1、 2010 年 CD AJ一C血 a 中國用戶論 基千JMAG 的無 鐵心 永 磁直線電機優(yōu)化設(shè)計 OptimalDesign ofCareless Permanent-Magnet Linear Motor Based on JMAG孫明沖郝雙暉宋益明劉吉柱 （哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，哈爾 濱 150001)摘 要 ： 針對 高速運行 時有鐵 心直線電機鐵耗 大、效率低的不足，提 出一種動磁式無鐵心永磁直線電機模型。采用專業(yè)電磁分析軟件 JMAG 對 無鐵 心 直線電 機電磁 場進行了瞬態(tài)分析計算。以電磁推力及其波動為優(yōu)化目標(biāo)，分別計算了不同電磁參數(shù)對電磁推力及其波動的影響。利用瞬態(tài)分

2、析進行電機 優(yōu)化設(shè)計，提高了電機設(shè)計的精度。 關(guān)鍵詞： 無鐵 心 直線電 機 ； JMAG; 瞬 態(tài)； 電磁 推 力；推 力波動 Abstract: According to the la rge iron loss and low efficiency defect occurred in the core l inea r motor h igh speed s i t ua t i on. Proposed a motive permanent -m agnet l i nea r coreless motor model. Tr a ns i e nt a na l ys i s an

3、d ca lcul a t ion was carried out for the electromagnetic field of coreless linear motor, which based on pr ofe ss iona l e lec t romagnet i c a na l ys i s s of twa re JMAG. Take electromagnetic thrust and itsfluctuation as the optimization ta rge t. Various e lec t roma gnet ic parma ete r sw hi c

4、h influence to the elect roma gnet ic thrust and its fl uc t ua t i o n had been ca lcul a t e d. Using transient anal ys i s method makes motor opt ima l design, improve the motor design precision.Key words:Corelesslinearmotor; JMAG;Transient; Electromagneticthrus t; Thrustfl uc tua t ion1 引言電磁發(fā)射技術(shù)

5、的基本工作原理是借助電磁力做功，將電磁能轉(zhuǎn)化成動能，完成 對物體進行 加速 以達(dá) 到發(fā)射物體的 目的 ll,2 | 。電磁 彈射 則是在電 磁發(fā) 射技術(shù)的 基礎(chǔ) 上 出現(xiàn)和 發(fā)展起 來的一 種新型 發(fā) 射技術(shù)。在 電磁 彈 射 中 ，被 發(fā)射的物 體不需要啟 動自身 的動 力裝賀 ，而是靠 彈射器的 電磁推 力為加速手段從而獲得足夠的運動能址實現(xiàn)飛機起飛f,3 4| 。從 電機 設(shè)計角 度 出發(fā) ，直線驅(qū)動電機作 為電磁彈射器中的重要組成部分，其電磁 推力特性對電 磁彈 射系統(tǒng) 有著十分重要的 影響。 因此在電 磁彈 射系 統(tǒng)中 ，大 推力、高效、 高性能的 驅(qū)動 直線 電機 一直是電 磁彈射

6、 技術(shù)研究 的關(guān)鍵 問題 團。目 前， 國內(nèi)外 已經(jīng)研究了多種用 千電磁 彈射器的 直線電 機模 型， 其中主要有感應(yīng)直線電機，永磁同步直線電機以及磁阻電機等類型。并設(shè)計了一系列大推力的驅(qū)動直線電機，但 這些研究大部分都是媒中在有電樞鐵心的模型結(jié)構(gòu)上的研究位7 | 。 由 千艦載 機速度從零開始被加速，需要較 大 的牽引力，因此在速度不是很高的情況下有鐵心結(jié)構(gòu)的驅(qū)動直線電機具有較好的應(yīng)用價值。但有鐵心直線電 機由千齒槽結(jié)構(gòu)造成了齒檔力的存在，使得電機 的推力 波動較大 。同 時，當(dāng)彈 射物體 高速運行 時， 電機鐵耗大， 電機效率受到了嚴(yán)重的影響。 本文對無鐵心直線電機進行了設(shè)計研究。通常進行

7、 電機優(yōu)化設(shè)計時， 大多數(shù)文獻 都是進行 靜態(tài) 電磁 力的有限元優(yōu)化計 算，但電機運行的過程中 ，推力是波 動的。靜態(tài)分析只 記錄了 當(dāng)前某一 工作步下的 推力值 大小， 仿真精度較低 。本 文利用有 限元軟 件 JMA G 對無鐵 心直線電機 的各個電 磁參數(shù) 進行 了瞬態(tài)優(yōu)化分析 。 2 MAG電磁分析軟 件簡介 戶一 霆二，ii. 線 電 機勻咄電機 JMAG 是應(yīng)用廣泛的專業(yè)電磁場分析軟件。可對各種電機及電磁設(shè)備進行精確 三三 ）K極發(fā)電機 ：二 二 ;.圖 I JMAG 軟件的耦合功能圖 2 JMAG 軟件分析的電機類型 的電磁場分析。實現(xiàn)靜態(tài)場、瞬態(tài)場、軸對稱場和諧波場的二維和三維

