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摘要：简单介绍了研究直线磁阻电机的背景意义，利用MAGNET有限元软件对直线磁阻电机进行模型仿真并对结果进行分析，并分析不同参数下直线磁阻电机力特性。
关键词：直线磁阻电机MAGNET有限元分析
0 引言
随着现代电力电子技术和数字信号处理技术的发展，磁阻式电机以其简单结实的机械结构、优越的调速性能愈来愈受到人们的重视。但由于LRM电机的初、次极均为凸极结构，使它在运行过程中存在磁通周期性变化和严重的局部饱和现象，绕组的磁链和电流之间有着高度的非线性关系，同时磁链随动子位置的变化而变化，因此，在开关磁阻电机的研究中，电磁场的计算具有重要的意义[2]，它是整个LRM电机甚至是整个LRM电机驱动系统分析计算的基础，磁场计算的准确程度将影响到对LRM电机稳态运行性能分析的准确性以及控制策略的可靠性。因此对LRM电机磁场的有限元计算分析是很有必要的。
1 基于MAGNET的直线开关磁阻电机的有限元分析
MAGNET软件是由INFOLYTICA公司生产的一种磁场分析仿真软件，是具有2D/3D多自由度瞬态电磁场分析能力的软件。
1.1 直线磁阻电机的有限元模型
低速直线开关磁阻电机运行遵循“磁阻最小原理”[1]，即磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合，而具有一定形状的铁心在移动到最小磁阻位置时，必使自己的主轴线与磁场的轴线重合。如图1所示：
■
上边的分别为动子A相、B相、C相。下边为定子导轨。根据设计的需要，在动子上绕线。C相的两个凸极相对，磁阻最小，不产生牵引力。当开通B相时，由于主轴线与磁场的轴线不重合，根据“磁阻最小原理”必定产生牵引力直到主轴线与磁场的轴线重合，此时B相关断，开通A相，原理如同B相，关断A相，再开通C相，如此循环下去，即：B-A-C-B的方式；如果改变开通的方式，即：B-C-A，则将改变牵引力的方向[3]。
直线磁阻电机主要参数有：定子的凸极与槽宽、动子的凸极与槽宽、电机的横向宽、动子与定子的间隙、各相绕组匝数等等。
根据设计的要求，可以适当选取尺寸。其中X2不能任意选取。开关磁阻电机在依次开通B、A、C三相后，要求C相的定子凸极和动子凸极的相对位置要恢复到起始位置。如图1，y2是电机运行一个周期的行走距离，可以作以下的假设：假定在A相后面再加上一相C相，如果3X2=ky2 (其中k为正整数)，电机运行一个周期后，A相的定子凸极和动子凸极的相对位置就恢复到起始位置，由此可以确定X2的尺寸。这样电机的基本结构就形成了。
绕组设计主要是确定绕组的匝数，确定一组即可(三相对称)。根据公式可以得知
F■=■
选取一组数据：
Fmax=200N，i=10A，y1=10mm，y2=20mm，l=6.5cm，Z
=1mm，C1=2.52，Ns=2，μ■=1.256×10-6，则由公式得N=
175.77匝。取N=176匝。
其中C0，C1——齿距与气隙综合比系数，Ns——动子与定子磁回路对应的极数。
又知，相距X2与极宽y2有如下关系：3X2=ky2
取k=1，则X2=6.667mm
打开MAGNET界面，设计出直线开关磁阻电机的实体模型，大致如图1示。
2 有限元求解结果及分析
在负载驱动下：
当取I=10A，z=1mm时，B相通电26ms，然后A相通电25ms，最后C相通电25ms（即一个周期），其他参数设定好后进行仿真，结果如下图：
■
由上图运动体速度变化曲线可见，速度波动不大，达到了预期效果。
■
动子C相、A相受力曲线与B相类似，仅仅相差了一定的时间。
选取一个周期内不同时刻电机的磁场，如下图示（以A相为例）：
■
3 不同参数下力特性分析与对比
由于影响电机力特性的因素很多，在此我们只选取对电机力特性影响较大的两个方面来进行分析。
