基于ANSYS8.0的永磁直线电机的有限元分 析及计算 学生姓名：指导教师： 浙江工业大学信息工程学院电气工程系 摘要 永磁直线电机是一种具有很高定位精度的新型电机。不同与其他励磁的直线电机，它采用永磁体作为励磁源。研究其磁场分布及力特性具有重要意义。相对于传统的解析法，有限元数值分析可以缩短电机的设计周期及减少设计成本，可对直线电机的磁场及力得出精确的分析。ANSYS8.0是一种在工程中广泛使用的有限元分析软件，采用该软件中的电磁场分析功能对永磁直线电机的磁场进行有限元的分析和计算，并在此分析的基础上对永磁直线电机的力场做进一步的计算和分析，对永磁直线电机的设计具有重要的工程意义。 通过电磁场的有限元数值分析方法，利用通用有限元分析软件ANSYS8.0建立平板型单边永磁直线电机的有限元模型，分析其2维静态磁场，得到初步的分析结果，并在这个分析的基础上对永磁直线电机的力场进行了进一步的分析，计算直线电机的推力和法向力，结合永磁直线电机的静态磁场，研究了永磁直线电机推力及法向力和电流变化的相互关系，对今后永磁直线电机的设计和研究具有一定的参考意义。 关键词 永磁直线电机、有限元、ANSYS、电磁场、推力、法向力 - i -
Finite Element Analysis and Calcultation of a Permanent Magnet Linear Motor Based on ANSYS8.0 Student: Chen Shen Advisor: Peiqiong Yu Department of Electric Engineering College of Information Engineering Zhejiang University of Technology Abstract The permanent magnet linear motor is a kind of new electrical engineering that has the very high fixed position accuracy.The differents between the permanent linear motor and the type of non-permanent is that it adopts thepermanent be the source of dlux Opposite in traditional resolution method,Finite element analysis can shorten the design period of the electrical engineering and reduce to the design cost,it also can get the analysis of a precision tu the magnetic field and fotce of the linear motor the ansys8.0 is a finitr element analvtical software. Throught the method of the Finite element for the electromagnetic analysis,we use ANSYS8.0 creat a model for the Permanent magnet lineat motor with finite element method.We analysis its 2-D setaic magnetic and get the first result. Then we analysis the force field by finish the analysis of its magetic field We calaulate the thrust and normal force combining the analysis of the permanent magnet linear motor,study the relationship between thecurrent and thrust,normal force.The work for this paper can give some help and advice to the study and design of the permanent linear motor Keywords PMLSM, ANSYS, FEM,Electromagnetic field, thrust, normal force - ii -
