JMAG 应用说明——永磁直线电机的齿槽分析

直线电机因其高响应能力、定位准确，已广泛应用于机床的载体装置和驱动单元。而想要提高直线电机的响应能力，我们需要获得比较大的推力以增强响应性；并且另一方面也需要权衡减少推力变化和吸引力的关系。而本文档会为大家介绍这方面的分析方法。

为了获得较大的推力，需要考虑材料的非线性磁性能和磁铁的退磁特性，为了评估推力的变 化，需要在建模出详细的几何图形后进行分析。这就是为什么需要用基于有限元法(FEM)的磁场分析仿真来研究它们的原因。

这篇笔记介绍了如何获得齿槽、推力变化的方法，以及在驱动过程中如何评估推力和吸引力。

用于此分析的前提、组件、材料、绕组和驱动条件的规格如下所示。

本研究的假设如下：

• 电机由定子和动子组成

• 定子由定子铁芯和线圈组成

• 动子由动子铁下心和磁铁组成

• 动子的运动是纯平移的

• 流过线圈的激励为三相正弦交流电

分析目标的几何形状和各部件的名称如图 2.1 所示，各部件的规格如表 2.1 所示。

图 2.1 永磁电刷电机

表2.1 电机规格

各部件的材料如表 2.2 所示，磁体的充磁方向如图 2.3 所示。

表 2.2 材料特性

图 2.2 BH 曲线(定子铁芯、动子铁芯)

图 2.3 磁钢充磁方向

绕组设置如表2.3 所示，分布式绕组接线方式如图 2.4 所示。

表 2.3 绕组规格

图 2.4 绕线方式

驱动条件设定见表2.4。

表 2.4 驱动器条件设定

图 4.1 为齿槽力波形；为了找出齿槽力产生的原因，本案例分析了图4.1中蓝色圈出的位置的磁通密度分布如图 4.2 所示。图4.2显示，动子末端的磁通密度分布不均匀。且这种磁路的不平衡是造成较大齿槽波纹的关键因素。

图 4.1 齿槽力波形

图 4.2 磁通量密度分布(动子位置:50 mm)

运行位置和推力的关系如图 4.3 所示，运行位置和引力如图 4.4 所示。从图中可以看出，推力和引力的周期与齿槽力的周期。因此齿槽纹波会影响推力的变化，因此为了减小推力的变化，需要将齿槽纹波做得更小。引力也与旋转机器中的径向力 相同，也就是说它受到间隙中磁通量流动的影响，因此可以通过改变槽的几何形状来减小垂直 于间隙流动的磁通量来减小引力。

图 4.3 位置与推力

图 4.4 位置与引力