To be a new type of motor, there is no enough systematic designing method for permanent magnet linear synchronous motor in our country, especially for the armature, the conventional way bases on rotary motor, using lapped dual-layer coil for example

9、, which will bring about unsatisfactory results, such as too many lead in slot, hard to serialize, etc, and it gives fluctuate thrust when performing. For eliminating problems mentioned above, this paper proposes a new kind of design method for permanent magnet synchronous motor. Basing on idea of U

10、nit motor, we use single layer concentric coil in mover armature, and alter the amount and way of arrangement of the unit according to the change of target output thrust, no need to re-arrange the coil in the armature, so, complicated task of coil design can be avoided, which simplified the work of

11、motor design. At the same time, single layer construction offers more convenience for production and heat dispersion. Finishing design work of the motor, we use finite element method software for electromagnetic analysis MagNet manufactured by a Canadian corporation Infolytica to simulate the perfor

12、mance, obtaining thrust-time 上海交通大學碩士學位論文 Vcurve and back-EMF curve, as the results show, new motor gives more smooth thrust, which proves superiority of the new method. Keywords: Permanent Magnet Linear Synchronous Motor, Unit Motor, Finite Element Method, MagNet 上海交通大學碩士學位論文 上海交通大學 學位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲

13、明：所呈交的學位論文，是本人在導師的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。 學位論文作者簽名：聶永峰 日期：2009 年1 月 15日上海交通大學碩士學位論文 上海交通大學 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權上海交通大學可以將本學位論文的全部或部分內容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢

14、索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。 保密，在 年解密后適用本授權書。 本學位論文屬于 不保密。 （請在以上方框內打“”） 學位論文作者簽名：聶永峰 指導教師簽名：王建輝 日期：2009 年1 月 15日 日期：2009 年1 月 15日 上海交通大學碩士學位論文 1第一章 緒論 1.1 課題的目的和意義 在傳統(tǒng)的直線驅動場合，都是由旋轉電機提供原動力，再由絲杠、齒條等中間機構轉換為直線運動。這樣的設置，不僅在中間傳動過程中消耗了大量的能量，而且摩擦產(chǎn)生的噪聲也非常明顯，同時也給系統(tǒng)的維護工作帶來了麻煩。 針對這樣的問題，越來越多的生產(chǎn)廠商在機床、數(shù)控車床或加工中心等產(chǎn)

15、品中采用直線電機。這也在一定程度上促使了直線電機本體設計和其控制驅動系統(tǒng)技術的發(fā)展。與旋轉電機類似，直線電機也有很多類型，對機床這樣的場合，一般選擇直線感應電機或直線同步電機，而后者又以更高的控制精度、更大的單位面積推力在競爭中處于優(yōu)勢。尤其是由永磁體提供勵磁的直線同步電機，借助材料技術的高速發(fā)展，逐漸在直線電機的各種類型中脫穎而出，成為機床動力提供的主力軍。 與電勵磁直線電機相比，永磁直線電機，特別是稀土永磁電機，具有如下優(yōu)點： （1） 明顯的節(jié)能效果。效率表示電動機運行時有功功率的利用率，而功率因數(shù)則表示電動機運行時無功功率的利用率，效率和功率因數(shù)的乘積綜合反應了電動機在能量轉換過程中的電

16、能利用的有效性，是衡量電動機能力水平高低的重要指標。永磁直線同步電機（Permanent Magnet Linear Synchronous Motor）使用了永磁體取代電勵磁，且無勵磁損耗。因此，永磁直線同步電機的效率要比電勵磁直線同步電機高，而且它們無需從電網(wǎng)中吸取滯后的勵磁電流，從而極大地提高了電動機的綜合效率。 （2）稀土永磁NdFeB磁鋼具有很高的磁能積，它的剩磁感應強度、矯頑力都比較大，用較少的永磁磁鋼就能產(chǎn)生足夠的磁能積，因此直線電機定子部分體積、尺寸可以大為減小，成為高效率、高密度電機。 （3）定子上無電勵磁裝置，可以大大簡化結構，提高電機運行的可靠性116。 總之，永磁直線同

