供电频率对单边直线感应电机性能的影响分析*

李 兵 王铁军 马战毅 王 众

(1.海军工程大学电气与信息工程学院 武汉 430033)(2.91257部队 舟山 316000)

供电频率对单边直线感应电机性能的影响分析*

李 兵1王铁军1马战毅2王 众1

(1.海军工程大学电气与信息工程学院 武汉 430033)(2.91257部队 舟山 316000)

针对基于单边直线感应电机(SLIM)原理制成的钢板爬壁机器人平台,为了研究其供电频率对性能的影响及下一步的控制策略,本文使用Ansoft有限元分析法对直线感应电机供电频率进行了仿真计算,探讨了电机的推力,法向力,不同部位磁通密度以及次级铁心电流密度随之改变的幅度和规律,并结合Matlab计算了电机频率与功率因数的关系,得到了合理的结果,验证了样机设计的合理性和可行性,为下一步样机的优化设计提供了理论参考。

直线感应电机; 供电频率; 法向力; 推力; 功率因数; 有限元分析

Class Number TM359.4

1 引言

单边直线感应电机(SLIM)作为直线电机的一种形式,在现代工业中所处的地位正在与日俱增。与其他旋转电机相比,它们是一种将电能直接转换成直线运动的线性驱动装置[1～2],具有简单的结构和相对低廉的成本,已广泛应用于民用和军事的各领域,拥有广阔的应用和发展前景[3]。正是如此,越来越多的学者把眼光投身于此,做了很多关于初级重量[4]、功率因数和效率[5～7]、推力、功率与重量比率关系的研究[8],一些等效电路模型的提出促进了SLIM的性能的研究[9～11]。而本文中基于直线感应电机原理制成的钢板爬壁式机器人平台,结构简单,装配容易且吸附力强大。通过法向力,推力和功率因数的有限元仿真计算,研究供电频率对SLIM的性能的影响。

2 直线感应电机系统模型

2.1 SLIM工作原理

SLIM的工作原理与旋转感应电机基本类似,其原理是：初级三相绕组通入三相对称正弦电流后,就会产生气隙磁场。当不考虑因铁心开端引起的边端效应后,气隙磁场沿展开的直线方向呈正弦分布,后随着三相电流的变化按A、B、C相序沿直线运动,这个平移的磁场就是行波磁场,再由楞次定律,行波磁场在次级上感应电动势,产生电流,又由安培定律可知,次级感应电流和气隙磁场相互作用便产生连续电磁推力。如图1所示。

图1 直线感应电机工作原理

2.2 钢板爬壁式机器人平台工作原理和实物模型

而本文是把次级固定,让初级移动,从而把直线电机技术运用到钢板爬壁式机器人平台中。当初级铁心绕组中通以三相交流电,在气隙中就会形成平移磁场,它在次级钢板中就会感生电流,而产生推力,驱动钢板作直线运动,如图2所示。

图2 钢板爬壁式机器人平台移动原理图

所设计的直线感应电机应用于钢板爬壁机器人移动平台,需要较低的移动速度和较大的吸附力,主要目的是为了进行实验验证。依据电机设计理论,多次计算修正得到一个推力及吸附力均满足设计要求的直线感应电机模型。图3、图4为钢板爬壁式机器人平台结构示意图和实物图。

图3 钢板爬壁式机器人平台结构示意图

图4 钢板爬壁式机器人平台实物图

3 SLIM参数及仿真计算

Ansoft Maxwell作为著名的电磁场有限元分析软件,在电机的设计分析中应用十分广泛,它以麦克斯韦方程作为基础,采用有限元方法将电机里面电磁计算转化为矩阵来求解[12]。应用Ansoft软件的Transient模块可方便求解直线感应电机的速度、推力、法向力、边端效应、气隙磁场等特性,从而为电机的设计与分析带来快捷与方便。本文整个系统的仿真模型是采用Ansoft瞬态场搭建的,搭建模型的参数如表1所示。

表1 直线感应样机主要技术参数

在建立好的模型中,更改激励源中输入电流的频率进行仿真运算,综合初级所受电磁力的结果,得到如图5所示曲线。

图5 频率对单边直线感应电机电磁力的影响

由图5可知：在电流恒定的情况下,当供电频率大于100Hz时,初级所受电磁推力与频率成反比,反之,成正比；当供电频率小于100Hz时,初级所受电磁力表现为吸附力,大小与频率成反比。特别是当过了临界点100Hz时,初级所受电磁力表现为排斥力,大小与频率成正比。

图6 直线感应电机磁通密度分布

图6中,随着频率的增大,磁场的渗透深度有所减小,但是该部位的磁通密度有所增加。

由图7可知电流密度为105A/m2,这样大的电流密度产生较大的局部磁动势,从而引起磁通密度的增加和次级铁心的磁饱和。

图7 20Hz时次级铁心的电流密度分布

图8 SLIM的频率与功率因数曲线图

从电机的频率一功率因数结果上可以看出,随着电源频率的提高,电机的功率因数逐渐变大。由于功率因数是由电机结构参数所确定,而在仿真计算中,我们保持电流源幅值的恒定,因此直线感应电机的功率因数不随电流大小的变化而变化,即电流大小不影响功率因数。根据电机的同步速度公式：Vs=2fτ,在τ不变的情况下,电机的同步速度将随着频率的增加而增加；同时频率的增加,导致初级绕组电抗值变大,绕组中的电流将显著减小,电机的功率也将变小。

4 结语

本文基于SLIM的原理,在钢板爬壁机器人平台模型的基础上,使用Ansoft软件对直线感应电机供电频率进行了仿真计算,探讨了电机的推力,法向力,不同部位磁通密度及次级铁心电流密度随之改变的幅度和规律,并结合matlab计算了电机频率与功率因数的关系,得到了合理的结果,对下一步平台性能的改进和控制策略的设计都有良好的指导意义,也为直线电机设计和工程实践应用提供了理论参考。

[1] 叶云岳.直线电机原理与应用[M].北京：机械工业出版社,2000:1-3.

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[12] 赵博,张洪亮,等.Ansoft12在工程电磁场上的应用[M].北京:中国水利水电出版社,2010.

Influence of Supply Frequency on the Performance of Single-Sided Linear Induction Motor

LI Bing1WANG Tiejun1MA Zhanyi2WANG Zhong1

(1. College of Electrical and Information Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033) (2. No. 91257 Troops of PLA, Zhoushan 316000)

Aiming at the influence and future control tactics of its supply frequency on performance of steel-climbing robot platform on basis of Single-Sided Linear Induction Motor, this paper simulates and calculates the supply frequency of LIM by way of finite element method Ansoft, discusses the out thrust, normal force, flux density on different parameters and the current density of the secondary back-icon, and calculates the relation between frequency and power factor of this motor. The result proves the rationality and feasibility of the model machine design, and provides a theoretical reference for the next optimization design of the model machine.

linear induction motor, supply frequency, normal force, output thrust, power factor, finite element method

2014年6月17日,

2014年7月30日

李兵,男,硕士研究生,研究方向:电机与电器。王铁军,男,副教授,研究方向:特种电机原理及其控制。马战毅,男,助理工程师,研究方向:电力电子与电力传动。王众,男,硕士研究生,研究方向:电机与电器。

TM359.4

10.3969/j.issn1672-9730.2014.12.038