磁障耦合式初级永磁型直线电机的设计与分析

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1、摘要近年来，适用于长行程直驱系统，具有低成本、高性能的直线电机成为了研究热点。初级永磁型直线电机的永磁体和电枢绕组均放置在短初级上，而长次级仅由具有导磁性的齿槽结构组成，该种电机的永磁体用量少、次级结构简单，特别适合应用于长行程直线电机驱动领域。但是，目前初级永磁型直线电机普遍存在机电能量转换效率和功率因数偏低的问题，限制了其在工程领域上的应用与推广。为了弥补该种电机的不足，本文提出了一种新型结构的初级永磁型直线电机，即磁障耦合式初级永磁型直线（MagneticBarrierCoupledLinearPrimaryPermanentMagnet

2、,MBC-LPPM）电机。该种电机的结构特点是：永磁体和绕组均放置在短初级动子上，易于安装和维护；长定子次级的凸极齿部中加入隔磁磁障，规范了磁通的流通路径，提高了机电能量转换效率，增强了电机的磁场耦合能力。由于该种电机的电磁设计理论尚不成熟，且次级采用磁障式结构，增加了电机的设计难度，因此本文对该电机进行电磁设计，总结出一种适用于该电机的通用设计方法。通过理论推导和有限元仿真，对电机的电磁特性进行研究，为进一步研究该种电机奠定了理论基础。主要研究工作包括以下几方面：首先，为深入分析研究MBC-LPPM电机的结构特点和运行机理，建立了电机的等效磁

3、路，并对气隙磁场的调制过程进行解析分析。针对次级结构体积庞大，加工、运输、安装和维护困难的特点，为此本文对次级结构采用了模块化设计。通过对比两种不同结构初级永磁型直线电机的漏磁分布，分析其对功率因数的影响，得出提高电机功率因数的设计思路。其次，对MBC-LPPM电机主要尺寸计算方程进行理论推导，完成了样机的电磁设计，并详细介绍了该种电机的设计方法。对比分析不同永磁体极对数、次级凸极齿数和绕组极对数配合下的电机气隙磁密谐波含量，确定三者之间的极数配合。再次，结合“等效磁路”和“有限元”两种方法，研究次级凸极高度、次级极弧系数、隔磁层数目和导磁层与

4、非导磁层区间宽度比对电机耦合能力的影响，确定次级的主要结构尺寸。通过对不同永磁体排列方式下的电机性能进行对比分析，选出综合性能最佳的永磁体排列安装方式。最后，利用有限元方法对电机进行了仿真分析，得到其空载反电动势、电感、定位力和推力等电磁性能，验证电机设计的合理性。关键词：直线电机，初级永磁型，机电能量转换，功率因数，磁场耦合IAbstractThelinearmotorwithlowcostandhighperformancewhichissuitableforlongstrokedirectdrivesystemhasbecomearese

5、archhotspotinrecentyears.Asforlinearprimarypermanentmagnetmotor,thepermanentmagnetandarmaturewindingareplacedintheshortprimary,whilethelongsecondaryisonlycomposedbythealveolarstructurewithmagneticpermeability.So,lessconsumptionofpermanentmagnetandmoresimplenessofsecondarymak

6、ethistypeofmotorsareespeciallysuitableforthelongstrokelinearmotordrivefield.However,theproblemoflowelectromechanicalenergyconversionandpowerfactor,whichcommonexistinlinearprimarypermanentmagnetmotor,limititspopularizationandapplicationinthefieldofengineering.Tocompensatefort

7、heaboveshortcomings,anewtypeoflinearprimarypermanentmagnetmotor,whichismagneticbarriercouplinglinearprimarypermanentmagnetmotor,isproposedinthispaper.Thestructuralfeaturesofthemotorarethatthearmatureandpermanentmagnetsareplacedinshortprimary,soit’seasytomaintain;magneticbarr

8、ierareaddedtotheteethpartofthelongsecondarystator,whichlimittheflowofmagnet