8、模型分析。1圖展示了JMAG 所具有的強大耦合功能。JMAG 的界面及其可以分析的電機種類如圖2 所示。同時， JMAG 提供了豐富的材料數(shù)據(jù)庫， 包括各型號電工鋼磁化曲線與損耗曲線， 各型號永磁體的退磁曲線。對千特殊材料，如鐵粉材料，磁滯材料以及非常 規(guī)型號等，可 自行輸入曲線數(shù)據(jù)，JMAG 均能據(jù)此進行仿真。鑒千JMAG 的專用直線電機分析 模塊，可以方便的計算電磁推力、鐵耗等。本文采用該軟件對無鐵心永磁直線電機進行優(yōu)化設(shè)計。與ANSYS、 ANSOFf 等有限元軟件一樣， JMAG 軟件的分析流程也分為： 前 處理、求解、后處理三個階段。 3 直線電機有限元模型瞬態(tài)計算分析3. 1 電機

9、模型 與有鐵心永磁直線同步電機一樣， 無鐵心永磁直線電機同樣有兩種結(jié)構(gòu)形 式： 動磁式和動圈 式。對千面向電磁彈射器用的無鐵心永磁直線電機來說，動圈式結(jié)構(gòu)需要拖著電纜一起運動，同時動子需要和彈射的艦 載機連接。這無疑給電磁彈射系統(tǒng)增加了麻煩，因此動磁式結(jié)構(gòu)在此具有更大的優(yōu)越性。將有鐵心直線電機 的電樞齒去掉，繞 組不再圍繞電樞齒繞線就得到一種無鐵心直線電機模 磁鋼列 l- 動 子?xùn)暡橇?型。電機采用媒中繞組形式，為了繞線方便， 在單個線包中設(shè)置了一塊非導(dǎo)磁的間隔板，具 體結(jié)構(gòu)如圖 3、4 所示。 ，二二二廠丿了三 ：三 三 繞組圖 3 有鐵心直線電機模型圖 4 無鐵心直線電機模型 OO屈板 3

10、.2 2 有限元模型的建立 根據(jù)直線電機的演變原理可知， 直線 電機的模 型尺寸應(yīng) 該滿足如下關(guān)系 ： Qx t = 2px-r(1)式中： Q 梢 距； t 梩距； p 極對數(shù)； t 極 距。 在 無鐵心直線電機中不存在定子齒和槽，但其演 變原理是 不變的， 同樣需滿足上述關(guān)系 式。因此在無鐵心直線電機中以虛梢數(shù)和虛梢距代替了有鐵心直線電機的楷數(shù)和梢距。JMAG 軟件支待其他繪圖軟件的導(dǎo)入模型，本文在CAD 中建模之后直接導(dǎo)入到JMAG 軟件中進行分析，提高了建模效率。單邊無鐵心直線電機采用雙層集中繞組。其模型基本參數(shù)如表1 所示。 表 1 無鐵心PMLSM 有限元結(jié)構(gòu)參數(shù)項目 相數(shù) 符號數(shù)

11、值 m虛楷數(shù) Q12楷距 15mm鐵心長 50mm極數(shù) 2p8極距 r22.5mm根據(jù)電磁場的有限元基本理論，假定電機內(nèi)磁 場及矢垃磁位沿 z 軸方向均勻分布， 則二態(tài)電磁場的 Maxwell 基本方程用矢泣磁位A 表示，其滿足準(zhǔn) 泊松方程吼 放 加 牛初 凸初（=J 。心 ） （2 )式中： Ar- A 的 Z 方向分址； 材料磁導(dǎo) 率； J o 初級電樞電流密度 ； J M 永磁體等效磁化電流 2010 年 CD AJ一C血 a 中國用戶論 密度。由變分原理，將式 ( 2 ) 的邊值 問題 轉(zhuǎn)化 為在給定求解域 Q和邊界條件上求解，得出使 能址泛函IT(Az) 達(dá)到極小值的函數(shù) Az (x

12、,y)2J Jn L 放初rr兇 ）l II 盧霆2 十均 切 Az(J。+心)dQ(3)言：的 聲- Be： ：丿勹 在 JMAG 中對導(dǎo)入的電機 CAD 模型進行設(shè)置處理， 指定直線電機各部分材料屬性、運動條件、求解參數(shù)、繞組電路、 模型剖分網(wǎng)格大小等。JMAG 軟件中采用 ICCG 算法進行迭代求解， 由磁址 失位 A 可求得電 蘭 盧言繞組A 二 二足子基體 衛(wèi)三；線。180布 如圖 6、 7 所 示 。從圖 6 和 7 可以看出法向氣隙磁密在端部磁密幅值沒有明顯下降，這說明了無鐵心直線電機在端部漏磁較少。同時，橫向氣隙磁密波形畸變比較嚴(yán)重。利用 JMAG 后處理功能得到了直線電機空載