3.1 不同电流下电机的力特性
由公式F（x，i）=■i■■可知电流大小直接关系到电机推力大小，仍取前面所建电机模型参数，把电流由10A改为20A，其他参数不变，则电机力特性如图8：
相比于电流为10A，z=1mm 时的力特性（图4），很明显，电流增大之后，定子导轨受力也明显增大，初始时刻由原来的350N左右，增大到400N左右。
将电流由10A增大到20A，其它参数不变，磁场变化情况如图10：
与电流为10A的图形（图6）相比，明显可以看到磁场强度有了较大的增加。
3.2 不同气隙下电机的力特性
仍取前面所建电机模型参数，把初级与次级间的气隙z由1mm改为2mm。
I=10A z=2mm时电机磁场特性如图11，与原来I=10A
z=1（图4）相比，磁场强度有所减弱。
电机力特性如图9，对比图4 I=10A z=1mm时电机力特性曲线，在其他参数不变的情况下，气隙增大1mm，电机受力由原来的350N左右减小到现在的160N左右，由此可见，气隙大小也是影响电机力特性的一个重要因素。
由以上分析可知：LRM的结构十分简单，性能优越。通过增加动子极数即可减少波动，降低噪声，提高控制精度，提高系统稳定性。其推广应用前途十分广泛。
4 结束语
本文以MAGNET软件为基础，进行直线磁阻电机的有限元分析，对所建LRM模型仿真并对结果进行分析，并对不同参数下电机力特性进行分析对比。
由于直线开关磁阻电机特性分析是一个全新的课题，其所涉及的问题还很多，由于时间和各方面条件的限制，一部分结果仅进行了仿真验证，尚需进一步的实验验证，有些问题还需进行更深入的研究。
参考文献：
[1]李发海，朱东起.电机学[M].北京：科学出版社，2001.
[2]童怀.磁阻电机动态特性的非线性分析与计算机仿真[M].北京：科学出版社，2000.11.
[3]叶云岳.直线电机技术手册[M].北京：机械工业出版社，2003.
作者简介：周少正（1982-），男，2007年毕业于河南理工大学电气工程及其自动化专业，助理工程师，主要从事电机设计工作。
关键词：直线磁阻电机MAGNET有限元分析
0 引言
随着现代电力电子技术和数字信号处理技术的发展，磁阻式电机以其简单结实的机械结构、优越的调速性能愈来愈受到人们的重视。但由于LRM电机的初、次极均为凸极结构，使它在运行过程中存在磁通周期性变化和严重的局部饱和现象，绕组的磁链和电流之间有着高度的非线性关系，同时磁链随动子位置的变化而变化，因此，在开关磁阻电机的研究中，电磁场的计算具有重要的意义[2]，它是整个LRM电机甚至是整个LRM电机驱动系统分析计算的基础，磁场计算的准确程度将影响到对LRM电机稳态运行性能分析的准确性以及控制策略的可靠性。因此对LRM电机磁场的有限元计算分析是很有必要的。
1 基于MAGNET的直线开关磁阻电机的有限元分析
MAGNET软件是由INFOLYTICA公司生产的一种磁场分析仿真软件，是具有2D/3D多自由度瞬态电磁场分析能力的软件。
1.1 直线磁阻电机的有限元模型
低速直线开关磁阻电机运行遵循“磁阻最小原理”[1]，即磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合，而具有一定形状的铁心在移动到最小磁阻位置时，必使自己的主轴线与磁场的轴线重合。如图1所示：
■
上边的分别为动子A相、B相、C相。下边为定子导轨。根据设计的需要，在动子上绕线。C相的两个凸极相对，磁阻最小，不产生牵引力。当开通B相时，由于主轴线与磁场的轴线不重合，根据“磁阻最小原理”必定产生牵引力直到主轴线与磁场的轴线重合，此时B相关断，开通A相，原理如同B相，关断A相，再开通C相，如此循环下去，即：B-A-C-B的方式；如果改变开通的方式，即：B-C-A，则将改变牵引力的方向[3]。
直线磁阻电机主要参数有：定子的凸极与槽宽、动子的凸极与槽宽、电机的横向宽、动子与定子的间隙、各相绕组匝数等等。
