张允彪，瞿遂春，邱爱兵，姜亚海

(南通大学，南通 226019)



径向和横向磁场直线开关磁阻电动机的比较分析

张允彪，瞿遂春，邱爱兵，姜亚海

(南通大学，南通 226019)

结合两种不同结构型式的直线开关磁阻电动机，分析了它们的结构特点和工作原理。利用ANSYS有限元软件对两种不同结构的电机进行了瞬态和静态电磁场数值计算和仿真，得到了它们的性能曲线，在此基础上对其性能进行了分析比较，得出了相关结论，为两种结构型式的直线开关磁阻电动机的工程应用提供了理论依据和技术支撑。

径向磁场直线开关磁阻电动机；横向磁场直线开关磁阻电动机；ANSYS；牵引力；法向力

0 引 言

开关磁阻电动机结构简单坚固，容错能力强，调速性能好，可靠性高，现已越来越广泛的应用到各个领域。直线开关磁阻电动机(以下简称 LSRM)与旋转开关磁阻电动机(以下简称 SRM)是相对应的，LSRM相当于沿旋转式SRM的圆周方向，将定子、转子依次展开，对应的转子部分为 LSRM 的次级，定子部分为 LSRM的初级，如图1所示。随着现代电力电子技术和控制技术的发展, LSRM以其简单牢固的机械结构、优越的直线驱动性能愈来愈受到人们的重视。

图1 SRM展开成LSRM的截面图

本文以径向磁场LSRM(以下简称 RFLSRM)和横向磁场LSRM(以下简称 TFLSRM)为研究对象，针对该两种电机对其性能特性进行比较分析，为其工程应用提供了理论支撑。

1 电机结构

LSRM从磁通与电机运动方向的关系上可以分为RFLSRM和TFLSRM两种结构形式。

1.1 RFLSRM结构

RFLSRM的结构如图2所示，电机的初级上绕有线圈，次级上无绕组。图2的主次级位置，B相通电，根据磁通沿磁导最大路径闭合的原理，电机的次级将在牵引力作用下将沿水平方向运向右动，且电机的磁通与运动方向在一个平面上。

图2 RFLSRM的结构图

1.2 TFLSRM结构

TFLSRM的结构如图3所示，它的磁通方向和电机运行方向相互垂直，从而实现了电机的电路和磁路在几何结构上的解耦，电机设计更加灵活，可以提高电机的功率密度。图3的主次级位置A相通电，电机的次级将在牵引力作用下将沿水平方向运向右动。

(a) TFLSRM二维横截面图

(b) TFLSRM二维侧面图

2 性能对比分析

为了便于对比分析，设两种结构电机的初级极数，次级极数，初级极距，次级极距，初级极宽，次级极宽，初级极高，次级极高，每相绕组，气隙以及速度均相同，其主要参数如表1所示。

表1 两种直线开关磁阻电动机主要参数

根据电机学知识，可得电机产生的平均电磁力：

(1)

单个极下电机的气隙力密度FA：

(2)

式中：Bδ为电机的气隙磁密；A为电机的电负荷。由式(2)看出，有两条途径可以增加力密度：一是增加电负荷 A 值，二是增加气隙磁密Bδ。但是，由图2可以看出，RFLSRM的初级齿部和线槽处于同一平面内，因此它们之间不是独立的，它们的相互关系如下：

(3)

(4)

式中：bt为初级齿宽；τ为一个齿节距；Bt为齿部磁密；JS为电流密度；AS为槽面积。电流密度JS取决于电机的冷却方式，齿部磁密Bt取决于铁磁材料的饱和程度，所以只能通过增加槽面积AS和初级齿宽bt来提高转矩密度。对于RFLSRM，由于线槽和初级齿部处于同一个平面内，在电流密度JS保持不变和电机齿部磁密Bt不会过饱和的情况下，若要增加气隙磁密Bδ，增加初级齿宽就必须减小线槽面积，反之，增加线槽面积就必须减小初级齿宽。因此RFLSRM由于磁负荷和电负荷存在同一平面内，使得在增加气隙磁密Bδ时受到限制。在RFLSRM的初级和次级极宽以及线圈匝数一定的情况下，很难增加RFLSRM的气隙磁密。

