供電頻率對單邊直線感應電機性能的影響分析*

李 兵 王鐵軍 馬戰毅 王 眾

(1.海軍工程大學電氣與信息工程學院 武漢 430033)(2.91257部隊 舟山 316000)

供電頻率對單邊直線感應電機性能的影響分析*

李 兵1王鐵軍1馬戰毅2王 眾1

(1.海軍工程大學電氣與信息工程學院 武漢 430033)(2.91257部隊 舟山 316000)

針對基于單邊直線感應電機(SLIM)原理制成的鋼板爬壁機器人平臺,為了研究其供電頻率對性能的影響及下一步的控制策略,本文使用Ansoft有限元分析法對直線感應電機供電頻率進行了仿真計算,探討了電機的推力,法向力,不同部位磁通密度以及次級鐵心電流密度隨之改變的幅度和規律,并結合Matlab計算了電機頻率與功率因數的關系,得到了合理的結果,驗證了樣機設計的合理性和可行性,為下一步樣機的優化設計提供了理論參考。

直線感應電機; 供電頻率; 法向力; 推力; 功率因數; 有限元分析

Class Number TM359.4

1 引言

單邊直線感應電機(SLIM)作為直線電機的一種形式,在現代工業中所處的地位正在與日俱增。與其他旋轉電機相比,它們是一種將電能直接轉換成直線運動的線性驅動裝置[1～2],具有簡單的結構和相對低廉的成本,已廣泛應用于民用和軍事的各領域,擁有廣闊的應用和發展前景[3]。正是如此,越來越多的學者把眼光投身于此,做了很多關于初級重量[4]、功率因數和效率[5～7]、推力、功率與重量比率關系的研究[8],一些等效電路模型的提出促進了SLIM的性能的研究[9～11]。而本文中基于直線感應電機原理制成的鋼板爬壁式機器人平臺,結構簡單,裝配容易且吸附力強大。通過法向力,推力和功率因數的有限元仿真計算,研究供電頻率對SLIM的性能的影響。

2 直線感應電機系統模型

2.1 SLIM工作原理

SLIM的工作原理與旋轉感應電機基本類似,其原理是：初級三相繞組通入三相對稱正弦電流后,就會產生氣隙磁場。當不考慮因鐵心開端引起的邊端效應后,氣隙磁場沿展開的直線方向呈正弦分布,后隨著三相電流的變化按A、B、C相序沿直線運動,這個平移的磁場就是行波磁場,再由楞次定律,行波磁場在次級上感應電動勢,產生電流,又由安培定律可知,次級感應電流和氣隙磁場相互作用便產生連續電磁推力。如圖1所示。

圖1 直線感應電機工作原理

2.2 鋼板爬壁式機器人平臺工作原理和實物模型

而本文是把次級固定,讓初級移動,從而把直線電機技術運用到鋼板爬壁式機器人平臺中。當初級鐵心繞組中通以三相交流電,在氣隙中就會形成平移磁場,它在次級鋼板中就會感生電流,而產生推力,驅動鋼板作直線運動,如圖2所示。

圖2 鋼板爬壁式機器人平臺移動原理圖

所設計的直線感應電機應用于鋼板爬壁機器人移動平臺,需要較低的移動速度和較大的吸附力,主要目的是為了進行實驗驗證。依據電機設計理論,多次計算修正得到一個推力及吸附力均滿足設計要求的直線感應電機模型。圖3、圖4為鋼板爬壁式機器人平臺結構示意圖和實物圖。

圖3 鋼板爬壁式機器人平臺結構示意圖

圖4 鋼板爬壁式機器人平臺實物圖

3 SLIM參數及仿真計算

Ansoft Maxwell作為著名的電磁場有限元分析軟件,在電機的設計分析中應用十分廣泛,它以麥克斯韋方程作為基礎,采用有限元方法將電機里面電磁計算轉化為矩陣來求解[12]。應用Ansoft軟件的Transient模塊可方便求解直線感應電機的速度、推力、法向力、邊端效應、氣隙磁場等特性,從而為電機的設計與分析帶來快捷與方便。本文整個系統的仿真模型是采用Ansoft瞬態場搭建的,搭建模型的參數如表1所示。

表1 直線感應樣機主要技術參數

在建立好的模型中,更改激勵源中輸入電流的頻率進行仿真運算,綜合初級所受電磁力的結果,得到如圖5所示曲線。

圖5 頻率對單邊直線感應電機電磁力的影響

由圖5可知：在電流恒定的情況下,當供電頻率大于100Hz時,初級所受電磁推力與頻率成反比,反之,成正比；當供電頻率小于100Hz時,初級所受電磁力表現為吸附力,大小與頻率成反比。特別是當過了臨界點100Hz時,初級所受電磁力表現為排斥力,大小與頻率成正比。

圖6 直線感應電機磁通密度分布

圖6中,隨著頻率的增大,磁場的滲透深度有所減小,但是該部位的磁通密度有所增加。

由圖7可知電流密度為105A/m2,這樣大的電流密度產生較大的局部磁動勢,從而引起磁通密度的增加和次級鐵心的磁飽和。

圖7 20Hz時次級鐵心的電流密度分布

圖8 SLIM的頻率與功率因數曲線圖

從電機的頻率一功率因數結果上可以看出,隨著電源頻率的提高,電機的功率因數逐漸變大。由于功率因數是由電機結構參數所確定,而在仿真計算中,我們保持電流源幅值的恒定,因此直線感應電機的功率因數不隨電流大小的變化而變化,即電流大小不影響功率因數。根據電機的同步速度公式：Vs=2fτ,在τ不變的情況下,電機的同步速度將隨著頻率的增加而增加；同時頻率的增加,導致初級繞組電抗值變大,繞組中的電流將顯著減小,電機的功率也將變小。

4 結語

本文基于SLIM的原理,在鋼板爬壁機器人平臺模型的基礎上,使用Ansoft軟件對直線感應電機供電頻率進行了仿真計算,探討了電機的推力,法向力,不同部位磁通密度及次級鐵心電流密度隨之改變的幅度和規律,并結合matlab計算了電機頻率與功率因數的關系,得到了合理的結果,對下一步平臺性能的改進和控制策略的設計都有良好的指導意義,也為直線電機設計和工程實踐應用提供了理論參考。

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[12] 趙博,張洪亮,等.Ansoft12在工程電磁場上的應用[M].北京:中國水利水電出版社,2010.

Influence of Supply Frequency on the Performance of Single-Sided Linear Induction Motor

LI Bing1WANG Tiejun1MA Zhanyi2WANG Zhong1

(1. College of Electrical and Information Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033) (2. No. 91257 Troops of PLA, Zhoushan 316000)

Aiming at the influence and future control tactics of its supply frequency on performance of steel-climbing robot platform on basis of Single-Sided Linear Induction Motor, this paper simulates and calculates the supply frequency of LIM by way of finite element method Ansoft, discusses the out thrust, normal force, flux density on different parameters and the current density of the secondary back-icon, and calculates the relation between frequency and power factor of this motor. The result proves the rationality and feasibility of the model machine design, and provides a theoretical reference for the next optimization design of the model machine.

linear induction motor, supply frequency, normal force, output thrust, power factor, finite element method

2014年6月17日,

2014年7月30日

李兵,男,碩士研究生,研究方向:電機與電器。王鐵軍,男,副教授,研究方向:特種電機原理及其控制。馬戰毅,男,助理工程師,研究方向:電力電子與電力傳動。王眾,男,碩士研究生,研究方向:電機與電器。

TM359.4

10.3969/j.issn1672-9730.2014.12.038