第２９卷第２期 机 电 工 程 Ｖｏ１．２９ Ｎｏ．２ ２０１２年２月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｆｅｂ．２０１２ 基于ＡＮＳＹＳ的新型结构 永磁直线同步电机力性能研究 江宏伟 （三一重工股份有限公司，湖南长沙４１０１００） 摘要：直线电机因具有高速、高精和高推力体积比等优势，在数控机床、高性能Ｉｃ封装制造等领域受到越来越多的关注，然而因其结 构上的原因而存在推力波动、齿槽效应和端部效应，已成为目前直线电机研究领域的重点对象。针对直线电机在端部的不连续所导 致的端部效应，建立了一种新的动子结构，避免了端部效应导致的推力波动，并以有限元方法对该模型进行了分析与比较。研究结果 表明，该新型结构直线电机在力性能上具有推力波动小的优点，可为直线电机结构优化提供参考。 关键词：永磁直线电机；有限元；端部力；推力波动 中图分类号：ＴＭ３５９．４；ＴＰ２１２．１４ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００１—４５５１（２０１２）０２—０２２７－０３ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｔｈｒｕｓｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｂｏｕｔ ｎｅｗ ｔｙｐｅ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｌｉｎｅａｒ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＮＳＹＳ ＪＩＡＮＧ Ｈｏｎｇ－ｗｅｉ （ＳＡＮＹ Ｈｅａｖｙ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１０１００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ，ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｖｏｌｕｍｅ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｔｈｒｕｓｔ，ｔｈｅ ｌｉｎｅａｒ ｍｏｔｏｒ ｉｓ ｃｏｎｃｅｍｅｄ ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ｉｎ ＣＮＣ ｍａｃｈｉｎｅ＆ｈｉｇｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ＩＣ ｐａｃｋａｇｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｆｉｅｌｄ．Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｓｌｏｔ ｅｆｆｅｃｔ，ｅｎｄ ｅｆｆｅｃｔ，ｄｅｔｅｎｔ ｆｏｒｃｅ ｏｆ ｌｉｎｅａｒ ｍｏｔｏｒ ｄｅｒｉｖｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｌｉｎｅａｒ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ（ＰＭＬＳＭ）ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．ａ ｎｅｗ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｍｏｔｏｒ ｍｏｖｅｒ ｗａｓ ｂｕｉｌｔ ｔｏ ｗｅａｋｅｎ ｅｎｄ ｅｆｆｅｃｔ ｄｅｒｉｖｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｄｉｓｃｒｅｔｅ ｅｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅ ｏｆ ｗｅａｋｅｎｉｎｇ ｔｈｅ ｔｈｒｕｓｔ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ ｗａｓ ｖｅｒｉｉｆｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ（ＦＥＡ）．