摘要：使用Ansoft軟件輔助直線感應(yīng)電機(jī)的設(shè)計(jì)和分析，并對(duì)電機(jī)的磁場(chǎng)分布和運(yùn)行性能進(jìn)行仿真給出了仿真結(jié)果，并對(duì)仿真方法作了簡(jiǎn)要的說(shuō)明。 關(guān)鍵詞：直線感應(yīng)電機(jī)；Ansoft；性能分析 中圖分類號(hào)：TM 359.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A [align=center]FEM Inductances of the Electromagnetic Field of Linear Motors Chen Hongyan, Zhang Konglun （Maglev Research Institute, Southwest Jiaotong University, Chengdu610031, Sichuan Province, China） （西南交通大學(xué)，磁浮列車與磁浮技術(shù)研究所，四川省，成都，610031）[/align] Abstract ：The process of design and analysis of linear induction motor can be directed by Ansoft . The distribution of magnetic field and the running performance are discribed by simulation figures. Key words：linear induction motor； Ansoft ； analysis of performance 1 引言 直線電機(jī)與旋轉(zhuǎn)電機(jī)有相似之處，即當(dāng)直線電機(jī)的初級(jí)繞阻通入三相對(duì)稱電流后，便會(huì)在氣隙中產(chǎn)生與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相類似的沿直線方向移動(dòng)的行波磁場(chǎng)，次級(jí)在此磁場(chǎng)的作用下將產(chǎn)生定向的直線運(yùn)動(dòng)。但是，直線電機(jī)與旋轉(zhuǎn)電機(jī)不同之處是，因?yàn)榍罢哞F心開(kāi)斷，不像后者那樣具有閉合圓環(huán)形狀，而是長(zhǎng)直的，兩端開(kāi)斷。由于鐵心及其安置在槽中的繞阻不連續(xù)，所以各相之間的互感不相等，也就是說(shuō)，即使在初級(jí)上加個(gè)三相對(duì)稱交流電壓，在各相繞產(chǎn)生的電流實(shí)際上也是不對(duì)稱的，利用對(duì)稱分量法對(duì)電機(jī)的三相電流進(jìn)行分解，可以分解成正序、負(fù)序、零序電流。對(duì)應(yīng)這三種電流在氣隙中產(chǎn)生三種磁場(chǎng)，即正向行波磁場(chǎng)，反向行波磁場(chǎng)和脈振磁場(chǎng)。反向行波磁場(chǎng)和脈振磁場(chǎng)的效應(yīng)不論是否考慮次級(jí)的反作用都是存在的，即所謂的第一類邊緣效應(yīng)。另一方面，當(dāng)短初級(jí)直線感應(yīng)電機(jī)的次級(jí)導(dǎo)體板以高速相對(duì)于初級(jí)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在初級(jí)的進(jìn)入端和離開(kāi)端會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)畸變，這是由于次級(jí)導(dǎo)體板中的渦流使進(jìn)入端的磁場(chǎng)消弱，離開(kāi)端的磁場(chǎng)加強(qiáng)所致。這種類型的磁場(chǎng)畸變稱為第二類縱向邊緣效應(yīng)。對(duì)于一般的電機(jī)，電磁氣隙與初級(jí)鐵心寬度的比值較小，次級(jí)寬度又大于初級(jí)鐵心寬度，第一類橫向邊緣效應(yīng)可不必考慮。當(dāng)相在次級(jí)導(dǎo)體板寬度及電導(dǎo)率的影響，此時(shí)的橫向磁場(chǎng)分布的產(chǎn)生不均勻，即第二類邊緣效應(yīng)，也是需要考慮的。 由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，其性能指標(biāo)與傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電機(jī)差別較大。橫向邊緣效應(yīng)，特別是端部效應(yīng)的存在，使得直線感應(yīng)電機(jī)的瞬態(tài)特性分析要比旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電機(jī)困難的多。近些年來(lái)，有限元方法在電機(jī)電磁場(chǎng)的問(wèn)題的求解已被廣泛應(yīng)用。有限元商業(yè)化軟件已成為電機(jī)設(shè)計(jì)和分析的重要工具。其中Ansoft公司的MAXELL 2D軟件，在低頻二維電磁場(chǎng)仿真方面具有出色的性能。采用這一軟件對(duì)單邊型直線感應(yīng)電動(dòng)進(jìn)行分析研究。 2 MAXELL 2D 軟件簡(jiǎn)介 Ansoft公司是全球最大的提供以電磁技術(shù)為核心的專業(yè)EDA廠商。Ansoft系列軟件由該公司開(kāi)發(fā)，其中的Maxwell 2D模塊是一個(gè)功能強(qiáng)大、結(jié)果精確、易于使用的二維電磁場(chǎng)有限元分析軟件。Maxwell 2D以分析渦流、位移電流、集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)具有不可忽視作用的系統(tǒng)，得到電機(jī)、母線、變壓器、線圈等電磁部件的整體特性，功率損耗、線圈損耗、某一頻率下的阻抗、力、轉(zhuǎn)矩、電感、儲(chǔ)能等參數(shù)也可以自動(dòng)計(jì)算，同時(shí)也可以給出整個(gè)相位的磁力線、磁場(chǎng)強(qiáng)度（H）,磁通密度（B）、能量密度、溫度分布等圖形結(jié)果。