17、步電機具有結構簡單、體積小、質量輕、損耗小、效率高、電機形狀和尺寸可以靈活等顯著優(yōu)點，在工農業(yè)生產(chǎn)、航空航天、國防和日常生活中得到廣泛應用。同時我國稀土資源豐富，稀土不稀，稀土礦石的產(chǎn)量為世界其他各國總和的4倍，號稱稀土王國。目前我國稀土礦石和稀土永磁的產(chǎn)量都居世界前列，但稀土永磁產(chǎn)量的三分之二用于出口，在國內銷售的三分之一用于電機的比例也非常低，上海交通大學碩士學位論文 2而高性能稀土永磁電機卻隨著計算機、飛機、數(shù)控機床等產(chǎn)品大量進口。因此充分發(fā)揮我國稀土資源優(yōu)勢，大力研究和推廣永磁直線電機，實現(xiàn)節(jié)能降耗，提高經(jīng)濟效益具有重要的現(xiàn)實意義。 由于永磁直線同步電機具有高效節(jié)能等一系列優(yōu)點，對永磁

18、電機的開發(fā)和研究成為世界上各國電機電器相關產(chǎn)業(yè)以及科研院所、高校的研究熱點。永磁直線同步電機存在永磁體，其形狀和放置的位置多種多樣，磁路結構復雜，所以永磁電機的分析計算要比普通電機復雜。 準確計算永磁直線同步電機參數(shù)和性能的重要前提是獲得正確的磁場分布，用電磁場分析取代傳統(tǒng)的磁路計算正是實現(xiàn)這一目標的有效手段。有限元法是目前電氣工程中解決電磁場問題的強有力手段，在工程中的廣泛應用確立了它在電磁分布的邊值問題求解領域的絕對優(yōu)勢地位。 但目前，永磁直線同步電機的設計仍缺乏系統(tǒng)的方案，常用的還是基于傳統(tǒng)的旋轉電機設計方法。通過對實際電機的軟件模擬，我們發(fā)現(xiàn)這樣的設計思想的表現(xiàn)并不能令人滿意，比如造成

19、了動子線圈槽滿率過大，電機設計難以形成系列化這樣的缺點，而電機本身輸出推力的波動也較大。 因此，我們提出了專門針對永磁直線同步電機的設計方案。在這種方案中，我們首先引入了“單元電機”的概念，并使用單層同心式線圈，這樣就可以解決嵌線工作繁雜和槽滿率的問題。在系列化的設計中，可以根據(jù)目標推力的大小，選擇幾個“單元電機”在長度或寬度方向上的組合，動子的齒距、齒寬等關鍵參數(shù)可以不做修改，而不同“單元”中的繞組等情況可以互不干擾，這樣的思想可以給設計工作帶來非常大的便利。不僅如此，電機在工作性能上也體現(xiàn)出了優(yōu)越性。 對電機的模擬，我們使用的是加拿大Infolytica公司的MagNet軟件，我們也將在第

20、三章對該軟件做一定的介紹。 1.2 直線電機的發(fā)展歷史及前景 世界上出現(xiàn)旋轉電動機后不久，就出現(xiàn)了直線電機的雛形。據(jù)有關資料顯示，Wheat-stone于1845年最早提出了直線電機的方案。然而這種電機卻由于氣隙過大，工作效率很低，并為獲得成功。 按照時間順序，直線電機的發(fā)展基本可以分為以下幾個階段： 1）孕育階段（18861929） 在這個階段，N.Testa發(fā)明了一系列運動電磁場方面的技術，依此為契機開始了上海交通大學碩士學位論文 3對直線電動機的研究工作。而正是在這個階段，直線電機的驅動原理浮出水面，然而未能投入實際應用。 2）實驗階段（19301940） 這個時期，由于直線電機未能在設

21、計上取得突破，同時也沒有找到能獨當一面的應用領域，盡管一度曾出現(xiàn)過“直線電機熱”，但最終還是在與旋轉電機的競爭中退出。究其原因，主要是成本和效率的問題未得到解決。 3）開發(fā)階段（19451969） 直線電機在這個時期迎來了技術革新，由于控制理論和材料技術的日新月異，使得直線電機也得到了迅猛的發(fā)展。 到1965年以后，直線電機逐漸被應用到一些工程和民用領域，例如MHD泵、自動繪圖儀、磁頭定位驅動裝置、電唱機、空氣壓縮機、輸送裝置等。 4）實用階段（1970至今） 從1970年以后，直線電機終于進入了獨立應用的時代。在旋轉電機無能為力的場合，直線電機開始嶄露頭角。也是在這個階段，電力電子技術和交流