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｈｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｎｅｗ ｔｙｐｅ ＰＭＬＳＭ ｈａｓ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｌｏｗ ｔｈｒｕｓｔ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ａ ｎｅｗ ｐｏｓｓｉｂｉｌｉｔｙ ｉｎ ｔｈｅ ＰＭＬＳＭ ｓｔｕｒｃｔｕｒａｌ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｆｉｅｌｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｌｉｎｅａｒ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ（ＰＭＬＳＭ）；ｉｆｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ（ＦＥＡ）；ｅｎｄ ｆｏｒｃｅ；ｄｅｔｅｎｔ ｆｏｒｃｅ Ｏ引 言 芯因绕组而开槽引起的齿槽效应会产生大的力的波 动［１－３］，这些结构上的缺陷影响了其运行的平稳性，最 永磁直线同步电机直接驱动是目前高精、高速直 终会导致其伺服控制难、控制精度低。 线运动进给技术发展的一个主要方向，直线电机直接 本研究针对直线电机在端部的不连续所导致的 驱动主要有以下几个特点：①无机械传动装置，设备 端部效应，采用一种新的动子结构，来避免端部效应 总体结构简单，体积小；②反应速度快、灵敏度高、随 导致的推力波动，并以有限元方法对该模型进行分析 动性好；③定位精度高；④无旋转运动，不受离心力的 与比较，论证该结构力性能上的优点。 作用，速度不受，容易实现高速度直线运动。而直 线电机来源于旋转电机，由于其初级绕组铁芯的长度 １ ＰＭＬＳＭ的结构模型 的有限非闭合结构，其端部效应较为明显，另外，其铁 本研究提出的模型为平板单边凸极永磁同步电 收稿日期：２０１ １－０８—１５ 作者简介：江宏伟（１９８４－），男，湖北武汉人，主要从事机电产品方面的设计开发工作．Ｅ－ｍａｉｌ：ｇｒａｎｄｊｉａｎｇ＠１６３．ＣＯＢ ・２２８・ 机 电 工 程 ２９替 机，其结构如图ＩＮ示。 —由式（２）、式（４）和式（５）可知： ， 上 ＝ ＋ ＝∑ ｊｎ （ ＋Ａ／２） （６） ．．．上．．Ｌ ８ ８ 几 Ｈ ８ ］一 ｌ Ｉ 模型中ｉ组绕组在纵向上相距均为１０７－／３，整个模 型的边端力则为： 、 图１ ＰＭＬＳＭ的结构模型 １一线圈；２一永磁体；３～凸铁；４＿动子叠片 ｊｅ ｎ＝ｌ ｕｌｌ七； ｕ１２ ｌｅ谨 ｓｉｎ 下 电机永磁体采用高性能钕铁硼材料，磁化方向为 法向，其感应矫顽磁力为Ｈ ＝８９５ ｋＡ／ｍ；电机为１８槽单 ｃ ＋ ｎ ＋ 厶ｓｉｎ＝ｌｃ ＋ ＋ ’丁，＋ 、 层绕组，分为３组不同绕线，每组６个线槽，三绕组轮换 对称；凸铁采用软铁材料，／ｚ＝４ ０００／－ｔｏ，电工硅钢叠片 ／ｘ＝６００００／ｚｏ。 缸ｓｉｎ ［ ｉ ｎ＝ｌ ２＋２３０ ｒ）＝ （ ＋ ） 己 （ ＋ ＋ ） 己 该模型的部分尺寸如表１所示。 表１模型部分尺寸参数 （卅 ＋ ２ ３ ）］：０ （７） 由式（７）可以看出，这种ｊ相轮换结构在理论上 能够完全抵消掉端部力的作用。 ３有限元法对模型性能的验证 ３．１ 三组结构的磁场及力的波动分析 ２边端力的数学模型 边端力的产生是由于动子的有限长度，其两个端 部在开放磁场中分别受到磁场力的作用，两端的受力 本研究先从原模型中分别抽取出ｌ二组，作为一个 的直线电机来分析计算，其材料和对应的＿ｆ定子 位置均保持不变，从左至右分别为第１绕组、第２绕组、 第３绕组。 性质条件幅值完全一样，但边端磁场分布不均匀，双 端力方向相反，同时存在相位差，相位差取决于动子 长度［４］，端部效应产生的结果是两端力的矢量和： 础＝ ＋ （ｎ＝ｌ，２，３） （１） 第ｌ绕组的计算模型图如图２所示。 冈２第１绕组模 之间存在的相位差取决于动子的长度，其关 系为： （ ）＝．＝７：（— 一Ａ） 且： 对模型划分单元，本研究注意将动子同空气的接 触表面网格划细，以保证对该面上的ＭＡＸＳＷＥＬＬＤ的 （２） 积分更接近真实值，对边界条件近似为空气外边界的 磁通平行，ＩｌＩＡＺ＝０，电流的加载情况如表２所尔，线圈 为１２０匝，电流为１０／３ Ａｊ相交流电。 Ａ＝ｋ７－一Ｌ （３） 计算采用虚 ，获取动子在一・个周 的推力 波动力 女口冈３所示。从图３中町以很明湿地看到波动 式中： 置。 动子的长度，七一整数， 距， ～动子位 端边力的展开Ｆｏｕｒｉｅｒ为 ５．： （ ） ＋ （ ｉｎ ｎ＝１ 丁 ｎｃ。 —２ｎａｔ ） —的两个峰值，峰值相距３６ ｍｍ，即极距．ｒ，也就是动子端 部在每次进出磁极对应的磁场空间时，都会产生非常 大幅度的推力波动，可见在普通结构上，这种推力波动 （４） 丁 是普遍存在的；而且动子越短，其波动相对而言更大。对 于本研究的结构，由于是取的一个线圈绕组循环节，其 端部效应就更明显了，计算出的最大波动达￣１１６９．９５％， ｆｒ（Ｘ）： ＋ ｎ （ ＋Ａ） 。ｓ一２ｎ ＇ｒｒ（ ＋Ａ））（５） 表２电流附值表（上画线为电流流出） 第２期 江宏伟：基于ＡＮＳＹＳ的新型结构永磁直线同步电机力性能研究 Ｒ格 需 ・２２９・ Ｎ，２ ２ ２ ｌ ｌ ｌ １ ｌ‘ 、、 ； ｌ ｛ ， ｆ ｊ ？ 