基于ANSYS的新型永磁直線同步電機的設計

鄒莉

(安徽國防科技職業學院，安徽 六安 237011)

0 引言

永磁直線同步電機(PMLSM)結合了永磁電機和直線電機的特點，具有體積小、結構簡單、推力大、精度高、行程大等優點，廣泛用于數控加工、垂直提升、往復運動等場合，特別適用于直接驅動直線伺服系統。［1］但因端部效應、齒槽效應、推力紋波、永磁體分布的離散性以及負載擾動等原因，使其推力波動較大，而推力是衡量PMLSM性能的重要指標，推力波動將影響電機運行的平穩性，最終影響控制精度和控制的準確性，因此推力波動是PMLSM中亟待解決的問題。

本文采用有限元法對永磁直線同步電機進行分析計算，借助ANSYS軟件建立電機有限元模型，提出一種新的電機結構，并探討不同結構參數下的推力波動，力求最大限度地使其降低，提高驅動性能。

1 PMLSM的有限元模型

采用ANSYS軟件進行有限元分析，其過程包括前處理、求解和后處理等部分。［2］

前處理 首先在前處理中定義物理環境，選用單元類型PLANE53(四邊形8節點單元)，定義6種材料屬性，材料1:磁導率murx=4 000;材料2:磁導率murx=1，矯頑力MGYY=895 000;材料3:磁導率murx=1，矯頑力MGYY=-895 000;材料4:根據特性定義B-H曲線，輸入若干(B，H)值;材料5和材料6的磁導率均為murx=1。然后，通過詳細坐標創建幾何模型，將材料1賦給次級軛部，材料2和材料3分別賦給永磁體的 N、S極，材料4賦給初級軛部，材料5賦給電樞繞組，材料6賦給空氣。［3］最后進行智能網格劃分，結果如圖1所示。

圖1 PMLSM網格劃分效果圖

求解 先使磁力線平行于邊界，在邊界上施加第一類邊界條件，在負載運行時，還應給繞組加上電流密度。對于2D模型，采用波前求解器進行求解。［4］

后處理 通過后處理可以獲得各種結果，能夠以矢量、等值面、云圖、列表、路徑等形式顯示磁密、磁場強度、磁力線、等值線、推力等數據，為電機的設計提供強有力的參考依據。圖2為PMLSM的磁力線分布圖。

圖2 PMLSM磁力線分布圖

2 PMLSM的新型結構設計

為了減小PMLSM的推力波動，可采用設置短矩分數槽繞組和氣隙繞組、增加相數、繞組分布一致、合理排布永磁體等方法，實踐證明，這些方法均取得了較好的效果。［5-6］

通過對PMLSM的有限元分析，可以得出，齒槽效應引起的推力波動呈周期性分布，周期為60°電角度，由于永磁片的原因所產生的推力波動也有一定的周期性。另外，端部效應產生的最大推力波動比例超過50%。本文針對上述原因，從結構入手，設計了一種新型結構的PMLSM。

該電機在縱向分布著3個疊片模塊，3個疊片模塊構成1組疊片模塊組，橫向并排有3組疊片模塊組，即共有9個疊片模塊，每個疊片模塊又有6個槽，如圖3所示。

圖3 新型PMLSM的結構示意圖

每組3個疊片模塊的d軸與各自對應的A相電樞依次相差0°、120°、240°電角度。同時，為了減小端部效應，特別是縱向端部效應，使每組3個疊片模塊的端部電流相差120°，這樣，通過疊加，縱向端部效應減小，推力波動也可以最大程度減小。此即縱向移位移相疊加。

電樞繞組采用單層集中繞組，具體布置如圖4所示。

圖4 疊片模塊組電樞繞組布置圖

橫向上也有移位移相疊加。橫向上的3組疊片模塊組，在縱向位置上間隔τ/3(τ為齒距)，從而實現橫向移位。各疊片模塊組間相同相的繞組電流相差τ/6，此為橫向移相，具體如下:

這樣就實現了橫向移位移相疊加，從而減弱齒槽效應產生的推力波動。

通過仿真(如圖5所示)可以看到，縱向、橫向移位移相疊加，使推力波動問題得到了很好的解決。

圖5 新型PMLSM的推力波動

3 PMLSM的重要參數設計

電機結構的具體參數對電機性能影響很大，如，齒槽深度、齒槽寬度、氣隙大小、電樞電流大小等，都會直接影響推力波動，因此，合理設計參數，綜合考慮各參數間的搭配使用十分重要。

從圖6可以看出，齒槽寬度與水平推力的絕對值大小呈反比關系，寬度越大，推力越小，所以齒槽寬度應盡量取小一些，但取值過小會影響電樞繞組的安裝，對匝數有一定限制。在圖7中，齒槽深度與水平推力的絕對值大小也呈反比，取值過小也會影響匝數，當深度大于30 mm時，對水平推力的影響變化不大;對于氣隙，應盡量減小尺寸，但在實際制造過程中，對工藝要求較高，過小的氣隙難于實現。另外，電樞電流應大一些，且要保證較好的散熱條件。關于永磁體尺寸，在此不作分析。

圖6 水平推力隨齒槽寬度變化曲線

圖7 水平推力隨齒槽深度變化曲線

綜合考慮，得出部分重要參數，齒槽寬度取6 mm，齒槽深度取26 mm，氣隙寬度取1 mm，永磁體長28 mm，電樞電流為3 A。

4 結語

推力波動是永磁直線同步電機要解決的一個重要問題，通過ANSYS軟件進行有限元分析，為優化電機結構提供分析數據，從縱向、橫向移位移相疊加以減小推力波動入手，設計出一種新型的PMLSM，并分析一些重要參數對水平推力的影響，進行參數優化設計。仿真結果表明，該結構的PMLSM能夠降低推力波動，增大推力，提高驅動性能，對高質量進給系統的設計具有重要意義。

［1］余佩瓊.永磁直線同步電機的有限元仿真［J］.電工技術，2003(12):29-30.

［2］杜平安，于亞婷，劉建濤.有限元法——原理、建模及應用［M］.北京:國防工業出版社，2011:308-322.

［3］許孝卓，汪旭東，袁世鷹.基于ANSYS的永磁直線同步電機磁場分析［J］.礦山機械，2005，33(12):80-82.

［4］張海軍，張京軍，高瑞貞.基于ANSYS的電機電磁場仿真分析［J］.河北建筑科技學院學報，2006，23(4):73-77.

［5］徐德淦.電機學［M］.北京:機械工業出版社，2002:140-160.

［6］郭慶鼎，王成元.直線交流伺服系統的精密控制技術［M］.北京:機械工業出版社，2000:185-200.