喏名L 乃农别名阄2018,45 (2)研究与设计I EMCA U 型无铁心永磁同步直线电机磁场建模与分析 李争"，张家祯"，王群京2 (1.河北科技大学电气工程学院，河北石家庄 050018; 2.安徽大学高节能电机及控制技术国家地方联合工程实验室，安徽合肥230601) 摘要：传统的铁心式直线电机由于铁心开断的影响，造成了横向和纵向边端效应，使推力输出波动较 大;无铁心 直线电机 槽 的优点，结构简单，控制灵活。采两种 铁心 直线电机 的问题， 和 电 ， 采 电机 ， 验 计算的 。 电机 的影响。 电机 ， 了 优化设计，为 电机的设计与 了 。 关键词：无铁心"直线电机；磁场分析；解析法"有限元法中图分类号： TM 351 文献标志码：A 文章编号：1673-6540(2018)02-0075-06 Magnetic Field Modeling and Analysis of U-Shaped Ironless Permanent Magnet Synchronous Linear Motor * Ll Zheng 1， ZHANG Jiazhen 1， WANG Qunjing 2 (1. School of Electrical Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuan 2. National Engineering Laboratory of Energy-saving M otor & Control Technique，Anhui University ， Hefei 230601，China ) Abstract : Due t o the influence of tlie core breaking ，the traditional iron core linear motor had the end-effect of lateral and vertical side ，which m ade the output of the thrust line fluctuate greatly. The ironless permanent magnet synchronous linear motor has the advantages of zero slot effect ， simple structure and flexible control. Based on the analysis of air gap magnetic field ironless permanent magnet synchronous linear motor problems by using two kinds of analytical method ，namely e quivalent magnetic potential method and the equivalent magnetizing current method ，and the finite element analysis of the magnetic field using the finite element method. The analytical m field analysis was verified to be accurate. By changing the motor parameters ，the optimization design was achieved ， which provided the r eference for the design and analysis of same kind of motors. Key words : ironless ; linear motor ; magnetic field analysis ; analytical method ; finite element method 0 ^ * 更小、效率更高，系统的精度、稳定性和响应速度0 能 优越。齿槽 和端 直线电机把电能直 成直线推 于铁心式 直线电机中，会造成电机动态动力能的 ，与传统的 电 机 ，直线电机 能差、振动 高、系统 ，影响电机 传动 ， 统结构更简单、 和 [1]; 铁心 直线电 *基金项目：国家自然科学基金项目（51577048,51637001，51107031);河北省留学人员科技活动项目择优项目（C 2015003044);高节 能电机及控制技术国家地方联合工程实验室开放课题基金项目（ K F K T 201601) 作者简介：李争（1980—），男，博士，教授，硕士生导师，研究方向为特种电机及其控制。 张家祯（1993—），女，硕士研究生，研究方向为直线电机设计与控制技术。王群京（I 960—），男，博士，教授，博士生导师，研究方向为电机及其控制技术。 一 75 —
第29卷第9期中国电机工程学报V ol.29 No.9 Mar.25, 2009 98 2009年3月25日 Proceedings of the CSEE ?2009 Chin.Soc.for Elec.Eng. 文章编号:0258-8013 (2009 09-0098-06 中图分类号:TM 351;TM 359 文献标志码:A 学科分类号:470?40 永磁直线电机精确相变量建模方法 曾理湛1,陈学东1,李长诗2,农先鹏1,伞晓刚1 (1. 数字制造装备与技术国家重点实验室(华中科技大学,湖北省武汉市 430074; 2. 