。 动于位置，ｍｍ 图３第１绕组１个周期的波动 本研究分别对轮换对称的３组结构分别结算得出 的波动如图４所示（其载荷电流的赋值如表２所示）。从 图４中可以看出，３组动子的推力在移相后的波动，在 相位上相距１２０。，３组的波动峰值错位１２０。，最大限度 地抵消了由于端部效应带来的大的推力波动，３组的 叠加会明显地减小这种波动。 图４ ３组波动移相 为了计算的准确，本研究针对模型采用了虚 和ＭＡＸＳＷＥＬＬ积分法分别计算出第３组绕组的推力波 动Ｅｍ］，如图５所示。从图５可以看出，采用两种方法计算 出的结果基本是相同的，这也论证了所采用的计算方 法的正确性。 卜号盘 叻 Ｊ辞； Ｉ 痊 、 蚕ｒ 霉 喜 ， ｉ ｆ ； ； ．、 ～鼍 、 勰 ： ：动子￣ｌｌ：／ｍｍ 图５虚和ＭＡＸＳＷＥＬＬ张量法分别计算的结果 ３．２ 对轮换组合结构的分析 基于上一节的分析，接下来本研究重点对轮换组 合结构（如图１所示）的性能进行分析，采用类似的方 法，求解得到其磁场的分布，如图６、图７所示…］。 从上面的磁场可知，磁密分布成周期变化，其变 化周期与磁极分布周期是一致的，这也就是导致动子 进出磁极对应磁场产生大的波动的原因之一，通过三 组绕组的组合结构，能尽可能地抵消这种端部效应带 图６动子在某一位置时磁力线的分布 来的波动。最终的推力波动情况如图８所示，其推力波 动由原来的６９．９５％减小到２９．９８％，从根本上基本极大 地消除了端部效应造成的波动力。剩余的波动也可以 从图８中看出，波动频率与动子齿槽变化一致，即齿槽 效应所带来的波动。 动于位置＾ｎｎ１ 图８总的推力波动 本研究模型电机动子纵向尺寸和电流载荷上同 型号为ＬＭＢＬ １０Ａ—ＨＣ０接近，该型号的连续推力为 １７７．９ Ｎ ］，本研究结构同比推力为２０７．３６ Ｎ，在推力体 积比上也具有良好的性能。 ４结束语 本研究在原有平板型直线电机的基础上，针对结 构上的缺陷，运用有限元方法对一种新的结构的性能 进行了讨论和研究，该结构能够极大地减小由于动子 端部存在而产生的端部效应，从力学性能上有效地改 变了直线电机推力波动的缺陷，为直线电机结构上的 优化提供了一种可能。 本研究仅针对端部效应对结构进行了分析，由于 推力波动的产生的众多方面的原因，后续的工作有待 从其他各方面进一步分析优化，以期获取各方面更优 的性能。 （下转第２３３页） 第２期 施燕萍：太阳能光伏发电组件接线盒的模块化设计 表１两类接线盒的比较测试 ｎ １Ｊ］Ｊ ・２３３・ ｂ １Ｊ参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）： ［１ Ｊ ＧＲＥＥＮ Ｍ Ａ．Ｓｏｌａｒ Ｃｅｌｌｓ Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ，Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｍ］．Ｅｎｇｌｅｗｏｏｄ Ｃｌｉｆｓ，ＮＪ：Ｐｒｅｎ— ｔｉｃｅ—Ｈａｌ１．１９８２． 注：测试过程中要求对二极管陆续加热８ Ａ／１１ Ａ的电流值， 并在每个电流档位上保持１ ｈ，然后记录该点的管壳温度。 ［２］黄亚平．太阳能光伏发电研究现状与发展前景探讨［Ｊ］．广 东白云学院学报，２００７，１４（２）：７５—７８． ［３］王长贵，王斯成．太阳能光伏发电实用技术［Ｍ］．２版．北 测试结果表明：采用铝基板的模块化接线盒温度 明显低于传统接线盒的温度。 京：化学工业出版社，２００５． ［４］ＨＲＥＮ Ｒ．Ａ Ｓｏｌａｒ Ｂｕｙｅｒ’Ｓ Ｇｕｉｄｅ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｈｏｍｅ ａｎｄ Ｏｆｆｉｃｅ ［Ｍ］．ＣＨＥＬＳＥＡ ＧＲＥＥＮ Ｐｕｂｌｉｓｈ ＣＯ．，２０１０． ４结束语 太阳能光伏发电组件接线盒是太阳能电池的主要 配件之一，它将直接影响光伏组件的性能。目前市场上 的接线盒仅局限于２２０ Ｗ以下的小功率配套范围，模 块化接线盒的设计定位于配套高功率组件，将很好地 解决２２０ Ｗ以上的太阳能电池组件的开发和生产。随 ［５］杨金焕，于化丛，葛［６］李大勇，陈如亮，崔亮．太阳能光伏发电应用技术［Ｍ］． 岩，等．基于Ｐｓｐｉｃｅ的光伏组件热斑 北京：电子工业出版社，２００９． 现象仿真［Ｊ］．哈尔滨工业大学学报，２００６，３８（１１）：８８—９０． ［７］ＭＡＲＫＶＡＲＴ Ｔ，ＣＡＳＴＡＮＥＲ Ｌ．太阳电池：材料、制备工艺 及检测［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００９． ［编辑：张翔］ 着太阳能光伏行业的不断发展壮大，需求高功率组件 的生产企业必将第一时间内选用该模块化接线盒。 （上接第２２９页） ［７］孙明礼，胡仁喜，崔海蓉．