永磁直线电机设计

论文总字数：31062字

摘 要

永磁直线电机广泛应用于制造行业，永磁同步直线电机具有不需要传动结构和定位精度高等优点，但是电机的推力波动问题限制了其在高精度领域的发展与推广。定位力是永磁直线电机推力波动产生的重要成因之一。因此，研究如何削弱直线电机的定位力和抑制推力波动对改善电机的推力特性与推广应用有重要的影响。本文以一台永磁直线电机为对象，用传统设计方法对永磁直线电机进行初步设计，根据电机的初始尺寸，建立了电机的二维有限元模型，从电机本体结构出发，通过有限元分析方法对电机的推力波动和定位力进行了仿真，通过分别调整边端齿宽度与长度，电枢齿长度与宽度、永磁体长度与厚度、边端齿与绕组的距离和极靴的长度对电机推力均值、推力波动幅值和定位力幅值的影响，为推力波动定位力的抑制研究提供依据并据此得到本台直线电机本体合适的尺寸范围。对电机的尺寸进行设计后进行Ansoft仿真，选择其中推力特性最合适的一组作为本台电机的本体最优设计。

关键词：永磁直线电机，有限元分析，推力波动，定位力

Abstract

Permanent magnet synchronous linear motor(PMSLM) is applied broadly in modem manufacturing industry for its simple structure, high positioning accuracy, responsiveness and so on．But its thrust fluctuation affects its development and promotion in the field of high-precision. Detent force (DF) is one of the main cause of PMSLM thrust fluctuations；therefore，the research of the suppression of linear motor DF is crucial to its performance and promotion．In this paper, a permanent magnet synchronous linear motor is designed with the traditional method. In order to analyze the main characteristics of the motor, the finite element model of the motor is established according to the initial size of the motor. For the study, the length and the thickness of permanent magnets, the length and width of armature teeth, the length and the width of side teeth, the length of pole pieces are selected as arguments. The variation of moving force, thrust fluctuations and detent force are recorded when each argument varies. The dependent variations’ variation tendency and numerical value are the design basis of the PMLSM. After the size of the motor is scoped, its model will be established and analyzed with Ansoft Maxwell to pick out the best design.

Keywords: permanent magnet synchronous linear motor, finite element analysis, thrust fluctuation, detent force

目录

摘要 I

Abstract II

目录 III

第一章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2直线电机原理简介 2

1.2.1直线电机基本结构 2

1.2.2直线电机工作原理 3

1.3直线电机电磁场计算方法研究现状 4

1.4本论文主要工作 5

第二章 永磁直线电机推力波动分析与建模 6

2.1直线电机推力波动 6

2.2直线电机定位力 6

2.3 永磁直线电机定位力削弱方法 7

2.4有限元数值分析法数学描述 8

2.5有限元分析软件Ansoft 11

2.6参数化建模 12

第三章 结构参数对推力波动影响的研究 16

3.1引言 16

3.2对电机结构参数的调整及其影响 16

3.2.1调整永磁体长度 16

3.2.2调整永磁体厚度 18

3.2.3调整电机边齿宽度 20

3.2.4调整电机的边齿长度 23

3.2.6调整电枢齿宽度 27

3.2.7调整电枢齿长度 30

3.2.8调整极靴宽度 32

3.3优化过程与结果 33

3.4本章小结 35

第四章 总结与展望 36

4.1总结 36

4.2展望 36

致谢 37

参考文献 38

第一章 绪论

1.1研究背景

直线电机的主要种类是直线电动机，直线电动机可以将电能直接转变为直线运动机械能，同时不需要转换机构。直线电机可以根据需要制作成扁平型，圆筒型，圆盘型和圆弧型等多种型式。经过几十年的研究与发展，直线电机目前已经广泛应用于生产生活领域。在军事方面，直线电机应用于电磁炮以及导弹的发射系统上；在交通运输业中，直线电机被应用于磁悬浮列车；在工业领域中，直线电机被用于生产运输线，分拣机和各种精密的数控机床中；在生活领域，直线电机也被应用于家用电器中，如压缩机等等。另外，由于直线电机有可低速运行，精细等特点，因此还被应用于很多的精密仪器之中，如医疗仪器和绘图仪器。

直线电机取得广泛的应用和快速的发展，主要是由于采用直线电机驱动的装置和传统的旋转电机驱动装置相比，有如下优点：

1. 采用直线电机驱动的传动装置，不需要旋转电机系统中的运动转换系统，相比之下提高了系统运行的可靠性。旋转电机在应用中需要通过钢绳，齿条等作为传动装置将旋转运动转换为直线运动，因为存在传动装置，运行时定位精度会受到影响，且产生噪声。相比之下，直线电机没有传动装置，可以消除中间环节带来的各种误差，因此定位精度普遍更高，同时，整个系统的噪声很小，运行环境更好。
2. 直线电机运行时，由于采用直线运动，运动速度不用受到离心力限制。而普通的旋转电机运行时因为受到离心力，旋转速度会受到限制。
3. 直线电机是通过电能直接产生电磁推力的，因此电机的驱动装置可以做到无机械接触，损耗比较小。
4. 直线电机结构简单，散热效果较好，初级铁心直接暴露在空气之中。直线电机次级的散热面积大，热负荷可以更高，无须附加的冷却装置。

直线电机也存在一些不足之处，主要是:

1. 相比旋转电机，直线电机的效率较低。主要是因为直线电机初级和次级之间的气隙一般为旋转电机气隙宽度的两到三倍，需要更大的磁化电流。另外，因为直线电机初级铁心的两端不连续，会产生边端效应，增大系统的运行损耗，影响系统的定位精度。

2.直线电机的起动推力受到激励电压大小的影响比较大。

如今自动控制技术快速发展，对各种控制系统的定位精度有了更高的要求，而传统的旋转电机加转换机构实现的直线运动驱动装置，已经难以满足现代控制系统的精度要求。为此，世界各国都在大力研究和发展直线电机，直线电机的应用越来越广泛，因此，加强对直线电机的发展对我国国家工业、军事等发展有重要意义。

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