郑州轻工业学院机电工程学院,河南省郑州市 450002 Accurate Phase Variable Modeling of PM Linear Motors ZENG Li-zhan1, CHEN Xue-dong1, LI Chang-shi2, NONG Xian-peng1, SAN Xiao-gang1 (1. State Key Laboratory of Digital Manufacturing Equipment & Technology (Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, Hubei Province, China; 2. College of Mechanical and Electrical Engineering, Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou 450002, Henan Province, China ABSTRACT: This paper proposes a general finite element (FE based phase variable modeling method of permanent magnet (PM linear motors for the accurate dynamic simulation of drive systems. A general phase variable model of PM linear motors is established taking account of the effects of the nonideal geometrical structure on the thrust force, in which the mover position dependent variables are obtained from FE
2009年第1期 唐丽婵,等:基于LabVIEW 的无线远程温度监控系统 25 文章编号:1674-540X(2009)01-025-07 收稿日期:2009-01-15 作者简介:王振滨(1973-),男,博士研究生,主要从事分数阶线性系统和电气传动方面的研究工作,E mail:wangzhenbing@https://www.doczj.com/doc/b26932691.html, 直线电机开发及应用研究 王振滨1, 余鹿延2, 周守国3 (1.上海电气集团股份有限公司中央研究院,上海200070; 2.上海赛科现代交通设备有限公司,上海200023; 3.上海捷晟电机有限公司,上海200075) 摘 要:介绍了直线电机国内外的发展现状,指出永磁同步直线电机将是直线电机今后的发展方向。阐述了永磁同步直线电机的磁阻力产生的原因及其造成的推力波动对永磁同步直线电机控制性能的影响,并归纳出减小磁阻力的方法。最后简要介绍了上海电气中央研究院在开展永磁同步直线电机研究及应用的情况。 关键词:永磁同步直线电机;磁阻力;控制;开发与应用中图分类号:T M 33 文献标识码:A The Development and Application Research of Linear Motors W A N G Zhenbin 1 ,YU L uyan 2 ,ZH O U S houguo 3 (1.Shang hai Elect ric Group Co.Lt d.Cent ral A cademe,Shang hai 200070,China;2.Shanghai SEC M odern Traffic Equipment Co.Ltd.,Shanghai 200023,China; 3.Shanghai Jie Sheng M ot or Co.,Ltd.,Shanghai 200075,China) Abstract:It intro duces the up to date researches o f linear mo to rs hom e and abro ad,and points out permanent magnet linear synchronous m otors (PMLSM )w ill be the development dir ectio n of linear motor s in the future.T he r easo ns orig inated fr om detent for ce of PM LSMs are illustrated as w ell as the influences of the thrust force r ipple caused by it on the control per for mances of PM LSMs,and the methods o f reducing detent force is summed up.Finally,a brief introduction is g iven of the researches and applications of PM LSM s made by Shanghai Electr ic Gr oup Co.Ltd.Centr al A cademe. Key words:PM LSM;detent force;contr ol;development and applicatio n 1 直线电机国内外研究现状 1.1 快速发展的永磁直线电机技术 永磁直线电动机具有结构简单、体积小、无电 励,效率高、单位推力大等优点,随着稀土永磁材料、电磁场数值计算与分析、智能控制理论以及计算机技术的不断发展,永磁直线电动机的发展越来越快,己成为学术研究和开发应用的热点。永磁直