13、磁力線分布如圖8 所示。由圖8 可 o5o4o32 1o0o1o2o3 45 _ U(Xg) _ 8 1 o o2 l 09m u 06 3 7 。 隙。以看出，由千沿磁 力線閉合 回路磁導(dǎo)相等，因此無鐵心直線電機磁力線呈對稱分布。 4 電磁推力計算與優(yōu)化分析圖橫向氣磁密曲線圖 8 無鐵心直線電機空載磁力線分布 由千電磁參數(shù)的變化對千直線電機的性能有很大影響，而推力作為直線電機最重要的一個性能指標(biāo)，因 此對推力特性進行研究顯得十分重要。本文以電機推力及其波動為優(yōu)化目標(biāo)， 分別每 次只改變個參數(shù)的情況下進行加載，加載時保持安匝數(shù)不變，得到電磁推力并計算推力波動。然后綜合考慮各種因素確定出合理 的

14、電磁參數(shù)。無鐵心直線電機的繞組高度在電磁參數(shù)變化中影響是最明顯的因素。由千銅線繞組的相對磁導(dǎo) 率和空氣近似相同。在無鐵心直線電機中， 繞組部分 相當(dāng)千 空 氣同時，在相同電密下，繞 55 , 1組高度的大小決定了所加安50 一一一一一一一一一一一 2.8 - - r - ，一一一，一一一，勹一一，一一 匝數(shù)的大小。因此繞組高度的 451-f-:, :_ _:_: :患 2.5 , - - - -:- -：一一一 1 一一一 勹一一 變 化 對 推 力大小的影響是最 ; :： :： ,-.-I J大的 。本文首先優(yōu)化 了 無 鐵 心30:： ： ： ： ： 直線電機的 繞組高度，在優(yōu) 化25I堁

15、 116.3-v-:-:-:-:- - -繞組高度和間隔寬度時保持 246810 12 14 16 18繞組商度hlmm24681012141618繞組商度hlm m電密一致。在JMAG中計算得圖9 繞組高度推 力到不同繞組高度下推力變化曲線如圖 9 所示。 圖 10 繞 組 高度推 力波動 3 直線電機推力波動的定義用最大推力與平均推力值之差在平均推力中所占的百分比來描述，即 ： 2010 年 CD AJ一C血 a 中國用戶論 m6 = F 環(huán) -F !. x 100%( 9 )Fmax + -Fnun得到推力波動隨繞組高度變化的曲線如圖IO 所示?？紤]到出力大小的同時兼顧推力波動不至千過大

16、。由9圖、 I5 5 5 5 5 5 95857565545 10 可以可知，繞組高度為 8mm時，在電密一定的 情況下推力逐漸飽和，因此選擇繞組高度為 8mmIIII9 求jt 乙比較合理。確定出繞組高度后， 在此基礎(chǔ)上依 次愷逐個變化單個線包繞組間隔、永磁體寬度、永磁體厚度、動定子基體厚度以及氣隙長度從而得到了曲線圖11 24。 由圖 11、12 看出當(dāng)加載相同電密時隨著繞組間隔的增大安匝數(shù)變少，因此推力逐漸減小并成 非線性變化。推力波動交替上升或者下降， 變化規(guī)律復(fù)1.5 2 2.5 3 3.5 4I繞組間隔dlmm圖 11 繞組間隔推力 54 尋l2 8 6 4 2 18 栥 盆 1.

17、5 3 2.5 3 3.5 4繞組間隔.d/mrn圖 12 繞組間隔推 力波動 雜 ； 圖 13 、 14 說明了隨著永磁體寬度的培加也即極弧系數(shù)的增加推力成非線性增長，并在寬為20mm時趨千飽和， 推力波動在此時也達(dá)到了最低點； 定： 兵 42蘭 383410 12 14 16 18 20 22水磁體寬度blmm 惑IIIII一勹Ir - 勹 r - -, 一IIII.J8 6 2 4 吞巖卡蘭lJO 12 14 16 18 20 22水磁體寬度 blmm圖 15 、 1 6 表 示了推力及其波動隨永磁體厚度的 變化規(guī)律。隨著永磁體厚度增加，永磁體激磁磁動 , 勢增大，推力增加。但當(dāng)永磁體厚