22、電機控制理論的發(fā)展也為直線電機的控制奠定了基礎2046。 針對不同的應用場合，直線電機也在向兩個不同的方向發(fā)展，即大推力直線電機和伺服性直線電機。各自的用途分別如后文所述。 1.3大推力直線電機技術的研究發(fā)展 1.3.1 在交通領域的發(fā)展 大推力和大容量的直線電機在交通運輸方面的應用非常廣泛。從上個世紀八十年代開始，加拿大、日本、美國等國家開始發(fā)展由直線感應電機驅動的城市軌道交通，也有著很快的發(fā)展速度，相比傳統(tǒng)列車，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾點： 1）在同樣容量的前提下，車體高度降低，從而降低隧道面積，降低建設成本； 2）爬坡能量強，轉彎半徑小，降低能量損耗； 3）非接觸式牽引，噪音低，同時也減小

23、了摩擦損耗； 4）列車的加減速度快，效率高； 5）長期的安全運行紀錄。溫哥華空中列車在14年的時間里已安全運送乘客4.5億人次，安全運行里程超過10億公里。 1990年3月，日本大阪地鐵7號線開始采用直線感應電機驅動列車，1991年12上海交通大學碩士學位論文 4月，東京12號線也采用了同樣的技術，此后，神戶、橫濱等城市也開始在地鐵中引入了直線電機技術。國內方面，北京機場到東直門的直線電機輕軌線已于今年7月投入使用；浙江大學與上海南洋集團合作的直線電機驅動地鐵列車試驗線也正在調試運行中。 除了在地鐵和輕軌列車上的應用外，直線電機在磁懸浮列車上的應用也相當引人注目。目前，德國、日本等國都在此方面

24、有所建樹。國內，上海磁懸浮線成為了國內、也是全世界第一條投入商業(yè)運營的線路，連接地鐵二號線龍陽路站和浦東機場，最高速度達到431km/h，全程運行30km只需8分鐘。與此同時，滬杭磁懸浮線的建設也在進行之中。 1.3.2 在物流及工業(yè)設備方面的發(fā)展 在現(xiàn)代化的大規(guī)模生產(chǎn)之中，物流技術的重要性日趨明顯，而物流設備的水平直接影響了物流技術的發(fā)展?，F(xiàn)代物流業(yè)發(fā)展的一個鮮明特點是以現(xiàn)代先進的驅動技術、自動化技術、信息技術等為代表的高新技術的應用。發(fā)達國家企業(yè)的物流設備占項目總投資的比例一般都在20%以上，從而使得物流設備不斷得以改進發(fā)展，其中由直線電機驅動的物流傳輸設備代表了現(xiàn)代先進物流技術的一種應用

25、和潮流。一些發(fā)達國家（如美國、日本、德國、法國、意大利、丹麥等），在物流傳輸領域，如機場行包輸送、郵政自動化分揀、報刊書籍配送中心、工廠流水線等系統(tǒng)中，已基本實現(xiàn)了自動化。這些設備普遍采用直線電機作為驅動系統(tǒng)，適應多批量靈活安排的需求，代表著目前世界物流傳輸技術的發(fā)展水平。 直線電機在各種無聊運輸和搬運方面具有獨特的優(yōu)勢。主要體現(xiàn)在結構簡單、運行可靠、成本低、效率高、噪音低等方面。目前，在垂直傳輸方面，電梯、升降機等，都有直線電機的應用；在平面?zhèn)鬏敺矫?，直線電機也被廣泛的應用到郵政包件分揀傳輸線、剛才生產(chǎn)傳輸線、電氣、電子、機械加工生產(chǎn)線、食品加工線等場合，與此同時，還包括了商場、醫(yī)院等場合的

26、物料傳輸?shù)取?直線電機在大推力、大容量方面的發(fā)展還體現(xiàn)在諸如油田抽油機之類的大型設備上，與傳統(tǒng)的旋轉電機驅動的抽油機相比，前者可以在節(jié)電20%40%的情況下，同等時間內抽取同樣的油量。此外，在大型輸送設備、化工設備、建筑設備以及一些民用設備中，大推力、大容量直線電機都有著應用1516。 上海交通大學碩士學位論文 51.4 高速高精度、伺服性直線電機技術的研究發(fā)展 1.4.1 在現(xiàn)代機床業(yè)中的發(fā)展 直線電機在高速、高精度伺服性能方面的發(fā)展首推在現(xiàn)代機床業(yè)中的應用。傳統(tǒng)機床的驅動裝置依賴絲桿、齒條等中間機構，而絲桿本身的一些列缺陷會導致整個系統(tǒng)的精度和效率受到影響，比如：行程限制、摩擦、空程差以及