第10卷 第1期2006年1月 电 机 与 控 制 学 报 EL EC TR IC MACH I N ES AND CON TROL Vol 110No 11Jan .2006 一种微小型永磁直流直线电机 王坤东, 颜国正 (上海交通大学电信与电气工程学院820所,上海200030) 摘 要:针对永磁直流直线电机的微型化问题,提出了近似拼接的设计方案,优化了结构参数,并 加工出样机进行了试验。在尺寸所限下,该电机使用多个长方体永磁块拼接的正八边形来近似逼近全径向磁化管形磁铁励磁。利用有限元分析软件Max W ell910优化了气隙和磁铁厚度等结构参数。对样机进行了试验分析,结果表明电机驱动力和电流呈线性关系,在整个行程中,输出力均匀,驱动力在电流01004A 时可达0172N,线圈温度在5516°C 。关键词:微小型;永磁;直线电机;有限元优化 中图分类号:T M351 文献标识码:A 文章编号:1007-449X (2006)01-0070-04 A m i n i a ture per manent magnet li n ear DC motor WANG Kun 2dong, Y AN Guo 2zheng (School of Electrical and I nf or mati on Eng .,Shanghai J iaot ong Univ .,Shanghai 200030,China ) Abstract:This paper p resented a method based on j ointed per manents for m iniature of DC linear mot or .Structural para meters were op ti m ized .Pr ot otype was manufactured t o make s ome experi m ents .Under the constraint of m icr o di m ensi on,several rectangular per manent magnets were j oined t o be octagon,whose field app r oaches the filed of tube 2shaped per manent magnetized at radial directi on .Based on the FEA s oft w are Max W ell 910,the structural para meters such as dep th of air gap and per manent magnet were op 2ti m ized .The characters of mot or are analyzed thr ough experi m ents .Research de monstrates that driving f orce is p r oporti onal with the current,and driving force is stable in the whole str oke,and driving force reaches 0172N when the current strength is 01004A ,and the te mperature of coil rises t o 5516°C .Key words:m iniature;per manent;linear mot or;FE op ti m is m 收稿日期:2004-10-21;修订日期:2005-06-15 基金项目:国家高技术研究发展计划(863)资助项目(2001AA422210) 作者简介:王坤东(1978-),男,博士研究生,研究方向为微型特种机器人; 颜国正(1960-),男,博士后、教授、博士生导师,研究方向为特种机器人、仿生机械。 1 引 言 在微小空间进行作业的行走机构,如工业细小管道或人体消化道的检测机器人等,要求直径在10～15mm 之间,同时对驱动技术也提出了新的要求, 如驱动力大、控制方便、可靠等[1,2] 。微型旋转电机受尺寸的限制,加上将旋转运动变为直线运动的中间机构也占有一定空间,因此将外形尺寸控制在直径为10mm 以下比较困难 [3] 。压电驱动器行程较 短,一般都是在μm 量级,存在如何将位移进行放大 的问题,而且驱动力很难控制[4] 。形状记忆合金驱动器由于记忆合金的加热变形—冷却回复的时间较 长,因此速度较慢[5] 。直线电机是近年来出现的一种新型驱动技术,它将电能直接转换为直线运动的机械能,不需要运动转换的中间机构,因此结构尺寸上能够进一步减小。直线电机种类繁多,其中永磁直流直线电机由永磁励磁,结构简单,控制方便。从现有的产品看,还没有出现直径在10mm 以下的圆
结构参数对直线电机性能的影响 文章主要以扁平型短次级长初级直线感应电机为分析对象。文章采用有限元分析软件Ansoft对铜钢复合次级直线电机进行仿真研究，分别分析了气隙大小、次级铁轭厚度、铜层厚度对电机性能的影响。对直线电机的设计开发有一定的帮助。 标签：直线感应电机；铜钢复合次级；Ansoft 直线电机由于可以直接产生直线运动，省去了由旋转运动转化为直线运动繁琐的中间传动机构，可以替代机械机构用于直线传动[1]。直线电机结构简单、速度快、控制精度高，在直线传动领域的应用越来越广泛。 1 有限元分析 考虑到直线电机的运动速度比较低，可以使用缓慢直线运动导电媒质中的电磁场方程[2]进行研究： （1） 式中，、、分别为X、Y、Z轴的单位矢量，为外加电流密度复振幅矢量，为矢量磁位复振幅矢量，、、为三个坐标轴的矢量磁位的复振幅的分量，？滋0为空气磁导率，？酌为次级导电板（铜层）的电导率，？