ＡＮＳＹＳ １０．０电磁学有限元分析 参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）： ＨＯＲ Ｐ Ｊ，ＺＨＵ Ｚ Ｑ，ＨＯＷＥ Ｄ，ｅｔ ａ１．Ｍｉｎｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｇｇｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ｉｎ ａ ｌｉｎｅａｒ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｍｏｔｏｒ【Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ— ａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ，１９９８，３４（５）：３５４４—３５４７． ＪＡＮＧ Ｓ Ｍ，ＣＨＯＩ Ｊ Ｙ，ＣＨＯ Ｈ Ｗ．Ｔｈｒｕｓｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｍｅａ— ｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｕｂｕｌａｒ ｌｉｎｅａｒ ａｃｔｕａｔｏｒ ｗｉｔｈ ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ｈａｌｂａｃｈ 实例指导教程［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００６． １ ８ ｌ ＣＨＥＮ Ｙ Ｍ，ＦＡＮ Ｓ Ｙ，ＬＵ Ｗ Ｓ．Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｌｉｎｅａｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｍｏｔｏｒｓ ｆｏｒ Ｏｐｔｉｍａｌ Ｄｅｓｉｇｎ Ｃｏｎｓｉｄ— ｅｒａｔｉｏｎｓ ｌ Ｃ Ｉ／／Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｘ— ｐｏｓｉｔｉｏｎ，２００４．ＡＰＥＣ ０４，Ｎｉｎｅｔｅｅｎｔｈ Ａｕｎｕａｌ ＴＥＥＥ，２００４： １５８４－１５８９． ａｒｒａｙ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ，２００５，４１（５）： ２０２８—２０３１． ［９］ＫＷＯＮ Ｂ Ｉ，ＷＯＯ Ｋ Ｉ，ＫＩＭ Ｄ Ｊ，ｅｔ １．Ｆｉａｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙ— ｓｉｓ ｆｏｒ ｄｙｎａｍｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ａｎ ｉｎｖｅｒｔｅｒ－ｆｅｄ ＰＭＬＳＭ ｂｙ ＩＮ０ＵＥ Ｍ，ＳＡＴＯ Ｋ．Ａｎ ａｐｐｒｏａｃｈ ｔＯ ａ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｓｔａｔｏｒ ｌｅｎｇｔｈ ｆｏｒ ｍｉｎｉｍｉｚｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｔｅｎｔ ｆｏｒｃｅ ｏｆ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｌｉｎｅａｒ ａ ｎｅｗ ｍｏｖｉｎｇ ｍｅｓｈ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｌＪ１．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ，２０００，３６（４）：１５７４—１５７６． ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ， ２０００，３６（４）：１８９０—１８９３． ［１０］李庆雷，王先逵，吴４０（５）：２Ｏ一２３． 丹，等．永磁直线同步电机推力及垂 直力的有限元计算［Ｊ１．清华大学学报：自然科学版，２０００， ［１１］颜建军，刘哲纬．单相电动机的无线遥控调速控制器［Ｊ］． 轻工机械，２０１０，２８（５）：６９—７２． 李庆雷，王先逵．永磁同步直线电机推力波动分析及改善 措施［Ｊ］．清华大学学报：自然科学版，２０００，４０（５）：３３—３６． 徐月同，付建中，陈子辰．永磁直线同步电机推力波动优化 及实验研究［Ｊ］．中国电机工程学报，２００５，２５（１２）：１２２—１２６． 龚曙光，谢桂兰．ＡＮＳＹＳ操作命令与参数化编程［Ｍ］．北 京：机械工业出版社，２００４． ［１２］叶云岳．直线电机技术手册［Ｍ］．北京：机械工业出版社， ２ｏ０３． ［编辑：张翔］