27、絲杠的軸向壓縮；同時，大量的能量也在機械傳動部件的摩擦接觸中以熱能的形式浪費。相比以上缺點，直線電機驅動的機床可以擁有更高的效率和簡便性，其優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下幾點： 1）高速、高精度 2）高響應、高傳動剛度 3）加減速過程短、行程長度不受限制 4）降低摩擦損耗，噪聲低且維護方便 世界知名的機床制造商，美國Ingersoll Rand公司生產(chǎn)的HVM600型臥式加工中心，X/Y/Z三軸由GEFANUC的直線電機驅動，主軸轉速20000r/min。6臺銷售到克萊斯勒汽車公司的該型號產(chǎn)品，每天可以為高級汽車發(fā)動機生產(chǎn)300個汽缸蓋，這相當于11臺非直線電機驅動的加工中心的生產(chǎn)量。 2000年以前，世

28、界上采用直線電機驅動的機床還較少，但在這以后，世界發(fā)達國家均在不同程度上采用了直線電機驅動的機床。以2002年日本機床展為例，參展的524臺數(shù)控機床中，有25家公司的41臺產(chǎn)品采用了直線電機驅動的方式。 在2005年第九屆中國國際機床展覽會上，作為全球最大的切削機床制造商之一的德國DMG公司，其產(chǎn)品中有三分之一采用了直線電機驅動技術。在該公司生產(chǎn)的機床上加工了一個整體薄壁飛機構件，僅用了30分鐘，而用一般高速銑床加工需要3個消失，若用普通數(shù)控銑床則需要8小時。 意大利Prima工業(yè)公司采用了雙機聯(lián)動結構和直線電機并聯(lián)運動方式，在切割過程中可以實現(xiàn)6g的加速度。它每分鐘可以切割超過1000個孔，

29、而市場上目前最快的激光切割機也只能加工600個孔。意大利JOBS公司為航宇和模具制造業(yè)生產(chǎn)的LinX大型高速銑床產(chǎn)品，采用了高架橋式布局和直線電機坐標驅動，加工時間可減少50%。三軸均為直線電機驅動的LinX龍門加工中心，由于無效時間大為縮短等因素，經(jīng)用戶使用后反映，加工模具的效率比普通同類機床效率提高了40%。 目前，世界上最知名的機床廠家?guī)缀鯚o一例外地都推出了直線電機驅動的機床產(chǎn)品，品種覆蓋了絕大多數(shù)機床類型。 上海交通大學碩士學位論文 6國內在1995年以來也開展了直線電機在機床上的應用研究，如廣東工業(yè)大學研發(fā)的直線感應電機驅動的GD-3型高速數(shù)控機床進給單元，清華大學研究的長行程永磁直

30、線伺服單元，北京機電院研發(fā)的直線電機驅動的加工中心，浙江大學研制的圓筒型直線電機驅動的并聯(lián)機構坐標測量機和扁平永磁直線電機驅動的磨床，北京機床研究所研發(fā)的直線電機驅動的電火花成型機床，國防科學技術大學研發(fā)的活塞非圓切削中采用直線電機驅動刀具以及北航、南航與有關單位合作研發(fā)的機床等。此外，一些企業(yè)如杭州機床集團等也分別在平面磨床、激光劃線機、加工中心等產(chǎn)品上采用了不同的直線電機技術，也取得了較好的效果。 直線電機在機床領域的發(fā)展趨勢 1）應用機床的直線電機及驅動控制技術日趨成熟，已具有傳統(tǒng)傳動裝置無法比例的優(yōu)越性能。隨著電機制造技術的改進，旋轉合適的直線電機及驅動控制系統(tǒng)，配以合理的機床設計，完

31、全可以生產(chǎn)出高性能、高可靠性的機床。 2）直線電機驅動機床仍以高、特為主但性價比不斷看好，近年來，直線電機系統(tǒng)成本不斷下降，在機床成本中的比重明顯下跌。但目前采用直線電機驅動仍比傳統(tǒng)的傳動裝置價格要高。因此，直線電機的應用仍著眼于高性能機床，特別是精密高速加工機床。特種加工機床、大型機床，解決傳統(tǒng)傳動方法不能解決的問題。 3）在機床應用直線電機技術漸趨產(chǎn)品化，直線電機在機床上的應用已不是樣品，據(jù)有關資料介紹，2001年，德國DMG公司已在28種機型上采用直線電機，年產(chǎn)量達1500臺（約3000多根直線電機驅動軸），占其總產(chǎn)量的1/3。2003年，意大利JOBS公司LinX系列產(chǎn)品已占其總產(chǎn)量的