棕为供电电源的角频率，v为次级运动速度，涡流场分析时速度为0。 以X-Y平面为二维场仿真，Y方向为次级运动方向。电流只在Z轴方向流动，所以，，（1）式可简化為： 式中，？琢=，？子为极距。 2 仿真模型建立 本文用涡流场与瞬态场结合的方法对直线电机进行分析，涡流场可以仿真稳态情况，瞬态场可以仿真动态情况并能获得Fs曲线。对直线电机的模型进行仿真时为了减小纵向端部效应的影响，本文采用了6极电机，当电机极数大于或等于6时静态纵向端部效应的影响可以忽略不计[2]。初级、次级铁轭均采用硅钢片，可以认为电导率为0，不需要考虑涡流与磁场透入深度的影响。图1为直线电机仿真模型，为了简化分析，将电机设计为无槽电机。无槽电机相当于将气隙变大，对于本文的研究不存在影响。 3 仿真结果与分析 3.1 气隙大小对电机性能的影响
摘 要 直线电机在各行各业中发挥着越来越重要的作用，特别是在机床进给驱动系统中。本 文以平板式交流永磁同步直线电机为研究对象，从电机机体到伺服驱动系统的软、硬件设 计作了深入研究。 本文首先介绍了交流永磁同步直线电机机体设计过程中电枢绕组、铝芯和定子磁钢的 设计和改进方法，较大程度上减小了推力波动，并且结合大推力直线电机的特点设计了方 便有效的装配过程。 建立交流永磁同步直线电机的数学模型，在此基础上分析了当今最通用的伺服控制策 略，选择了矢量控制方法。确定0 d i 的矢量控制实现形式。通过SVPWM 方法进行脉宽调 制，合成三相正弦波。选用TI 公司2000系列最新DSP TMS320F2812，深入研究了以上算法 在DSP 中的实现形式。采用了C 语言和汇编语言混合编程的实现方法。在功率放大装置中， 以智能功率模块IPM 为核心，设计了功率伺服驱动系统。还包括电流采样、光电隔离、过 压欠压保护和电源模块等。 由于知识和能力的限制，本次课题只对直线电机做一些理论研究。 关键词：永磁同步直线电机 DSP SVPWM 矢量控制
Abstract Line motors are playing a more and more important role in all kinds of trade , especially in machine tool feed system. We carry out our study in motor , software and hardware servo system based on flat AC permanent magnet synchronous linear motor(PMSLM). First introduce the design method of armature ,core of al and magnet which can minish the thrust ripples, then introduce the means of assembly base on high thrust permanent magnet synchronous motors. To ensure the accuracy to a high requirements and get a wide speed range, we choose the dsp of Texas Instruments named TMS320F2812 which is the core of the servo system .In the paper we set up mathematical model of PMSLM, then analyse the current control strategies and choose the vector control method which is realized by the method of 0 d i .The three phase sine wave is compounded by space voltage pulse width modulation(SVPWM).The arithmetic realized by C language and assembly language in DSP. Intelligent Power Model (IPM) is the core of the power amplification circuit system which also contains current sampling circuit, photoelectric-isolation circuits, over-voltage protection circuits, under-voltage protection circuits and power supply. As a result of the knowledge and ability limit, this topic only does a fundamental research to the linear motor. Key words: permanent magnet synchronous linear motor(PMSLM), DSP, SVPWM, vector control
