小议铁道货车直线结构电机设计范文

1直线电机结构设计

直线电机按照结构的不同可分为平板型和圆筒型，圆筒型直线电机结构简单，绕组利用率较高，无横向端部效应，克服了单边磁拉力问题，易于调节和控制，适应性较强。永磁直线电机在功率因数、效率和力密度等性能指标上都要远优于直线感应电机。因此，本设计采用了圆筒型永磁直线电机作为发电装置。Halbach阵列与其他两种类型相比具有以下优点:(1)Halbach阵列具有“磁单极子”特性，如图1(c)所示，阵列所产生的磁场一侧很强，另一侧较弱。这样提高了永磁铁的利用率，降低了次级铁心中的涡流损耗。(2)Halbach阵列产生的磁场在强侧呈理想的正弦分布，降低了强侧磁场的谐波分量，使电机运行更稳定。该直线电机是由定子和动子组成，其定子上有十二个饼式线圈构成的三相绕组，每四槽为一相，每相相隔两槽。动子由N35钕铁硼永磁铁，背铁和中心轴组成。定子和动子上的背铁采用硅钢材料，中心轴采用热膨胀系数较小的非导磁材料铝合金。

2有限元分析

为对设计的Halbach阵列结构圆筒型永磁直线电机进行性能分析，本文采用Ansoft有限元软件，利用Maxwell2D静态磁场分析求得电机磁力线分布和气隙磁通密度分布情况，以及通过瞬态磁场分析求解电机产生的空载电动势等。

首先按照电机结构参数建立仿真模型。以快速货车车辆为运用对象，为了获得最大的能量输入，根据照其动力学分析可知，在其一系悬挂弹簧处振动的振幅和频率值较大，因此可将Hal-bach阵列结构圆筒型永磁直线电机与外侧一系弹簧并排安装。此处在车辆运行过程中振幅为±5mm，频率为3Hz。对电机进行静态磁场分析，得到电机磁力线分布如图4所示，图4中Halbach阵列产生的磁场具有单边性，靠近线圈一侧磁场较强，靠近背铁一侧磁场较弱，这样提高了永磁体的利用率，降低了次级中的涡流损耗，减小了强侧磁场的谐波分量，确保电机的稳定运行。同时，从图4中可以看出定子中靠近径向排列的永磁铁一侧磁场较强，靠近轴向排列的永磁铁一侧磁场较弱，这样使得磁极之间的磁力线形成磁通回路并呈周期分布。因此，当动子运动时，永磁体产生的磁场能够使线圈绕组产生周期性的三相交流电。同时，通过对电机进行静态磁场分析，可得到电机的气隙磁通密度值呈周期性变化，一个周期气隙磁通密度曲线如图5所示，从图5中可以得到电机气隙磁通密度的平均值Bδav约为1.2T。

3电机负载特性分析

由上文可知，Halbach阵列结构圆筒型永磁直线电机能够产生相电压约为20V的三相交流电，将该值和电机的其他参数作为输入参数，利用Matlab/Simulink软件中的SimPowerSystem模块建立带整流负载的三相电机的仿真模型，对Halbach阵列结构圆筒型永磁直线电机负载情况进行仿真。为简化分析，作如下假设［6］:(1)初级绕组按照Y型连接;(2)忽略涡流损耗和磁滞损耗;(3)忽略温度及频率变化对电机参数的影响;(4)忽略电源引起的电流和电压的谐波及磁饱和效应;(5)动子为无阻尼绕组，永磁铁无阻尼作用;(6)永磁铁产生磁场恒定。从而，在Simulink中建立了如图8所示的带整流负载的三相电机的仿真模型。利用三相电机滤波整流电路的仿真模型可得到在不同负载情况下的负载电压和输出功率。将得到的数值导入Matlab中，得到如图9所示的不同负载电阻情况下负载电压和输出功率曲线。从图9中可以看出，当负载电阻为5Ω时，即当负载电阻接近两相绕组内阻之和时，得到最大输出功率，约为35W。当负载电阻继续增大时，负载电压增大，输出功率减小，当负载电阻在25Ω左右时，负载电压和输出功率趋于平稳，此时，输出功率约为22.5W，输出电流约为1A，能够有效地供货车车辆使用。

4结语

本文设计了Halbach阵列结构圆筒型永磁直线电机，并应用有限元软件Ansoft对电机进行了仿真，得到了电机的空载电动势波形，磁力线和气隙磁通密度分布，验证了Halbach阵列结构圆筒型永磁直线电机的优良特性。同时，利用Matlab/Simulink软件对电机进行了仿真分析，从仿真结果可知，设计的电机产生的电能能够有效地为蓄电池充电，或为其它电气设备供电，从而能够在一定程度上解决铁道货车车辆上的电源问题，达到了设计的目的。

作者：李晓伟倪文波王雪梅单位：西南交通大学机械工程学院