第２５卷第５期 ２０１１年ｌ０月 空军雷达学院学报
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｉｒ Ｆｏｒｃｅ Ｒａｄａｒ Ａｃａｄｅｍｙ Ｖ．０１．２５ Ｎｏ．５ ０ｃｔ．２０１１
文章编号：１６７３．８６９１（２０１１）０５—０３７８．０３
径向充磁圆筒型永磁直线电机的有限元分析
吴强， 熊 浩， 让余奇， 李槐树
（海军．Ｔ－程大学电气－９信息工程学院，武汉４３００３３）
摘要：圆筒型永磁直线电机作为线性驱动装置，需要从旋转运动到直线运动的机械结构转换，同时磁场沿 轴向均匀分布，起动推力易受到电压波动的影响，因此其设计与分析的方法与传统的旋转电机有所不同．
以Ａｎｓｙｓ软件为工具，对径向充磁圆筒型直线电机的磁场分布和电磁推力进行了计算，并将其计算结果与轴向充
磁圆筒型永磁直线电机的计算结果进行了分析比较．结果表明，径向充磁圆筒型直线电机的控制平稳性能更高． 关键词：径向充磁；圆筒型；永磁直线电机；有限元分析 中图分类号：ＴＭ３５ 文献标志码：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６９／｛．ｉｓｓｎ．１６７３．８６９１．２０１１．０５．０１９
圆筒型永磁直线电机结合了直线电机和永
磁电机两者的优点，具有体积小、推力大、功率
因数高等特点，使其在工业自动化、机械、军事
等各种往复直线运动应用场合均具有较为明显
的技术优势和推广价值 ．目前，在考虑边端效
应时利用有限和直接边界相结合的方法来计算
高速圆筒直线感应电机的磁场分布和受力；用三
维有限元对复合初级和１个次级的高速圆筒型
直线电机的电磁场进行分析；利用对称模型对初
次级的同轴高速圆筒型直线感应电机进行电磁
场分析，计算其电磁推力，对电机进行优化设
计；用有限元分析超导交流绕组的高速圆筒型直
绕感应电机，并优化初级电流分布；用二维有限
元考虑电机气隙的非线性方法硎．本文以Ａｎｓｙｓ
软件为工具，对２种充磁圆筒型直线电机的磁场
分布和电磁推力进行计算，并将２种电机的计算
结果进行比较．
１ 电机参数与几何建模
为了对径向充磁圆筒型直线电机的结构进
行分析ｆ３－６１，作如下假设 ：①磁场沿轴向均匀分
布；②电机外壳以外的磁场很弱，可以忽略不
计，因此，初级和次级外表面都可近似为零矢量
的等磁位面；③导体内的电流密度均匀分布；
④铁心的磁导率是各向同性的，不计磁滞效应，
同时也忽略涡流效应；⑤电机长度为无限长，忽
略边端效应．
径向充磁圆筒型直线电机参数如表１所
示．在Ａｎｓｙｓ中的几何建模如图１所示． 表１径向充磁圆筒型直线电机参数
参数 取值／ｍｉ／１
极距（ｒ） 初级内径（Ｄ）
不锈钢轴直径（Ｄ０）
次级外径 永磁体厚度（ｂ）
初级外径（Ｄ ）
胶木厚度
槽深 槽宽
图１ 径向充磁圆筒型永磁直线电机的几何模型
２有限元分析的过程和结果
２．１磁场分析 图２为径向充磁圆筒型永磁直线电机的二
维有限元剖分图．
模型网格划分结束后，就要施加载荷．永
磁直线电机由永磁体作为激励源，通过材料特性
中矫顽力设置即可，不必另外施加激励．分析空
载情况时，不必加载荷；分析负载情况时，在槽
收稿日期：２０１１－０５—０４ 作者简介：吴强（１９６９一），男，副教授，主要从事电力电子和电力系统仿真技术研究 祁∞ 鼹Ｍ
ｍ 第５期 吴强，等：径向充磁圆筒型永磁直线电机的有限元分析 ３７９
内区域加负载电流．在此取额定状态，给绕组加
上电流密度．对于边界约束问题，假设②认为电
机外壳以外的磁场很弱，可以忽略不计，因此，
初级和次级外表面都可近似为零矢量的等磁位
面，在直线电机初级外表面施加磁力线平行条
件．将电机的次级以及次级加气隙分别定义为组
件，给予电机次级组件施加力的标志，以期求得电
机次级所受电磁力．施加耦合条件并剔除重复耦
合点．将会产生重复耦合的点手动剔除，再为电
机施加气隙耦合条件和周期重复耦合条件．
图２径向充磁圆筒型永磁直线电机的剖分图 ２．２计算结果
径向充磁圆筒型永磁直线电机磁力线和磁
密分布如图３一图７所示．其中图６是动子走过
不同角度０时的磁场分布（ｏ为动子位移对应的
角度），图７为使用虚功法和麦克斯韦张量法求
得的直线电机次级电磁推力．比较可以看出，两
者比较接近．
图３ 初始状态磁力线分布
雪 宣
图４初始状态１／２剖面磁密图 Ａｎｓｙｓ拥有强大的后处理功能，本文定义１
条路径：在电机初级内表面定义Ａ、Ｂ ２个点，连
接２点建立路径，同时将磁场密度 在径向上分
量映射到路径，沿路径显示数据． 图５初级内表面磁密分布
（ｃ） 目＝３６０。 图６ 电机在 ＝１２０￣，２４０￣，３６０。时的磁力线分布
冬 餐 删
电角度，（ ）
图７电机电磁推力曲线
通过分析计算结果，可以发现径向充磁圆
筒型直线电机磁场由以下特点：①漏磁通较大，
从磁力线分布图中可以看出有小部分磁力线未
通过气隙而是通过不锈钢轴闭合；随着 增大，
动子位移增加，端部漏磁相应增加．②从初级内
表面径向方向磁场密度分布图可以看出，磁通密
度较小．
３８０ 空军雷达学院学报 ２０１１血
２．３对比分析
另一台几何尺寸相同而采用轴向充磁的永磁
直线电机的有限元计算结果如图８所示．２种充
磁圆筒型直线电机的电磁推力曲线如图９所示．
（ａ】初级内表面磁力线分布