交流永磁同步直线电机介绍及其控制系统设计 制造业中需要的线形驱动力，传统的方法是用旋转电机加滚珠丝杠的方式提供。实践证明，在许多高精密、高速度场合，这种驱动已经显露出不足。在这种情况下直线电机应运而生。直线电机直接产生直线运动，没有中间转换环节，动力是在气隙磁场中直接产生的，可获得比传统驱动机构高几倍的定位精度和快速响应速度。 本文是在我系研制的同步直线电机基础上进行基于矢量变换控制的驱动系统设计应用。 2. 交流永磁工作原理 直线电机的工作原理上相当于沿径向展开后的旋转电机。交流永磁同步直线电机通入三相交流电流后，会在气隙中产生磁场，若不考虑端部效应，磁场在直线方向呈正弦分布。行波磁场与次级相互作用产生电磁推力，使初级和次级产生相对运动。图1所示为开发设计的交流永磁同步直线电机。 3. 永磁同步直线电机矢量控制原理 由于矢量控制动态响应快，相比较标量控制，在很快的时间内就能达到稳态运行。经过30多年工业实践的考验、改进与提高，目前已经达到成熟阶段[3]，成为交流伺服电机控制的首选方法。因此，直线电机采用了交流矢量控制驱动的方法。
直线电机初级的三相电压（U、V、W相）构成了三相初级坐标系（a，b，c 轴系），其中的三相绕组相角相差120?，即在水平方向上互差1/3极距。参照旋转电机矢量变换理论，设定两相初级坐标系（α-β轴系），由三相初级坐标系到直角坐标系转换称为Clark变换，见式（1）。 从静止坐标系到旋转坐标系的变换称为Park变换，见式（2）。反之称Park 逆变换。 θ是d轴与轴的夹角。根据旋转电机的Park变换理论和两电机结构比较。由于电机运动部分的不同，故直线电机动子相当于旋转电机定子，直线电机定子相当于旋转电机动子。所以在旋转电机中旋转坐标系固定在动子上，旋转坐标系随着电机转子一起同步旋转。在直线电机中，由运动相对性原理，动子的直线运动，
本文1996年12月10日收到 煤炭科学基金项目(94电10817) 综 述 稀土永磁材料及其在直线电机中的应用展望 焦留成 禹 沛 禹 涓 (焦作工学院 焦作454000) (焦作教育学院 焦作454151) (焦作工学院 焦作454000) Prospects for Rare -earth Permanent Magnet Materials and their Application in Linear Motors J iao L iucheng (Jiaozuo Institute of T echnolo gy ,Jiaozuo 454000)Yu P ei (Jiaozuo Educational Colleg e ,Jiao zuo 454151) Yu J uan (Jiaozuo Institute of T echno logy ,Jiaozuo 454000) 【摘 要】 介绍了稀土永磁材料的发展、磁性能及其在直线电机中的应用,指出稀土永磁直线电机将成为直线电机的一个重要发展方向。 【关键词】 稀土永磁材料 直线电机 永磁直线电机【Abst ract 】 Rar e -ear th perma nent magnet mater ials'development,per for mance and applicatio n in lin-ear mo tor s is intr oduced.Rar e -eart h per manent magnet linear mo to rs w ill be an impo rtant dev elo pment t rend of linear mo tor s . 【Keywords 】 rar e -eart h permanent magnet mater i-als linear moto rs perma nent mag net linear mo tor s 1前 言 稀土永磁材料以其优异的磁性能得到了广泛 的应用和开发。其中钕铁硼永磁材料尤以价格相对低廉,日益成为应用最广泛的稀土永磁材料。在钕铁硼永磁材料中,将近40%被用于电机行业。由于直线电机的应用范围不断扩大,稀土永磁材料在直线电机方面的应用也日益受到重视。稀土永磁材料在直线电机方面的应用,有着广阔的前景。 2稀土永磁材料 2.1稀土永磁材料的发展 永磁材料属基础材料,目前有铝镍钴金属永磁,铁氧体永磁和稀土永磁三大类。稀土永磁是稀土元素(镧、镨、钇、钐、镐……)与铁族元素的金属间化合物。第一代稀土永磁合金(SmCo 5)诞生于 60年代后期,70年代第二代稀土永磁合金(Sm 2Co 17)问世。这两种永磁材料虽然磁性能好,但 钐与钴价格昂贵,限制了它们的应用。1983年6月,日本住友特殊金属公司制成了第三代稀土永磁合金(NdFeB)。钕铁硼永磁材料具有优异的磁性能,同时由于钕资源丰富,又以廉价的铁代替钴,所以其价格相对低廉,市场竞争力强,便于推广应用。钕铁硼永磁材料的问世被列为1983年世界十大重要科技成果之一。 2.2钕铁硼永磁材料的磁性能 钕铁硼永磁材料的磁性能优异,兼有铝镍钴和铁氧体永磁的优点,具有很高的剩磁和矫顽力,以及很大的磁能积。目前,常用的稀土永磁材料的磁能积,Sm Co 5为127.36～183.08kJ/m 3,试验最高值达227.7kJ/m 3 ;Sm 2Co 17为159.2～238.8kJ/m 3 ,试验最高值达263kJ /m 3,NdFeB 为238.8～318.4kJ /m 3;试验最高值415.5kJ /m 3。在各种永磁材料中,钕铁硼的磁能积最高,其最大磁能积比铝镍钴的大5～8倍,比铁氧体大10～15倍,在同样的有效体积下,比电励磁的大5～8倍,仅次于超导励磁。 钕铁硼磁钢的剩磁B r 和矫顽力H c 均很高。商品钕铁硼的B r 为1.02～1.25T ,最高可达14.8T ,约是铁氧体永磁的3～5倍,约是铝镍钴永磁的1～2倍。商品钕铁硼的磁感应矫顽力H CB 为764.2～915kA/m ,内禀矫顽力H CM 为876～1671.6kA /m ,最高可达2244.7kA /m ,相当于铁氧体的5～10倍,铸造铝镍钴的5～15倍。各种永磁材料的 32 微特电机 1997年第2期
