关键词：直线感应电机；Ansoft；性能分析
中图分类号：TM 359.4 文献标识码:A
Chen Hongyan, Zhang Konglun
（Maglev Research Institute, Southwest Jiaotong University,
Chengdu610031, Sichuan Province, China）
（西南交通大学，磁浮列车与磁浮技术研究所，四川省，成都，610031）
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
直线电机与旋转电机有相似之处，即当直线电机的初级绕阻通入三相对称电流后，便会在气隙中产生与旋转磁场相类似的沿直线方向移动的行波磁场，次级在此磁场的作用下将产生定向的直线运动。但是，直线电机与旋转电机不同之处是，因为前者铁心开断，不像后者那样具有闭合圆环形状，而是长直的，两端开断。由于铁心及其安置在槽中的绕阻不连续，所以各相之间的互感不相等，也就是说，即使在初级上加个三相对称交流电压，在各相绕产生的电流实际上也是不对称的，利用对称分量法对电机的三相电流进行分解，可以分解成正序、负序、零序电流。对应这三种电流在气隙中产生三种磁场，即正向行波磁场，反向行波磁场和脉振磁场。反向行波磁场和脉振磁场的效应不论是否考虑次级的反作用都是存在的，即所谓的第一类边缘效应。另一方面，当短初级直线感应电机的次级导体板以高速相对于初级运动时，在初级的进入端和离开端会产生磁场畸变，这是由于次级导体板中的涡流使进入端的磁场消弱，离开端的磁场加强所致。这种类型的磁场畸变称为第二类纵向边缘效应。对于一般的电机，电磁气隙与初级铁心宽度的比值较小，次级宽度又大于初级铁心宽度，第一类横向边缘效应可不必考虑。当相在次级导体板宽度及电导率的影响，此时的横向磁场分布的产生不均匀，即第二类边缘效应，也是需要考虑的。
由于其结构的特殊性，其性能指标与传统的旋转感应电机差别较大。横向边缘效应，特别是端部效应的存在，使得直线感应电机的瞬态特性分析要比旋转感应电机困难的多。近些年来，有限元方法在电机电磁场的问题的求解已被广泛应用。有限元商业化软件已成为电机设计和分析的重要工具。其中Ansoft公司的MAXELL 2D软件，在低频二维电磁场仿真方面具有出色的性能。采用这一软件对单边型直线感应电动进行分析研究。
2 MAXELL 2D 软件简介
Ansoft公司是全球最大的提供以电磁技术为核心的专业EDA厂商。Ansoft系列软件由该公司开发，其中的Maxwell 2D模块是一个功能强大、结果精确、易于使用的二维电磁场有限元分析软件。Maxwell 2D以分析涡流、位移电流、集肤效应和邻近效应具有不可忽视作用的系统，得到电机、母线、变压器、线圈等电磁部件的整体特性，功率损耗、线圈损耗、某一频率下的阻抗、力、转矩、电感、储能等参数也可以自动计算，同时也可以给出整个相位的磁力线、磁场强度（H）,磁通密度（B）、能量密度、温度分布等图形结果。此外还能自动计算力、转矩、电感以及各种线性、非线性及各向异性材料中的饱和问题。其中的瞬态场模块则用于电压、电流源为非正弦激励，或者模型中的物体处于平动或转动状态的情况，或者磁场、能量、力、功率损耗、速度等物理量是时间函数等。这一特点对于建模、分析和计算直线感应电机是相当方便的。
Maxwell 2D/3D软件目前己经被广泛应用于电机、电子、汽车、航空、航天、生物医学和国防军工等领域，世界上相关领域的大公司如西门子、通用汽车、NASA（美国国家航空和宇宙航行局）等著名企业和机构。
3 直线感应电机电磁分析
Maxwell 2D软件相对于其它有限元分析商业软件来说，使用起来相对比较简单。使用者仅需对所计算的问题做出答复，作为输入，便能获得所需的结果，不需要了解有限元法求解的详细过程。使用Maxwell 2D软件，对直线感应电机进行仿真分析，最主要的是建立仿真模型，其过程如下：
1.先择求解器，这里我们选择Transient求解。
2.根据直线感应电机各部分设计尺寸，画出电机二维几何模型。
3.确定直线感应电机各部分的材料属性。
4.确定有限元计算的边界条件和外加电源。
5.选择执行参数，如受力、转矩、损耗等。
6.确定动态参量。包括确定运动边界、外加载荷、时间步长等。
完成以上六个步骤以后，Maxwell 2D软件就可以对此模型进行瞬时参数扫描求解。
4 建模与求解
根据以上的步骤，本文对一扁平单边型复合次级直线感应电动机空载起动进行仿真分析。电机设计参数，如表1所示。
在Ansoft中的几何模型如图1所示。
图1 ANSOFT Maxwell 2D 的直线感应电机模型
4.1 磁场分析
图2为直线感应电机的二维有限元剖分图。
图2 有限元剖分结果
图3为t=0.325秒时的磁场分布。
图3 t=0.325s 时的磁场分布
图4为t=0.325秒时气隙中磁场磁通密度随位置的分布。
图4 气隙中磁场磁通密度随位置的分布（t＝0.325s）
4.2 仿真结果
直线感应电机起动时推力、法向力曲线随时间的变化曲线如图5所示。
图5 直线感应电机仿真结果
这些曲线与常见的实验曲线相一致。除此以外还可以观察线圈电流、电压、感应电动势、转子磁链等。采用Maxell2D对直线感应电动机进行电磁分析和仿真研究，可以得到电机的电磁场分布，并能反映出直线感应电动机瞬态性能。通过仿真分析，可以避免“设计— 试制— 修正”的复杂过程，对于设计人员来说，可能通过软件的分析来及时发现设计的缺陷，适当调整设计参数，使电机的性能得到优化。
参考文献：
1.刘国强，赵凌志，蒋继娅.Ansoft工程电磁场有限元分析[M]，北京：电子工业出版社，2005: 133-143
2.裘昌利，张红梅，刘少克.基于Ansoft的直线感应电机性能分析，微特电机，2006.11:22-26
3.张红梅.直线感应电机牵引系统的仿真及磁浮交通中电磁力的计算.国防科技大学硕士学位论文，2005
作者简介：陈红艳，（1982-），女，硕士研究生。
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