32、60%（年產(chǎn)50臺大型龍門加工中心和龍門銑床），并成為其主要利潤來源。有專家預測，到2010年，世界上將有20%40%的數(shù)控機床采用直線電機進給驅動，而這些機床都是高檔機床，因此其產(chǎn)業(yè)化前景不言而喻。 直線電機在機床中的應用雖然前景看好，但有些問題仍需不斷解決，注意完善，才能更好地促進其應用。 1.4.2 在其他設備中的應用 直線電機在高速、高精度伺服性方面的發(fā)展除在機床領域外，還在其他領域也有發(fā)展，如一些要求高的過程控制系統(tǒng)，精密檢測系統(tǒng)，直線伺服驅動系統(tǒng)等等。 目前，已有美國、日本、德國、英國等國的數(shù)十家公司生產(chǎn)用于高速、高精度設備的直線伺服電機，其品種和數(shù)量越來越多，性能也越來越好20。

33、 上海交通大學碩士學位論文 71.5 日趨成熟的直線電機控制技術 隨著控制理論的不斷發(fā)展，直線電機的控制技術也日趨成熟，這在某種程度上也推進了直線電機本體設計的研究。目前，國內對于直線電機控制系統(tǒng)的理論研究已經(jīng)超過了對電機本體的研究，理論成果很多，但應用成果還很少。在不同的階段，針對不同的直線電機，要有不同的控制方法。 1）直線感應電機的控制仍然以矢量控制為主 直線感應電機通常是調速的控制和精度要求不高的伺服控制，目前雖然有許多直線感應電動機的控制方法，但應用最多的仍然是技術成熟矢量控制。 2）永磁直線電機向直接轉矩控制技術方向發(fā)展 目前，永磁直線電機直接轉矩控制的研究和樣品較多，而應用中的永

34、磁直線電機仍有不少采用矢量控制，這里有一些技術問題尚需完善，但永磁直線電機總會向直接轉矩控制技術方向發(fā)展。 3）無位置傳感器技術正在得到人們的重視 目前，不管是旋轉電機還是直線電機，無位置傳感器技術得到了越來越多的關注。相關人員也研究了很過方法，但到目前為止，高精度的直線電機無位置傳感器技術尚未得到真正的應用252747。 1.6 本文研究內容 本文主要研究永磁直線同步電機的電磁設計。首先簡要介紹直線電機的工作原理，通過直線感應電機和直線同步電機的比較，驗證后者在工作性能等方面的優(yōu)勢。在簡要介紹傳統(tǒng)永磁直線同步電機設計方案的基礎上，通過相關軟件的模擬驗證其局限性。后面將引入單元電機的概念，在此

35、基礎上提出一種新的永磁直線同步電機設計理念，即使用單層繞組和集中式線圈的設計方案，并通過實例介紹整個設計過程，其中包括了電路、磁路部分的計算和電機效率的理論驗證，在完成單元電機設計工作的基礎上，對系列化設計進行探討，并通過對電機外型尺寸的修改等途徑實現(xiàn)電機性能的優(yōu)化。 有限元法在工程中的應用日益廣泛，近些年來也被廣泛地應用到電機的設計和性能模擬等工作中來，本文第四章將簡要介紹有限元法的理論基礎和原理，以及在電磁場數(shù)值計算中的應用，并通過電磁場有限元分析軟件MagNet，對設計出的電機進行上海交通大學碩士學位論文 8運行性能的模擬和驗證。 論文完成的工作如下： （1）根據(jù)目標參數(shù)，完成電機結構參

36、數(shù)的設計。 （2）根據(jù)以上結構尺寸，繪制電機的截面圖，導入電磁場有限元分析軟件MagNet，通過計算得到有限元分析結果，并與路的結果作對比。 （3）探討結構上的變化對電機性能的提升。 （4）根據(jù)目標推力的變化，從（1）得到的電機結構基礎上，探討系列化設計，并通過更改繞組排列方式等途徑實現(xiàn)電機性能的優(yōu)化。 （5）對新老方案進行對比，總結優(yōu)缺點。 上海交通大學碩士學位論文 9第二章 直線電機的工作原理 2.1 直線電機的分類 按照其工作原理的不同，可以將直線電機分成以下幾個類型：直線感應電機、直線同步電機、直線步進電機等。由于車床需要連續(xù)的給進動作，以及供電方式的原因，常見的機型一般是直線感應電機

