一种双边长初级永磁同步直线电机的推力优化设计方法技术

本发明专利技术公开了一种双边长初级永磁同步直线电机的推力优化设计方法，步骤如下：建立双边长初级永磁同步直线电机模型，设定电机次级永磁体长度的运动选项参数；再对运动选项参数用有限元方法建立有限元几何模型进行求解；通过公式计算得到次级永磁体两端边端力的优化相位差值，调整次级永磁体长度得到对应于优化相位差值的最优次级永磁体长度得到推力波动最小的双边长初级永磁同步直线电机。本发明专利技术通过削弱端部效应和齿槽效应产生的磁阻力，使推力波动达到最小；方法简单有效，计算精度高，适用于高功率密度直线电机的优化中。

A Method of Thrust Optimum Design for Bilateral Long Primary Permanent Magnet Synchronous Linear Motor

【技术实现步骤摘要】
一种双边长初级永磁同步直线电机的推力优化设计方法
本专利技术涉及直线电机
，特别是一种双边长初级永磁同步直线电机的推力优化设计方法。
技术介绍
直线电机是一种将电能直接转换成直线运动的机械能的能力装置，相比于旋转电机，它可以不需要通过中间传动等环节而直接提供直线驱动，有效完成直线传动等功能，而且直线电机具有大推力、响应速度快、刚度高，在高速时能够保证精确定位，同时还具有免维修、节能等优点。随着科学技术的不断发展，直线电机驱动技术成为数控机床、新一代电子设备等机电一体化产品中最先进的技术之一，它在工业、军事、民用等领域得到广泛的应用。双边长初级永磁直线同步电机优点是结构简单，功率因数和功率高，推力密度大，电力电子变换装置尺寸小，成本低，缺点是需要对磁场进行屏蔽，铜耗大，逆变器大功率开关器件开关频率过高，在产生相同推力时的永磁体质量较大。针对双边长初级永磁直线同步电机推力波动优化设计，已经被提出的方法有：采用初级铁心斜槽的方式抑制齿槽力，但是由于初级铁心斜槽会导致硅钢片压制工艺复杂，增加成本而且装配复杂；另一种方法是采用磁极偏移的方式降低气隙磁场的谐波分量的最大值，从而达到削弱齿槽力的目的，但是该方法常用于整数槽绕组电机，对分数槽绕组电机效果不明显。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种双边长初级永磁同步直线电机的推力优化设计方法，针对上述现有技术的不足而提供一种简单易行且计算精度高的优化设计方法，可高效快速减小由齿槽力引起的推力波动，使电机推力波动达到最小。实现本专利技术的技术解决方案为：一种双边长初级永磁同步直线电机的推力优化设计方法，具体步骤如下：步骤1、建立双边长初级永磁同步直线电机的实体模型，确定电机的基本机构参数，设定包括电机次级永磁体长度的运动选项参数；步骤2、建立有限元几何模型，对运动选项参数进行有限元求解，并根据求解后的各个运动选项参数建立有限元几何模型；步骤3、计算得到次级永磁体两端边端力的优化相位差值，调整次级永磁体长度得到对应于优化相位差值的最优次级永磁体长度，得到推力波动最小的双边长初级永磁同步直线电机。本专利技术与现有技术相比，其显著优点在于：1)本专利技术中的双边长初级永磁同步直线电机的推力优化设计方法可实现电机在保持初级尺寸不变的前提下，优化了次级永磁体长度，改善了边端效应，改变了气隙大小以提高气隙磁场分布正弦性，改善了绕组线圈反电动势波形的正弦性，同时对电机的齿槽尺寸的配合进行了优化，削弱齿槽效应，从而削弱了由端部效应和齿槽效应产生的磁阻力，使推力波动达到最小，使得电机力密度增强，达到功率密度加大的效果。2)采用计算机有限元分析方法对电机进行精确分析，求的精确解，不仅简单有效，而且计算精度高，能有效克服电机磁路复杂导致集中参数计算不精确、以及参数之间相互耦合导致参数优化困难等问题，提高了驱动器电子器件工作寿命；可用于高速领域的工程化，有广阔的应用前景。附图说明图1是本专利技术双边长初级永磁同步直线电机的推力优化设计方法的流程图。图2是本专利技术的双边长初级永磁同步直线电机轴向剖面图。图3是本专利技术的双边长初级永磁同步直线电机有限元几何模型图。图4是本专利技术的双边长初级永磁同步直线电机磁阻力示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作出进一步详细说明。本专利技术一种双边长初级永磁同步直线电机的推力优化设计方法，首先建立电机的实体模型，根据实际具体工程需要，确定电机的基本结构参数，经有限元计算分析得到有限元几何模型，然后选择影响电机推力波动的结构参数进行优化，通过有限元方法优化次级永磁体长度，最终得到较优的结构参数，设计出推力波动最小的双边长初级永磁同步直线电机。本实施例中以一个双边长初级永磁同步直线电机为例。