小議鐵道貨車直線結(jié)構(gòu)電機(jī)設(shè)計(jì)范文

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1直線電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

直線電機(jī)按照結(jié)構(gòu)的不同可分為平板型和圓筒型，圓筒型直線電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，繞組利用率較高，無(wú)橫向端部效應(yīng)，克服了單邊磁拉力問(wèn)題，易于調(diào)節(jié)和控制，適應(yīng)性較強(qiáng)。永磁直線電機(jī)在功率因數(shù)、效率和力密度等性能指標(biāo)上都要遠(yuǎn)優(yōu)于直線感應(yīng)電機(jī)。因此，本設(shè)計(jì)采用了圓筒型永磁直線電機(jī)作為發(fā)電裝置。Halbach陣列與其他兩種類型相比具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)Halbach陣列具有“磁單極子”特性，如圖1(c)所示，陣列所產(chǎn)生的磁場(chǎng)一側(cè)很強(qiáng)，另一側(cè)較弱。這樣提高了永磁鐵的利用率，降低了次級(jí)鐵心中的渦流損耗。(2)Halbach陣列產(chǎn)生的磁場(chǎng)在強(qiáng)側(cè)呈理想的正弦分布，降低了強(qiáng)側(cè)磁場(chǎng)的諧波分量，使電機(jī)運(yùn)行更穩(wěn)定。該直線電機(jī)是由定子和動(dòng)子組成，其定子上有十二個(gè)餅式線圈構(gòu)成的三相繞組，每四槽為一相，每相相隔兩槽。動(dòng)子由N35釹鐵硼永磁鐵，背鐵和中心軸組成。定子和動(dòng)子上的背鐵采用硅鋼材料，中心軸采用熱膨脹系數(shù)較小的非導(dǎo)磁材料鋁合金。

2有限元分析

為對(duì)設(shè)計(jì)的Halbach陣列結(jié)構(gòu)圓筒型永磁直線電機(jī)進(jìn)行性能分析，本文采用Ansoft有限元軟件，利用Maxwell2D靜態(tài)磁場(chǎng)分析求得電機(jī)磁力線分布和氣隙磁通密度分布情況，以及通過(guò)瞬態(tài)磁場(chǎng)分析求解電機(jī)產(chǎn)生的空載電動(dòng)勢(shì)等。

首先按照電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)建立仿真模型。以快速貨車車輛為運(yùn)用對(duì)象，為了獲得最大的能量輸入，根據(jù)照其動(dòng)力學(xué)分析可知，在其一系懸掛彈簧處振動(dòng)的振幅和頻率值較大，因此可將Hal-bach陣列結(jié)構(gòu)圓筒型永磁直線電機(jī)與外側(cè)一系彈簧并排安裝。此處在車輛運(yùn)行過(guò)程中振幅為±5mm，頻率為3Hz。對(duì)電機(jī)進(jìn)行靜態(tài)磁場(chǎng)分析，得到電機(jī)磁力線分布如圖4所示，圖4中Halbach陣列產(chǎn)生的磁場(chǎng)具有單邊性，靠近線圈一側(cè)磁場(chǎng)較強(qiáng)，靠近背鐵一側(cè)磁場(chǎng)較弱，這樣提高了永磁體的利用率，降低了次級(jí)中的渦流損耗，減小了強(qiáng)側(cè)磁場(chǎng)的諧波分量，確保電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，從圖4中可以看出定子中靠近徑向排列的永磁鐵一側(cè)磁場(chǎng)較強(qiáng)，靠近軸向排列的永磁鐵一側(cè)磁場(chǎng)較弱，這樣使得磁極之間的磁力線形成磁通回路并呈周期分布。因此，當(dāng)動(dòng)子運(yùn)動(dòng)時(shí)，永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)能夠使線圈繞組產(chǎn)生周期性的三相交流電。同時(shí)，通過(guò)對(duì)電機(jī)進(jìn)行靜態(tài)磁場(chǎng)分析，可得到電機(jī)的氣隙磁通密度值呈周期性變化，一個(gè)周期氣隙磁通密度曲線如圖5所示，從圖5中可以得到電機(jī)氣隙磁通密度的平均值Bδav約為1.2T。

3電機(jī)負(fù)載特性分析

由上文可知，Halbach陣列結(jié)構(gòu)圓筒型永磁直線電機(jī)能夠產(chǎn)生相電壓約為20V的三相交流電，將該值和電機(jī)的其他參數(shù)作為輸入?yún)?shù)，利用Matlab/Simulink軟件中的SimPowerSystem模塊建立帶整流負(fù)載的三相電機(jī)的仿真模型，對(duì)Halbach陣列結(jié)構(gòu)圓筒型永磁直線電機(jī)負(fù)載情況進(jìn)行仿真。為簡(jiǎn)化分析，作如下假設(shè)［6］:(1)初級(jí)繞組按照Y型連接;(2)忽略渦流損耗和磁滯損耗;(3)忽略溫度及頻率變化對(duì)電機(jī)參數(shù)的影響;(4)忽略電源引起的電流和電壓的諧波及磁飽和效應(yīng);(5)動(dòng)子為無(wú)阻尼繞組，永磁鐵無(wú)阻尼作用;(6)永磁鐵產(chǎn)生磁場(chǎng)恒定。從而，在Simulink中建立了如圖8所示的帶整流負(fù)載的三相電機(jī)的仿真模型。利用三相電機(jī)濾波整流電路的仿真模型可得到在不同負(fù)載情況下的負(fù)載電壓和輸出功率。將得到的數(shù)值導(dǎo)入Matlab中，得到如圖9所示的不同負(fù)載電阻情況下負(fù)載電壓和輸出功率曲線。從圖9中可以看出，當(dāng)負(fù)載電阻為5Ω時(shí)，即當(dāng)負(fù)載電阻接近兩相繞組內(nèi)阻之和時(shí)，得到最大輸出功率，約為35W。當(dāng)負(fù)載電阻繼續(xù)增大時(shí)，負(fù)載電壓增大，輸出功率減小，當(dāng)負(fù)載電阻在25Ω左右時(shí)，負(fù)載電壓和輸出功率趨于平穩(wěn)，此時(shí)，輸出功率約為22.5W，輸出電流約為1A，能夠有效地供貨車車輛使用。

4結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了Halbach陣列結(jié)構(gòu)圓筒型永磁直線電機(jī)，并應(yīng)用有限元軟件Ansoft對(duì)電機(jī)進(jìn)行了仿真，得到了電機(jī)的空載電動(dòng)勢(shì)波形，磁力線和氣隙磁通密度分布，驗(yàn)證了Halbach陣列結(jié)構(gòu)圓筒型永磁直線電機(jī)的優(yōu)良特性。同時(shí)，利用Matlab/Simulink軟件對(duì)電機(jī)進(jìn)行了仿真分析，從仿真結(jié)果可知，設(shè)計(jì)的電機(jī)產(chǎn)生的電能能夠有效地為蓄電池充電，或?yàn)槠渌姎庠O(shè)備供電，從而能夠在一定程度上解決鐵道貨車車輛上的電源問(wèn)題，達(dá)到了設(shè)計(jì)的目的。

作者：李曉偉倪文波王雪梅單位：西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院