由图3可知，TFLSRM的磁通方向和电机运行方向相互垂直，从而实现了电机的电路和磁路在几何结构上的解耦，即它的电负荷和磁负荷在相互垂直的两个平面内，因此它们之间不会相互制约，可以分别增加它们，从而获得较高的力密度。在TFLSRM的初级和次级极宽以及线圈匝数一定的情况下，可以选择合适的铁心宽度(图3(a)中E形齿的中间齿宽度)，来增加TFLSRM的气隙磁密，从而提高TFLSRM的出力。

2.1 有限元分析

通过ANSYS有限元软件对两种结构电机建模计算，计算分析电机三维磁场的计算流程图如图4所示，通过后处理(画出场图、分析结果、计算参数)可得到了其静态磁化曲线、瞬态电感曲线、牵引力曲线和法向力曲线等。

图4 ANSYS计算三维电磁场流程图

2.1.1 电感曲线

理论上TFLSRM通过改变磁路结构，使得电负荷和磁负荷相互解耦，从而在一定范围内通过提高磁能变化率来提高牵引力。图5为电感曲线，当初级的齿与次级的槽对齐时(即x=0 mm)为最小电感。TFLSRM电感的最小值为6.312 5 mH，RFLSRM电感的最小值为6.598 7 mH。当初级的齿与次级的齿对齐时(即x=37.5 mm)为最大电感。TFLSRM电感的最大值是26.936 3 mH，RFLSRM电感的最大值是24.878 mH。图6是磁化曲线，当初级的齿与次级的槽对齐时(即x=0 mm)为最小磁化

图5 电机电感曲线

曲线，当初级的齿与次级的齿对齐时(即x=37.5 mm)为最大磁化曲线。由图5和图6可知，TFLSRM的电感和磁共能的变化率更大，有更大的出力。

图6 磁化曲线

2.1.2 牵引力曲线

(a)TFLSRM牵引力曲线(b)RFLSRM牵引力曲线

(c) 20 A时TFLSRM和RFLSRM的牵引力曲线

2.1.3 法向力曲线

由图7可知，TFLSRM的牵引力波动比较大，法向力是影响牵引力波动的原因之一。由前文TFLSRM的结构可知，其法向力方向和电机的运动方向相互垂直。法向力会引起LSRM初级的变形，使得电机气隙长度变得不均匀，气隙磁场发生畸变。畸变的磁场与电流的相互作用使得LSRM电机的牵引力随着初、次级齿极的相对位置的变化而波动。图8是TFLSRM的法向力曲线图。可知电流为20 A时其最大法向力为228 N，是其最大牵引力的10倍左右。TFLSRM的法向力比RFLSRM法向力更大。

(a)TFLSRM的法向力(b)RFLSRM的法向力

图8 电机的法向力曲线

2.2 功率变换器分析

图9 功率变换电路

3 结 语

本文分析了两种不同结构的LSRM，在尺寸相同的情况下，基于有限元软件ANSYS，对所设计的两台样机磁场和功率电路进行了分析比较。通过计算和仿真结果可知：(1)TFLSRM的最大牵引力和平均牵引力比RFLSRM更大，输出功率更高，功率密度更大；(2)TFLSRM和RFLSRM的牵引力波动都比较大；(3)TFLSRM的法向力更大，导致其牵引力波动更大；(4)两者的功率变换器相同，控制方法相似。

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Comparative Analysis of Radial Magnetic Field and Transverse Magnetic Field Linear Switched Reluctance Motors

ZHANGYun-biao，QUSui-chun，QIUAi-bing，JIANGYa-hai

(Nantong University，Nantong 226019，China)

Two different structure types of the linear switched reluctance motor (LSRM) were compared, and their structural characteristics and working principle were analyzed. The numerical calculation and simulation of transient and static electromagnetic field about these two different structures motors were made using the finite element software ANSYS, and the performance curves map was obtained. On the basis of this, their performance was compared and analyzed, providing a theoretical basis and technical support for engineering application of the two different structure types of linear switched reluctance motor (LSRM).

radial magnetic field linear switched reluctance motor (RFLSRM); transverse magnetic field linear switched reluctance motor (TFLSRM); ANSYS; thrust force; normal force

2015-10-13

国家自然科学基金项目(61473159)；江苏省南通市科技局应用研究计划(BK2014076)

TM352

A

1004-7018(2016)04-0026-03

张允彪(1990-)，男，硕士研究生，主要研究方向为新型电机及其控制。