此外還能自動(dòng)計(jì)算力、轉(zhuǎn)矩、電感以及各種線性、非線性及各向異性材料中的飽和問(wèn)題。其中的瞬態(tài)場(chǎng)模塊則用于電壓、電流源為非正弦激勵(lì)，或者模型中的物體處于平動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)的情況，或者磁場(chǎng)、能量、力、功率損耗、速度等物理量是時(shí)間函數(shù)等。這一特點(diǎn)對(duì)于建模、分析和計(jì)算直線感應(yīng)電機(jī)是相當(dāng)方便的。 Maxwell 2D/3D軟件目前己經(jīng)被廣泛應(yīng)用于電機(jī)、電子、汽車、航空、航天、生物醫(yī)學(xué)和國(guó)防軍工等領(lǐng)域，世界上相關(guān)領(lǐng)域的大公司如西門(mén)子、通用汽車、NASA（美國(guó)國(guó)家航空和宇宙航行局）等著名企業(yè)和機(jī)構(gòu)。 3 直線感應(yīng)電機(jī)電磁分析 Maxwell 2D軟件相對(duì)于其它有限元分析商業(yè)軟件來(lái)說(shuō)，使用起來(lái)相對(duì)比較簡(jiǎn)單。使用者僅需對(duì)所計(jì)算的問(wèn)題做出答復(fù)，作為輸入，便能獲得所需的結(jié)果，不需要了解有限元法求解的詳細(xì)過(guò)程。使用Maxwell 2D軟件，對(duì)直線感應(yīng)電機(jī)進(jìn)行仿真分析，最主要的是建立仿真模型，其過(guò)程如下： 1.先擇求解器，這里我們選擇Transient求解。 2.根據(jù)直線感應(yīng)電機(jī)各部分設(shè)計(jì)尺寸，畫(huà)出電機(jī)二維幾何模型。 3.確定直線感應(yīng)電機(jī)各部分的材料屬性。 4.確定有限元計(jì)算的邊界條件和外加電源。 5.選擇執(zhí)行參數(shù)，如受力、轉(zhuǎn)矩、損耗等。 6.確定動(dòng)態(tài)參量。包括確定運(yùn)動(dòng)邊界、外加載荷、時(shí)間步長(zhǎng)等。 完成以上六個(gè)步驟以后，Maxwell 2D軟件就可以對(duì)此模型進(jìn)行瞬時(shí)參數(shù)掃描求解。 4 建模與求解 根據(jù)以上的步驟，本文對(duì)一扁平單邊型復(fù)合次級(jí)直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)空載起動(dòng)進(jìn)行仿真分析。電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)，如表1所示。 [align=center]表1直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)算例參數(shù) [/align] 在Ansoft中的幾何模型如圖1所示。 [align=center] 圖1 ANSOFT Maxwell 2D 的直線感應(yīng)電機(jī)模型[/align] 4.1 磁場(chǎng)分析 圖2為直線感應(yīng)電機(jī)的二維有限元剖分圖。 [align=center] 圖2 有限元剖分結(jié)果[/align] 圖3為t=0.325秒時(shí)的磁場(chǎng)分布。 [align=center] 圖3 t=0.325s 時(shí)的磁場(chǎng)分布[/align] 圖4為t=0.325秒時(shí)氣隙中磁場(chǎng)磁通密度隨位置的分布。 [align=center] 圖4 氣隙中磁場(chǎng)磁通密度隨位置的分布（t＝0.325s）[/align] 4.2 仿真結(jié)果 直線感應(yīng)電機(jī)起動(dòng)時(shí)推力、法向力曲線隨時(shí)間的變化曲線如圖5所示。 [align=center] 圖5 直線感應(yīng)電機(jī)仿真結(jié)果[/align] 這些曲線與常見(jiàn)的實(shí)驗(yàn)曲線相一致。除此以外還可以觀察線圈電流、電壓、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、轉(zhuǎn)子磁鏈等。采用Maxell2D對(duì)直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行電磁分析和仿真研究，可以得到電機(jī)的電磁場(chǎng)分布，并能反映出直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)瞬態(tài)性能。通過(guò)仿真分析，可以避免“設(shè)計(jì)— 試制— 修正”的復(fù)雜過(guò)程，對(duì)于設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，可能通過(guò)軟件的分析來(lái)及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的缺陷，適當(dāng)調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，使電機(jī)的性能得到優(yōu)化。 參考文獻(xiàn)： 1.劉國(guó)強(qiáng)，趙凌志，蔣繼婭.Ansoft工程電磁場(chǎng)有限元分析[M]，北京：電子工業(yè)出版社，2005: 133-143 2.裘昌利，張紅梅，劉少克.基于Ansoft的直線感應(yīng)電機(jī)性能分析，微特電機(jī)，2006.11:22-26 3.張紅梅.直線感應(yīng)電機(jī)牽引系統(tǒng)的仿真及磁浮交通中電磁力的計(jì)算.國(guó)防科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005 作者簡(jiǎn)介：陳紅艷，（1982-），女，碩士研究生。 西南交通大學(xué)九里校區(qū)242信箱 郵編：610031