短时高过载无槽圆筒型永磁直线电机电磁及温升特性研究

摘要

无槽圆筒型永磁直线电机(Tubular Permanent Magnet Linear Motor, TPMLM)具有绕组利用率高,定位力小,电枢反应小等优点,在直线运动场合中具有巨大的应用前景。对于已有的无槽TPMLM,较低的磁负荷限制了电机推力密度的提高。此外,提高电机电负荷利于提高推力密度,但是此时电机发热温升迅速,影响电机的可靠性,因此必须准确预估电机温升。本文以负载大范围变化的伺服系统为应用背景,开展此类电机的电磁及温升特性研究,以提高TPMLM的推力性能,保证其可靠性,进而拓展其应用。
　　本文首先进行电机磁场计算分析,在此基础上开展无槽TPMLM初级(动子)绕组的特性研究。针对单个虚槽内不同位置处绕组产生的反电势具有相角差,且与相间绝缘相关的特殊性,提出了虚槽内轴向绕组分布因数,并给出其计算公式,研究得到虚槽内绕组轴向分布特性。针对绕组所在位置属于物理气隙,绕组厚度与电磁负荷紧密关联特性,开展绕组厚度优化研究,揭示绕组厚度对电机推力及电机常数的影响规律。
　　针对次级(定子)上存在漏磁大、铁心利用率低的缺点,提出类梯型、凸型、类V型和类U型四种新型磁极,通过增聚磁原理,提高电机的磁负荷。研究指出,类梯形和凸型磁极通过增加定子铁心外径处宽度,提高铁心利用率,提高了气隙磁场强度。类V型磁极使单块永磁体厚度减半,克服了厚的永磁体易在非导磁轴上形成漏磁路的缺点,具有聚磁效果。类U型磁极兼具聚磁和增磁效果,使气隙磁密基波幅值大幅度提高,且高次谐波分量没有增加,电机推力提高。对各磁极参数的研究结果表明当次级外径/内径比越大时,采用类梯形和凸型磁极的优势越明显,而当次级外径/内径比越小时,采用类V型和类U型磁极更利于改善磁场,提高电机的推力。研制了无槽TPMLM样机,并进行空载反电势及电磁力测试研究。
　　针对电机温升计算中绕组建模困难问题,建立改进的圆环形分层等效绕组模型,并开展不同电密下环形线圈的温升计算与测试研究,验证绕组模型的有效性,并揭示高电密时线圈内温度梯度分布及温升规律,从而为电机电负荷的选取提供参考。针对无槽TPMLM工作时各表面空气流动及散热复杂的特点,建立基于动网格的电机外部流体场计算模型,计算得到次级表面及气隙内空气流动规律,在此基础上给出各表面散热系数的计算方法。
　　分析指出无槽TPMLM热交换的特殊性:定子外表面部分区域在自然对流和强制对流换热两种状态下反复变换。针对这种特殊性,综合热路和温度场方法的无槽TPMLM温升计算模型,并进行不同工况下无槽TPMLM的温升计算研究:当动子行程长时,建立动子温度场、定子温度场及变化气隙的热路模型,并构建气隙热路和动子、定子温度场之间的热边界关联性;当动子行程短时,建立动子和定子耦合区域温度场计算模型,以及定子非耦合区域热路模型,并根据传热相等原理,将定子耦合区域向非耦合区域的传热等效为耦合区域温度场计算的热边界条件。热路和温度场综合计算的方法,既利于提高温升计算精度,又利于减小计算模型。在此基础上计算揭示短时高过载时无槽TPMLM的温升规律。通过开展电机动态和静态温升实验研究,对综合热路和温度场计算的方法及其结果进行了验证。
　　深入分析短时高过载电机的发热、吸热及散热规律,指出提高电机本身吸收热量的能力,是降低短时高过载无槽TPMLM绕组温升的一个有效途径。在此基础上开展绝缘结构导热优化研究,计算表明,对于短时高过载无槽TPMLM,导热优化增强了绕组向其它部位的导热,增大了电机本身吸热量,减小了绕组与其它部位的温差,从而有效降低了绕组温升。比较研究了不同工况下导热优化、散热优化、和采用新型磁极以减小损耗的方法对于降低无槽TPMLM温升的效果,研究结果对于合理进行热优化设计以降低电机温升具有指导意义。
　　通过上述研究,获得提高此类电机磁负荷以提高电机推力的方法。同时,通过温升计算方法及热优化措施研究,以准确预估及抑制高电负荷时绕组温升,从而提高电机的可靠性。

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第1章 绪论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 TPMLM的特点及研究综述

1.3 TPMLM的电磁研究现状分析

1.4 直线电机温升计算方法发展趋势分析

1.5 本论文主要研究内容

第2章 无槽TPMLM的磁场及绕组因数计算

2.1 引言

2.2 TPMLM结构和磁路特点

2.3 无槽TPMLM气隙磁场的数值分析

2.4 无槽TPMLM的绕组分布特性及电磁力计算

2.5 绕组厚度对推力及电机常数的影响

2.6 无槽TPMLM的宽负载工作特性

2.7 本章小结

第3章 无槽TPMLM次级的漏磁及其抑制

3.1 引言

3.2 矩形磁极的漏磁及铁心利用率分析

3.3 类梯形磁极与凸型磁极研究

3.4 类V型磁极研究

3.5 类U型磁极研究

3.6 无槽TPMLM的定位力计算及其抑制

3.7 无槽TPMLM的样机研制及电磁测试

3.8 本章小结

第4章 无槽TPMLM的导热散热特性分析及损耗计算

4.1 引言

4.2 无槽TPMLM的温升计算理论

4.3 改进的分层绕组等效模型

4.4 无槽TPMLM的表面空气流动及散热计算

4.5 高过载无槽TPMLM的损耗大小及分配规律

4.6小结

第5章 热路和温度场综合的无槽TPMLM温升计算

5.1 引言

5.2 无槽TPMLM温升计算的特殊性

5.3 长行程工况下无槽TPMLM的暂态温升计算

5.4 短行程工况下无槽TPMLM的温升计算

5.5 无槽PMLSM样机的温升测试

5.6 本章小结

第6章 短时高过载无槽TPMLM的绕组温升抑制

6.1 引言

6.2 无槽TPMLM的热优化原理

6.3 无槽TPMLM的导热优化研究

6.4 不同工况下无槽TPMLM的绕组温升抑制

6.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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