18、度增大為5mm 以后， 圖 13 永磁寬推 力 1+ 1+ 1- - - _1 1/ -I 7060504030201 J 卜圖 14 永磁寬推 力波動 -I r - -I r - 一,-.I,I-,-I-,-I ，一IL - .J L - _IIIIII-I I_，6 3 2 7 4 1 8 2 21 1 1 0 患推力增長速度緩慢并逐漸飽和，這說明永磁體厚度的一味增加并不能帶來推力的線性增長。反而增加了電機的制造成本。因此永磁體厚度的選擇不能過薄或者過厚。 3 85 85 85 58 5 圖 17 22 反映的是動定 子基體厚度對推力及其 乙兵蘭 I T, F ，7 23456永磁體厚度

19、g!m m圖 15 永磁厚推 力 蒂栥C 罕7 l23456永磁體厚度gl mm圖 16 永磁厚推力波動 85 85 85 85 lNfd波動和動定子輒部磁密 的影響。從分析結(jié)果可 3 IIIII52 2 51 IIIII二斗二三 IIII勹IIIII Ir - -, - -r - -,-II術(shù)III7 - - r - -, - - r - -,IIIIIIIIII III52 2 51 WJt3 “患IIIIJ 9 誡貯 1 0 罕蒂 知，動定子厚度的改變對推力及其波動幾乎沒有 造成影響。但動定子輒部空載磁密變化較大，磁密的大小影響著電機枙部 1,1_.JIIIIIIIIIIT 一一，一一，

20、一一T -7 -80 IIIII栥C 淝 7 2 0 58 11 14 17 20i 定子基體厚度dll mmll 1 0 0 0 圖 18 定子厚推力波動 上 - - -L - 上 IIII I IT-I ,-Ir-TI -7I IIII I2 5 8 11 14 17 20動子基體厚度 d2/ mm2七 圖 19 動子厚推 力 二的發(fā)熱，因此動定子的厚度不能取得太薄。 怍圖 23、24 則說明了隨 著砦 氣隙長度增大，推力及其波假0650540453035202 動都減小的變化趨勢。上述 心 1.7勹IIr - -, - - r -,- -III64 J 8 5 2 冒1.41. l 0.

21、8rt, 0.525 2 賚 。 2 mI 18 l 2 “正子 妞正醒 。- - - - -:- - - -:- -二.I,I-,-I-,-I ，一I 一 258 11 14 17 20動子基體厚度d2lmmWJta 曲線趨勢表明，推力及其波動是受多個電磁參數(shù)綜合影響的結(jié)果。選擇時要綜合考慮各個參數(shù)對電機性能的影響。最終本文選擇的優(yōu)化電磁參數(shù)如表 2 所示。 I 23456氣隙長度 Un llll圖定子 厚霆 -i - T -，一一,-,- IIIII:.: ： ：: ： ： : : - Ir - -,I - -r I - 勹 I 一 -L-1-L-1-, -I-I ,-I -I-,1- 仁

22、一一 1 一一午一 II7 - 19876543 oo f患吞栥 愷I7 2 3 4 5 6氣隙長度Imm圖 22 動子厚輒部磁密 - ,1 F0 .95:- 0.9臥 0.850.80.757 (）7 I1 0 20 30 4 0 5 0 60 70 80 90 1 00速 度 咖 u 在 JMAG 軟件中計算相同推力密度下，有鐵心和無 圖23氣隙長度拌圖功24 氣隙長度推 力波動 圖 2 5 有 鐵心 與 無鐵心直線電機效率對比 4 鐵心永磁直線電機的效率對比如圖25 所示。圖25 表明，在高速運行階段，相同 5 2010 年 CD AJ一C血 a 中國用戶論 推力密度下無鐵心直線電機的效

23、率要高千有鐵心的直線電機。 表 2 無鐵心 PMLSM 有限元優(yōu)化后參數(shù) 項目 符號數(shù)值 相數(shù) m3虛梢數(shù) Q12虛梢距 t15mm繞組高 h8mm繞組間隔 42mm永磁體寬 b20mm永磁體厚 g5mm定子基體厚 dl15mm動子基體厚 d215mm氣隙長度 入1mm鐵心長 L50mm極數(shù) 2p8極距 t22.5mm5 結(jié)論針對有鐵心直線電機在電磁彈射器高速運行時的鐵耗大、效率低的缺點，對無鐵心直線電機進行了研究。 利用專業(yè)電磁有限元分析軟件 JMAG 進行電磁場瞬態(tài)分析，以電磁推 力及其波動為優(yōu)化目標(biāo)，綜合考慮 各電磁參數(shù)對其的影響。優(yōu)化出了一臺無鐵心直線電機電磁參數(shù)。通過瞬態(tài)電磁場分析的方法進行電機優(yōu)化設(shè)計， 更能貼近電機的實際運行狀態(tài)