37、或直線同步電機。 1）直線感應電機 對直線感應電機，一般可視為將旋轉式感應電機的定子沿徑向切開并拉直，且用一塊導電金屬板代替轉子。在結構形式上，一般有平板式和圓筒式兩種，直線行程小于0.5m的場合，一般傾向于采用圓筒形。行程較長的感應式直線電動機通常采用平板型。平板型又可分為單邊式和雙邊式，磁極通常都設為籠型。由于實際應用中很少出現(xiàn)10m以上的長行程，所以一般將具有三相繞組的初級作為動子，次級鼠籠作為定子，兩者之間大約有1mm的氣隙。 2）永磁直線同步電機 直線同步電動機也有平板型和圓筒型兩種結構。一般情況下，將具有三相繞組的初級做成動子，次級定子則由永磁體和鋼板底座組成，借助于支撐系統(tǒng)，動子

38、和定子之間保持恒定的氣隙。用于推力或位置控制的平板型直線電機，運行行程一般在3m以上。 兩種直線電機的主要特性及優(yōu)缺點可見表2-1。由于兩種電機結構上的不同，發(fā)展和應用也不盡相同。 直線感應電機的研究開始較早，同時由于其結構簡單、堅固耐用、適應性強、成本也較低，所以率先在各個領域獲得應用。但是前一時期大多數(shù)的應用都是將直線感應電機作為動力轉換裝置使用，控制性能簡單，精度要求相對也低，控制器通常由開關和簡單的模擬調速構成。 隨著高性能永磁材料技術的發(fā)展和價格的降低，永磁同步直線電機在許多小功率設備中逐漸得到應用，主要是在各種設備中作為伺服驅動和精度較高的定位控制。相比直線感應電機，永磁直線同步電

39、機具有以下優(yōu)勢：（1）高效率。磁場由永磁體提供，因此沒有勵磁電流通過，降低了銅耗；（2）高可靠性。因為無勵磁繞組、滑環(huán)和電刷，使得發(fā)生短路或開路的概率減??；（3）體積小。因為永磁電機的勵磁磁場無需繞組和上海交通大學碩士學位論文 10絕緣，磁極占據(jù)的空間大幅度地減小，在較小的空間區(qū)域內可以獲得相同的甚至更大的磁場強度；（4）時間常數(shù)小，響應快；（5）利于電機的散熱和冷卻；（6）可控性好。由于永磁直線同步電機的氣隙磁場同步推進，因此更容易實現(xiàn)矢量控制，取得高性能，還可以采用弱磁控制技術拓寬其運行速度的范圍。綜上所述，在總體性能上永磁直線同步電機具有較大的優(yōu)勢，應用也更為廣泛116。 表2-1 兩種

40、直線電機性能對比 電機類型 永磁直線同步電機 直線感應電機 單位面積電磁推力 大 小 效率 高 低 磁極位置傳感器 需要 不需要 可控性 好 較差 進給平穩(wěn)性 好 較好 動力制動性 可能 尚無 對氣隙調整的要求 低 高 塵埃防護 難 易 磁吸力 常量 變量 安裝時的磁吸力 大 小 2.2 直線電機特點 當一種電機的結構發(fā)生變化，它的運行條件和設計規(guī)范就要起很大的變化。由于電機磁路結構的變化，出現(xiàn)了一些用常規(guī)理論不能解釋的新現(xiàn)象。因此，就需要對舊的分析方法做出修改，而且有時還需要發(fā)展新的理論。 直線電機的結構特點 機械結構：無須齒輪、絲杠等動力傳遞結構，可以直接獲得直線推力。 電機的級數(shù)：直線電

41、機在由旋轉電機“剖開”和“拉直”的過程中，由于兩端繞組的變化，會有許多種結構，這時直線電機的特點之一。例如，直線電機的動子初級的磁極數(shù)可以是單數(shù)、雙數(shù)甚至是分數(shù)，所以在直線電機中，不采用極對數(shù)的說法，而是說幾個極。 定子和動子的長度：直線電機的定子和動子長度一般是不相等的，即兩邊的級數(shù)上海交通大學碩士學位論文 11不一致，但極距必須相等。以永磁直線同步電機為例，電樞繞組（即動子）一般設計得較短，而作為定子的永磁體一般設計得比較長。 繞組的槽數(shù)：當采用雙層繞組時，鐵心的槽數(shù)要比相應的旋轉電機槽數(shù)多一些（由線圈節(jié)距決定），才能放下三相繞組。這時，在鐵心兩端的一些槽內只放一層線圈邊而空出半個槽。由于

