无槽嵌入式圆筒型永磁直线电机磁场解析研究.docx

无槽嵌入式圆筒型永磁直线电机磁场解析研究
摘要：
无槽嵌入式圆筒型永磁直线电机由于其结构简单、具有高功率密度、高效率和低噪声等优点，在工业自动化领域得到广泛应用。其中，磁场分析是该电机研究的关键问题之一。本文以此为目标，分别对无槽嵌入式圆筒型永磁直线电机的空气隙磁场和绕组磁场进行解析，并进行仿真验证。结果表明，本文提出的解析方法可有效分析无槽嵌入式圆筒型永磁直线电机的磁场分布情况，为该电机的优化设计提供了理论基础。
关键词：无槽嵌入式圆筒型永磁直线电机；磁场分析；解析方法；仿真验证。
Abstract：
Theslotlessembeddedcylindricalpermanentmagnetlinearmotorhasbeenwidelyusedinthefieldofindustrialautomationbecauseofitssimplestructure,highpowerdensity,highefficiency,andlownoise.Amongthem,magneticfieldanalysisisoneofthekeyissuesintheresearchofthismotor.Inthispaper,theairgapmagneticfieldandwindingmagneticfieldoftheslotlessembeddedcylindricalpermanentmagnetlinearmotorareanalyzedrespectively,andthenverifiedbysimulation.Theresultsshowthattheanalyticalmethodproposedinthispapercaneffectivelyanalyzethemagneticfielddistributionoftheslotlessembeddedcylindricalpermanentmagnetlinearmotor,andprovideatheoreticalbasisfortheoptimizationdesignofthismotor.
Keywords:slotlessembeddedcylindricalpermanentmagnetlinearmotor;magneticfieldanalysis;analyticalmethod;simulationverification.
一、引言
无槽嵌入式圆筒型永磁直线电机是一种新型的电动机，由于其具有结构简单、功率密度高、效率高、响应快、噪声低等优点，在自动化设备、精密机械和航空航天等领域得到了广泛的应用。在电机的设计和分析中，磁场分析是非常重要的一步，直接影响着电机的性能和工作效率。因此，本文将对无槽嵌入式圆筒型永磁直线电机的磁场进行解析研究，并对解析结果进行仿真验证。
二、无槽嵌入式圆筒型永磁直线电机的结构
无槽嵌入式圆筒型永磁直线电机结构如图1所示，主要由定子、转子和端部盖板等组成。其中，定子包括磁环、铁芯、气隙和绕组等。
图1无槽嵌入式圆筒型永磁直线电机结构示意图
定子主磁通路径为：N极永磁体-气隙-磁环-气隙-铁芯-气隙-S极永磁体。绕组通常沿着铁芯周向布置，由若干根同相位的线圈组成。
三、磁场解析方法
3.1空气隙磁场解析
由于气隙中漂移通量分布不规律，因此用有限元法（FEA）进行磁场计算会比较困难。本文将利用解析方法，建立无槽嵌入式圆筒型永磁直线电机空气隙磁场解析模型。
定子中，N极永磁体与S极永磁体交替排列。当转子悬浮在轴向方向时，磁通线的分布如图2所示。
图2转子悬浮时的磁通线分布
可以看出，由于永磁体的磁场线在空气隙中的漂移作用，气隙中的磁感应强度B存在明显的变化。根据偏微分方程和边界条件，可以求解出无槽嵌入式圆筒型永磁直线电机的空气隙磁场分布，其中空气隙中的磁感应强度B为：
B=Bmcos(2πx/pm)（1）
其中Bm为永磁体表面磁感应强度，p为极对数，m为空气隙中的磁极序数。
3.2绕组磁场解析
无槽嵌入式圆筒型永磁直线电机的绕组一般由多根同相位的线圈组成。根据每个线圈的通电状态，不同线圈的磁通路径会产生变化。因此，本文将对不同状态下的线圈磁通分布进行分析，解析得到无槽嵌入式圆筒型永磁直线电机的绕组磁场分布。
首先，考虑通电状态下绕组中的磁场分布。图3所示为单根线圈通电时的磁通分布图。
图3单根线圈通电时的磁通分布
可以看出，线圈中的磁通主要分布在线圈周向和轴向方向。根据各线圈的导线数和长度等参数，通过叠加可得到无槽嵌入式圆筒型永磁直线电机任意时刻的绕组磁场分布。
接下来，考虑不同状态下线圈的磁场分布。由于绕组导线的电流方向会影响磁通分布，因此在实际运行中，绕组中每根导线的电流方向均不相同。对此，本文采用时域有限元