结合图1，一种双边长初级永磁同步直线电机的推力优化设计方法，方法步骤如下：步骤1、建立双边长初级永磁同步直线电机的实体模型。参见图2，双边长初级永磁同步直线电机包括初级铁心定子1和次级永磁体3，在初级铁心定子1上绕有初级绕组2，初级绕组2采用的是集中式电枢绕组。次级上固定永磁体3和铝合金支撑架4，永磁体采用高剩磁、高矫顽力、高磁能积的钕铁硼稀土永磁材料，在永磁体3轴向充磁，且各个永磁体3极性相反地依次排列，相邻的永磁体3间以不导磁材料的铝合金支撑架4隔开。双边长初级永磁同步直线电机在初级绕组2产生的气隙行波磁场和励磁磁场的共同作用下，气隙行波磁场对次级永磁体3产生电磁推力。在这个电磁推力的作用下，初级就沿着气隙行波磁场的运动方向做直线运动，即永磁体3沿着x轴运动。由于双边长初级永磁同步直线电机为长初级铁心定子1、短次级、轴对称结构，因此可以忽略掉电机的切向电磁分布，而只考虑沿轴向的电磁分布。为此，只需根据实际电机尺寸，对其轴向剖面进行实体建模。在建立实体模型后，确定电机的基本结构参数，设定各初始值及次级永磁体3长度，为模型的各个部件作定义以及分配材料，再设定激励源参数，加载边界条件，设置运动选项参数，该运动选项参数包括了次级永磁体3长度变量。步骤2、建立有限元几何模型。对设置的运动选项参数用有限元方法进行求解。所谓的有限元方法，就是把具有无限点连续介质的结构或场离散为有限节点连接成的有限单元来分析，离散化是通过网络剖分来实现的，把原来只在无限小的微元上成立的物理量之间的关系用有限元的单元关系近似。本专利技术就是将所求解区域作三角形单元剖分，运用边界原理建立线性代数方程组；求解线性代数方程组，将这些三角形的单元的小区域的求解结果总和起来得到整个区域的解。有限元分析的过程是由计算机来完成，由计算机来进行计算，得到求解后的各个运动选项参数，根据求解后的各个运动选项参数建立如图3所示的有限元几何模型，在有限元几何模型中，可通过选项设定查看力的大小以及观察磁路特征，获得磁感应强度分布情况等。步骤3、优化次级永磁体3长度。由于电机次级是两端开断的长直型，引起各相绕组互感不相等，以及电机脉振磁场、反向磁场的存在，引起了静态纵向端部效应。它与齿槽效应合称磁阻力效应，因此，双边长初级永磁同步直线电机的水平推力波动主要由端部效应的边端力和齿槽效应的齿槽力造成的。如附图4所示是建立在有限元几何模型的磁阻力，双边长定子初级永磁同步直线电机磁阻力是由次级永磁体3左边端力Fl(x)和右边端力Fr(x)组成的，是在开路磁场时所受到的推力，边端力随着永磁体3边缘和初级铁心定子的相对位置变化而变化，为两端边端力的总和。次级永磁体3长度决定两力的相位变化，因此调节次级永磁体3长度，使两边端力相互抵消，就达到了减小磁阻力的目的。次级永磁体3在不同位置所受到的推力是不一样的，但在相同位置两端受力的性质、条件和幅值完全一样，仅是方向相反，即右端力Fr(x)为正，而左端力Fl(x)为负，同时存在着相位差δ，相位差取决于次级永磁体3长度，边端力Fl(x)和Fr(x)展开为如下的傅里叶级数：其中τ是极距，F0、Fsn、Fcn为常数，n＝1,2,3,…，x为有限元几何模型坐标系统的x轴。上述有限元几何模型坐标系统是基于有限元几何模型的坐标系统，其中有限元几何模型中心点为原点，x轴为自原点沿着纸面的水平方向。次级磁阻力Fs(x)为：由式可知合成磁阻力与相邻永磁体3长度密切相关，因此可选择合适的长度来减小磁阻力，从而达到削弱推力波动的目的，磁本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双边长初级永磁同步直线电机的推力优化设计方法，其特征在于，步骤如下：步骤1、建立双边长初级永磁同步直线电机的实体模型，确定电机基本结构参数，设定电机次级永磁体长度的运动选项参数；步骤2、对运动选项参数采用有限元方法进行求解，根据求解后的各个运动参数建立有限元几何模型；步骤3、基于有限元几何模型，通过公式

【技术特征摘要】
1.一种双边长初级永磁同步直线电机的推力优化设计方法，其特征在于，步骤如下：步骤1、建立双边长初级永磁同步直线电机的实体模型，确定电机基本结构参数，设定电机次级永磁体长度的运动选项参数；步骤2、对运动选项参数采用有限元方法进行求解，根据求解后的各个运动参数建立有限元几何模型；步骤3、基于有限元几何模型，通过公式计算得到次级永磁体两边端力Fl(x)和Fr(x)的优化相位差δ值，调整次级永磁体长度wp＝τ-δ得到对应于优...

【专利技术属性】
技术研发人员：池松，颜建虎，宋同月，周怡，冯创，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32