42、繞組的結構有所變化，故三相繞組的參數(shù)不完全對稱。這也正是本論文要解決的問題20。 2.3 永磁直線同步電機的結構 根據(jù)永磁體的安裝位置，永磁直線同步電機可分為面裝磁極型（Surface Permanent Magnet）和內部磁極型（Interior Permanent Magnet）。用于伺服目的的永磁直線同步電機一般采用表面磁極的結構，其凸極效應很弱，氣隙均勻且有效氣隙大。根據(jù)動子和定子的結構，永磁直線同步電機有單邊磁極式，雙邊磁極式和圓筒形。以單邊磁極式為例，其結構是在定子上沿行程方向，順次安裝N、S極永磁體（材料一般為NdFeB），如下圖2-1所示的橫向剖面圖所示。動子材料為硅鋼片，線

43、槽中放置三相繞組。 圖2-1 永磁直線同步電機結構 Fig. 2-1 Construction of a permanent magnet linear synchronous motor 2.4 永磁直線同步電機的基本工作原理 直線電機不僅在結構上與旋轉電機類似，工作原理也比較相近。如圖所示，為一臺永磁直線同步電機的工作原理示意圖。當為動子的三相線圈通入三相對稱正弦電流后，同樣會產(chǎn)生氣隙磁場。若不考慮由于鐵心兩端開斷引起的縱向端部效應時，這個氣隙磁場的分布情況與旋轉電機也近似，即按直線方向呈正弦分布，并且將按A、B、C或A、C、B的相序沿直線運動。原理上與旋轉電機基本相似，不同之處在于：直線

44、電機的氣隙磁場沿直線方向平移，因此，該磁場被稱為行波磁場。顯然，行波磁場的移動速度與旋轉電機在定子內圓表面上的線速度（即同步速度）是相等的。對于永上海交通大學碩士學位論文 12磁直線同步電機來說，永磁體的勵磁磁場與行波磁場相互作用便會產(chǎn)生電磁推力。在電磁推力的作用下，由于定子固定不動，動子就會沿行波磁場運動的相反方向做直線運動。 2.5 本章小結 本章簡要介紹直線電機的分類，并通過工作性能和結構特點的對比，闡述了直線同步電機較之直線感應電機的優(yōu)點。并就結構等方面，將直線電機與傳統(tǒng)的旋轉電機做了對比。最后選擇永磁直線同步電機作為本論文設計的目標，介紹電機的結構和基本工作原理，為后文的設計工作打下

45、鋪墊。 上海交通大學碩士學位論文 13 第三章 單元永磁同步直線電機設計 3.1 模擬工具 在工作的前期，我們通過軟件模擬驗證結論。應用到的軟件是加拿大Infolytica公司出品的MagNet軟件，該軟件基于有限元技術，針對低頻電磁場分析。軟件主要有以下幾個特色： 1）包含四個計算模塊：2D/3D靜態(tài)場、2D/3D時諧場、2D/3D瞬態(tài)場、2D/3D瞬態(tài)運動場，針對不同的應用場合可以選擇使用不同的模塊，本論文主要應用2D瞬態(tài)運動場模塊。 2）在一定程度上允許用戶自由定義計算的階數(shù)：2維模型14階，3維模型13階；允許用戶對模型中不同的部分設定不同的剖分密度，例如對電機的氣隙，可以設定比其他部

46、分更高的剖分密度。 3）可以與MATLAB/Simulink軟件耦合仿真，實現(xiàn)更精確的模擬。 3.2 傳統(tǒng)設計方法簡介及其弊端 目前，針對永磁直線同步電機的設計，仍然缺乏成熟和系統(tǒng)化的方案。尤其是動子部分（電樞），可以說是照搬了旋轉電機的設計方法，采用了雙層繞組。這樣一種嵌線形式，不僅會造成制作工藝上的麻煩，也會給電機的運行造成一定的影響，主要表現(xiàn)在以下幾個方面： 1）電機動子繞組的槽滿率一般都比較大，影響電機運行中的散熱，這對電機的穩(wěn)定運行有一定的不利因素。 2）正如第二章所說，由于動子結構本身的原因，會造成動子兩端空出幾個半槽從而造成三相繞組參數(shù)的不完全對稱。 3）難以形成系列化，當要求的