电机轴向长度／ｃｍ
（ｂ）初级内表面磁密分布 图８轴向充磁圆筒型永磁直线电机
初级内表面磁力线与磁密分布
． ～ ． ３００｝’、 ‘
、、 ／＼、
１００ ｌ …轴向充磁
０ ５０ １００ １５０ ２００ ２５０ ３００ ３５０ 电角度，（。）
图９径向与轴向充磁圆筒型永磁直线电机
级内表面磁力线与磁密分布 通过对比分析可以看出：①径向充磁的漏
磁通过多，对磁场利用率较轴向充磁的低．②径
向充磁的较轴向充磁初级内表面径向方向磁场
密度较小．③径向充磁的次级所受磁场力相对
较小，却较为平稳；而轴向充磁的次级所受磁场
力较大，同时波动也大．
３结论
Ａｎｓｙｓ软件是一种功能强大的有限元分析软
件，可以准确、方便地对圆筒型直线电机电磁场
问题进行分析和计算．本文计算结果表明径向
充磁圆筒型直线电机适宜于对控制平稳性要求
高的场合，而轴向充磁圆筒型直线电机则适宜用
于大推力场合．
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Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ．Ｍａｇｎｅｔ Ｌｉｎｅａｒ Ｍｏｔｏｒ
ＷＵ Ｑｉａｎｇ，ＸＩＯＮＧ Ｈａｏ，ＲＡＮＧ Ｙｕ－ｑｉ，ＬＩ Ｈｕａｉ－ｓｈｕ
ｆＣｏｌｌｅｇｅ ｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌ＆Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｖａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｗｔｔｈａｎ ４３００３３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ—ｍａｇｎｅｔ ｌｉｎｅａｒ ｍｏｔｏｒ（ＰＭＬＭ），ａｇ ａ ｌｉｎｅａｒ ｄｒｉｖｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ，ｒｅｑｕｉｒｅｓ ｆｏｒ
ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｒｏｔａｔｉｏｎ ｔｏ ｌｉｎｅａｒ ｍｏｔｉｏｎ ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ｉｓ ｏｆ ｕｎｉｆｏｒｍ
ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔａｒｔｉｎｇ ｔｈｒｕｓｔ ｌｉａｂｌｅ ｔｏ ｂｅｉｎｇ ｉｍｐａｃｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｖｏｌｔａｇｅｓ，ｗｈｉｃｈ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎ ｔｈｅ
ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ａｎｄ ａｎａｌｙｔｉｃ ｓｃｈｅｍｅｓ ｏｆ ＣＰＭＬＭ ａｒｅ ｓｏｍｅｗｈａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｆｒｏｍ ｔｈｏｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｍｏｔｏｒｓ．Ｂｙ
ｔａｋｉｎｇ ＡＮＳＹＳ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｓ ｔｏｏｌｓ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｃａｌｃｕｌａｔｅｓ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏ—ｍａｇｎｅｔｉｃ ｔｈｒｕｓｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ
ｏｆ ｔｈｅ ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｒａｄｉａｌ ｍａｇｎｅｔｉｚｉｎｇ ＰＭＬＭ，ａｎｄ ｍａｋｅｓ ａｎ ａｎａｌｙｔｉｃ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｉｔｓ ｒｅｓｕｌｔ ａｎｄ ｔｈａｔ ｏｆ
ｔｈｅ ｃｙｌｉｎｄｅｒ ａｘｉａｌ ｍａｇｎｅｔｉｚｉｎｇ ＰＭＬＭ，ｗｈｉｃｈ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｔａｂｌｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｙｌｉｎｄｅｒ
ｒａｄｉａｌ ｍａｇｎｅｔｉｚｉｎｇ ＰＭＬＭ ｉｓ ｍｕｃｈ ｂｅＲｅｒ．
Ｋｅｙ ＷＯｒｄｓ：ｒａｄｉａｌ ｍａｇｎｅｔｉｚｉｎｇ；ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ＰＭＬＭ；ＦＥ ａｎａｌ
ｙｓｉｓ