根据设计的要求，可以适当选取尺寸。其中X2不能任意选取。开关磁阻电机在依次开通B、A、C三相后，要求C相的定子凸极和动子凸极的相对位置要恢复到起始位置。如图1，y2是电机运行一个周期的行走距离，可以作以下的假设：假定在A相后面再加上一相C相，如果3X2=ky2 (其中k为正整数)，电机运行一个周期后，A相的定子凸极和动子凸极的相对位置就恢复到起始位置，由此可以确定X2的尺寸。这样电机的基本结构就形成了。
绕组设计主要是确定绕组的匝数，确定一组即可(三相对称)。根据公式可以得知
F■=■
选取一组数据：
Fmax=200N，i=10A，y1=10mm，y2=20mm，l=6.5cm，Z
=1mm，C1=2.52，Ns=2，μ■=1.256×10-6，则由公式得N=
175.77匝。取N=176匝。
其中C0，C1——齿距与气隙综合比系数，Ns——动子与定子磁回路对应的极数。
又知，相距X2与极宽y2有如下关系：3X2=ky2
取k=1，则X2=6.667mm
打开MAGNET界面，设计出直线开关磁阻电机的实体模型，大致如图1示。
2 有限元求解结果及分析
在负载驱动下：
当取I=10A，z=1mm时，B相通电26ms，然后A相通电25ms，最后C相通电25ms（即一个周期），其他参数设定好后进行仿真，结果如下图：
■
由上图运动体速度变化曲线可见，速度波动不大，达到了预期效果。
■
动子C相、A相受力曲线与B相类似，仅仅相差了一定的时间。
选取一个周期内不同时刻电机的磁场，如下图示（以A相为例）：
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3 不同参数下力特性分析与对比
由于影响电机力特性的因素很多，在此我们只选取对电机力特性影响较大的两个方面来进行分析。
3.1 不同电流下电机的力特性
由公式F（x，i）=■i■■可知电流大小直接关系到电机推力大小，仍取前面所建电机模型参数，把电流由10A改为20A，其他参数不变，则电机力特性如图8：
相比于电流为10A，z=1mm 时的力特性（图4），很明显，电流增大之后，定子导轨受力也明显增大，初始时刻由原来的350N左右，增大到400N左右。
将电流由10A增大到20A，其它参数不变，磁场变化情况如图10：
与电流为10A的图形（图6）相比，明显可以看到磁场强度有了较大的增加。
3.2 不同气隙下电机的力特性
仍取前面所建电机模型参数，把初级与次级间的气隙z由1mm改为2mm。
I=10A z=2mm时电机磁场特性如图11，与原来I=10A
z=1（图4）相比，磁场强度有所减弱。
电机力特性如图9，对比图4 I=10A z=1mm时电机力特性曲线，在其他参数不变的情况下，气隙增大1mm，电机受力由原来的350N左右减小到现在的160N左右，由此可见，气隙大小也是影响电机力特性的一个重要因素。
由以上分析可知：LRM的结构十分简单，性能优越。通过增加动子极数即可减少波动，降低噪声，提高控制精度，提高系统稳定性。其推广应用前途十分广泛。
4 结束语
本文以MAGNET软件为基础，进行直线磁阻电机的有限元分析，对所建LRM模型仿真并对结果进行分析，并对不同参数下电机力特性进行分析对比。
由于直线开关磁阻电机特性分析是一个全新的课题，其所涉及的问题还很多，由于时间和各方面条件的限制，一部分结果仅进行了仿真验证，尚需进一步的实验验证，有些问题还需进行更深入的研究。
参考文献：
[1]李发海，朱东起.电机学[M].北京：科学出版社，2001.
[2]童怀.磁阻电机动态特性的非线性分析与计算机仿真[M].北京：科学出版社，2000.11.
[3]叶云岳.直线电机技术手册[M].北京：机械工业出版社，2003.
作者简介：周少正（1982-），男，2007年毕业于河南理工大学电气工程及其自动化专业，助理工程师，主要从事电机设计工作。