47、推力變化時，需要對大量的參數(shù)重新選取，給設計工作帶來了一定麻煩。 4）從工作性能本身來看，這種方法得到的電機也并不能讓人滿意。 以我們在實際工作中的一臺雙層繞組直線電機為例，電機的剖面圖如圖3-1所示，上海交通大學碩士學位論文 14目標推力，電機的主要參數(shù)如下：硅鋼片型號DW360-50，永磁體型號N38SH，極距27mm，極寬22mm，氣隙高度1mm，動子運動方向長度347mm、運動方向寬度143mm、動子齒距7.2mm、齒寬4.6mm、線圈節(jié)距3個槽距、繞組共有45個線圈，每相每四個極有5個線圈組成一組，每相有三組，三組線圈串聯(lián)、線圈匝數(shù)72、電源頻率22.22Hz。 圖3-1 常規(guī)永磁直

48、線同步電機結構圖 Fig.3-1 Construction of a regular PMLSM 按照永磁直線同步電機的特性，其運行速度與電源頻率遵循以下關系： 2vfp= (3.1) 式中，f為電源頻率，p為定子永磁體極距，則動子的運行速度大小為： 222.22271.2/vHzmmms= 我們運用MagNet軟件的2D時諧運動場模塊（Transient 2d with Motion）對電機的運行情況進行模擬，為方便分析，采用電流源驅動，有效值2.12A，動子速度驅動，運動速度1.2m/s，剖分密度如圖3-2所示。 圖3-2 電機有限元剖分圖 Fig.3-2 Finite Element M

49、ethod Meshing for Linear Motor 取0.5ms的步長，模擬0到100ms電機的運行情況，得到如圖3-3所示的輸出推力曲線。 上海交通大學碩士學位論文 15 圖3-3 電機輸出推力曲線 Fig.3-3 Thrust figure of motor 通過對模擬數(shù)據(jù)的導出及分析，得出電機輸出推力的平均值為1056N，與此同時，我們從上圖可以看出，作為衡量直線電機工作性能好壞之一的推力波動，非常明顯。通過計算可得： 20021()55.68200kavekFFN= 在平均輸出推力為1000N的情況下，波動值超過了50N，相對誤差在5%，所以，電機的工作性能并不能令人滿意。與

50、此同時，我們在設計工作中，還曾遇到一臺輸出推力為500N的電機，我們的最初設想是將原1000N電機的尺寸縮小，但是問題也隨之而來，比如線槽的電流密度過大等。 3.3 單元電機設計思想 雖然從結構上可以認為直線電機是由旋轉電機演化而來，但通過軟件實際的模擬，我們發(fā)現(xiàn)，電機的運行并不能完全照搬旋轉電機的理論。尤其是在設計思想上，照搬旋轉電機的設計并不非常實用。 對此，我們從直線電機本身的結構特點出發(fā)，引入“單元電機”的概念，通過改變這些“單元”的數(shù)目和在長度、或寬度方向上排列組合的方式達到改變電機輸出推力的目的，而單元間可以認為彼此獨立，互不影響?？紤]到雙層繞組嵌線工作繁瑣和不利于散熱這樣的問題，

51、我們在“單元電機”中采用單層繞組。設計方案的實現(xiàn)可以上海交通大學碩士學位論文 16通過圖3-4來表現(xiàn)。 圖34 基于單元電機的設計思想 Fig.3-4 Design method basing on unit motor 3.4 單元電機設計的實現(xiàn) 3.3.1 材料的選取 目標單元電機額定推力為425N，額定功率425W，動子硅鋼片材料選用WDG-50，考慮了疊裝系數(shù)（值取0.94）的材料磁化曲線和損耗曲線分別如圖3-5和3-6所示： B-H0.000.200.400.600.801.001.201.401.601.802.000.0010.010.1110100100010000H(A/m)B(T)b 圖3-5 WDG-50磁化曲線 Fig.3-5 B-H curve of WDG-50 單元電機 單元電機 單元電機 單元電機 單元電機 單元電機 單元電機 單元電機 單元電機 . . . : : : 上海交通大學碩士學位論文 17 Loss00.20.40.60.811.21.41.61.80.1110Loss(W)B(T)b 圖3-6 WDG-50損耗