(一) PMSM 的数学模型 交流电机是一个非线性、强耦合的多变量系统。永磁同步电机的三相绕组分布在定子上，永磁体安装在转子上。在永磁同步电机运行过程中，定子与转子始终处于相对运动状态，永磁体与绕组，绕组与绕组之间相互影响，电磁关系十分复杂，再加上磁路饱和等非线性因素，要建立永磁同步电机精确的数学模型是很困难的。为了简化永磁同步电机的数学模型，我们通常做如下假设： 1) 忽略电机的磁路饱和，认为磁路是线性的； 2) 不考虑涡流和磁滞损耗； 3) 当定子绕组加上三相对称正弦电流时，气隙中只产生正弦分布的磁势，忽略气隙中的高次谐波； 4) 驱动开关管和续流二极管为理想元件； 5) 忽略齿槽、换向过程和电枢反应等影响。 永磁同步电机的数学模型由电压方程、磁链方程、转矩方程和机械运动方程组成，在两相旋转坐标系下的数学模型如下： (l)电机在两相旋转坐标系中的电压方程如下式所示: d d s d d c q q q s q q c d di u R i L dt di u R i L dt ωψωψ?=+-????=++?? 其中，Rs 为定子电阻；ud 、uq 分别为d 、q 轴上的两相电压；id 、iq 分别为d 、q 轴上对应的两相电流；Ld 、Lq 分别为直轴电感和交轴电感；ωc 为电角速度；ψd 、ψq 分别为直轴磁链和交轴磁链。 若要获得三相静止坐标系下的电压方程，则需做两相同步旋转坐标系到三相静止坐标系的变换，如下式所示。 cos sin 22cos()sin()3322cos()sin()33a d b q c u u u u u θθθπθπθπθπ?? ?-????? ??=--- ? ???? ???? ?+-+? ? (2)d/q 轴磁链方程： d d d f q q q L i L i ψψψ=+???=?? 其中，ψf 为永磁体产生的磁链，为常数，0f r e ωψ=，而c r p ωω=是机械角速度，p 为同步电机的极对数，ωc 为电角速度，e0为空载反电动势，其值为每项 倍。
永磁同步直线电机矢量控制系统中初始寻相和电角度的测定 摘要：介绍了永磁同步直线电机的结构。根据矢量控制的特点和要求，提出了一种基于增量式位置传感器的初始寻相和电角度测量方法，并经试验加以验证。 关键词：初始寻相；电角度测定；矢量控制；永磁电机；同步电机；直线电机；实验 O 引言 永磁同步交流直线电机由于其行程长、推力大、响应快等优点，在机械装备中越来越受到重视。 永磁交流直线电机系统存在多个电磁变量和机械变量，在这些变量之间存在较强的耦合作用。为了提高控制效果，获得良好的动态调速特性，矢量控制技术成为永磁直线电机系统中重要的控制手段。 对于永磁同步直线电机矢量控制系统，初始寻相和电角度的测量是影响系统性能的关键之一”如果系统上电时无法精确测定电机的初始相位或者在运行时不能精确测定电机的电角度，系统将无法正确完成直线矢量控制的一系列算法，导致直线电机运动混乱，甚至无法起动。本文针对这个问题，提出了一种基于增量式位置传感器的初始寻相和电角度测量方法。 1永磁同步直线电机及其矢量控制系统 根据永磁体的安装位置，永磁同步直线电机分为表面磁极型和内部磁极型。用于伺服目的的一般采用表面磁极的结构；其凸极效应很弱，气隙均匀且有效气隙大。图1为其结构简图。 在定子表面交错排列着不同极性的铷铁硼磁体。 对于永磁同步旋转电机，矢量控制的中的d轴方向沿着转子上永磁体的磁极方向，q轴超前d轴90。 电角度。永磁同步直线电机可以看成是将永磁同步旋转电机沿轴向剖开而形成的。据此可以确定永磁同步直线电机的d轴和q轴的位置，如图1所示，电角度θ就是d轴和q轴间的夹角。
永磁同步直线电机的矢量控制系统的完薹结构则如图2所示。矢量控制一般采用id=O的控制策略，即控制初级电枢电流矢量在d—g坐标系中的d轴分量为零。此外由于电机的d轴和q轴电压分量仍然存在耦合，需要采用前馈补偿的方法进行接耦。由图2可以看出，电角度θ主要用在2s／二R和2R／2s 变换中。由此可见，直线电机在起动对的初始相位以及在运行时的电角度，是实现矢量控制的重要参数。两参数能否精确测定，关系到矢量控制系统能否实现。 2 电机初始寻相的实现 直线电机在起动时，动子的位置具有不确定性。直线伺服系统中一般采用增量式光栅尺作为位置传感器，无法确定动子的绝对位置及电机的初始相位角。对于直线伺服系统一般还需要一个确定的机械零点；对于增量式系统，每次上电后都需要进行回零点操作，之后才能建立起坐标系统。 为了让直线电机有一个确定的机械零点，可以在直线电机端部安装一个接近开关，并保证在接近开关能检测到的范围内光栅尺有一个z轴脉冲。将光栅尺的z轴脉冲和接近开关的输出信号进行逻辑与，用
5.1直线电机二维静态磁场分析 为了简化分析过程，假设本文分析模型边界上没有漏磁（即磁通量与边界平行）。原有直线电机的外铁芯是分成两块，现在合并成一块可以减小漏磁通，改善了直线电机的性能。原有装配图中直线电机的磁回路比较复杂，为分析方便将其简化为二维轴对称模型。二维静态磁场的有限元分析有以下几个步骤： 1.创建物理环境 2.建立模型，对模型的不同区域赋材料特性，划分网格 3.施加边界条件和载荷 4.求解 5.后处理（查看计算结果） 5.1.1创建物理环 境 从主菜单中选择Main Menu：Preference命令，将打开Preference of GUI Filtering （菜单过滤参数选择）对话框，选中Magnetic-Nodal复选框，单击OK按钮确定。 图5-1 菜单过滤参数选择Fig. 5-1 Preference of GUI Filtering
定义单元类型和选项：根据论文分析模型的结构选择Vect Quad 4node13单元表示所有区域，包括铁芯、线圈、线圈骨架及空气（如图5-2）。相应操作为：Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/delete>Add 。文中把磁路模型简化成二维轴对称来分析，所以在单元类型选项中选择轴对称，如图5-3所示： 5.1.2 磁路模型的建立及网格划分 定义材料特性：直线电机内部结构比较复杂，由多种材料构成，如内铁芯、外铁芯、线圈、线圈骨架、空气等。在有限元求解过程中为了考虑实际材料特性的影响，需要对直线电机内部不同面域设置并分配相应的材料属性（如图5-4）: 1.线圈骨架（YL12）：相对磁导率MURX=l.0； 2.线圈（铜漆包线）:相对磁导率MURX=l.0； 3.空气：相对磁导率MURX=l.0； 4.内铁芯和外铁芯（工业纯铁DT4）：B-H 磁化特性曲线（如图5-5，5-6所示）。 图5-2 定义单元类型 Fig. 5-2 Define element type 图5-3 单元类型选项 Fig. 5-3 The options of element type 图5-4 定义材料特性 Fig. 5-4 Defining materials performances 图5-5 纯铁（DT4）磁化曲线 Fig. 5-5 Magnetization curve of pure iron
摘要 直线感应电机可以认为是旋转电机在结构方面的一种变形，它可以看作是一台旋转电机沿其径向剖开，然后拉平演变而成。在直线感应电机中，相当于旋转电机定子的，叫初级；相当于旋转电机转子的，叫次级。直线感应电机的工作原理：当初级绕组通入交流电源时，便在气隙中产生行波磁场，次级在行波磁场切割下，将感应出电动势并产生电流，该电流与气隙中的磁场相作用就产生电磁推力。如果初级固定，则次级在推力作用下做直线运动；反之，则初级做直线运动。 直线感应电机结构简单，随动性好，体积较小，广泛应用于工业生产、交通运输、印刷业以及人们的日常生活中。研究直线感应电机的瞬变特性，有利于分析速度变化对电机性能的影响，进而通过改变初级结构或激励源等方法对电机性能进行改进。 本文利用有限元分析软件对直线感应电机瞬态特性进行计算，得到电机性能与参数间的变化对应关系，为直线感应电机的结构优化奠定必要的理论基础。 1．建立直线感应电机有限元分析模型； 2．利用有限元软件分析直线感应电机瞬态特性； 3．分析初级结构等参数变化对电机电磁力和感应电动势等性能的影响。 关键字：直线感应电机；有限元；瞬态；感应电动势 目录 摘要 Abstract 第一章绪论 1 1.1 直线电机的发展概况 1 1.2直线感应电机国内外发展现状 2 1.3课题研究背景及意义 3 1.3.1课题研究背景 3 1.3.2课题研究的意义 4 1.4 课题主要内容与要求 4 1.4.1 课题主要内容 4 1.4.2 课题研究的要求 4 第二章课题对象及研究方法介绍 5 2.1直线感应电机介绍 5 2.1.1 圆筒型直线感应电机 6 2.1.2平板型直线感应电机 7
1.2.1 基 本 结构 图1-2所示的a 和b 分别表示了一台旋转电动机和一台扁平型直线电动机。 直线电机可以认为是旋转电机在结构方面的一种演变，它可看作是将一台旋转电机沿径向剖开，然后将电机的圆周展成直线，如图1-3所示。这样就得到了由旋转电机演变而来的最原始的直线电机。由定子演变而来的一侧称为初级或原边，由转子演变而来的一侧称为次级或副边。 图1-3中演变而来的直线电机，其初级和次级长度是相等的，由于在运行时初级与次级之间要作相对运动，如果在运动开始时，初级与次级正巧对齐，那么在运动中，初级与次级之间互相耦合的部分越来越少，而不能正常运动。为了保证在所需的行程范围内，初级与次级之间的耦合能保持不变，因此实际应用时，是将初级与次级制造成不同的长度。在直线电机制造时，既可以是初级短、次级长，也可以是初级长、次级短，前者称作短初级长次级，后者称为长初级短次级。但是由于短初级在制造成本上，运行的费用上均比短次级低得多，因此，目前除特殊场合外，一般均采用短初级，见图1-4所示。
上述介绍的直线电机称为扁平型直线电机，是目前应用最广泛的，除了上述扁平型直线电机的结构形式外，直线电机还可以做成圆筒型（也称管型）结构，它也可以看作是由旋转电机演变过来的，其演变的过程如图1-6所示。 旋转电机通过钢绳、齿条、皮带等转换机构转换成直线运动，这些转换机构在运行中，其噪音是不可避免的，而直线电机是靠电磁推力驱动装置运行的，故整个装置或系统噪声很小或无噪声，运行环境好。 图1-6a中表示一台旋转式电机以及定子绕组所构成的磁场极性分布情况，图1-6b表示转变为扁平型直线电机后，初级绕组所构成的磁场极性分布情况，然后将扁平型直线电机沿着和直线运动相垂直的方向卷接成筒形，这样就构成图1-6c所示的圆筒型直线电机。