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1直線電機結構設計

直線電機按照結構的不同可分為平板型和圓筒型，圓筒型直線電機結構簡單，繞組利用率較高，無橫向端部效應，克服了單邊磁拉力問題，易于調節和控制，適應性較強。永磁直線電機在功率因數、效率和力密度等性能指標上都要遠優于直線感應電機。因此，本設計采用了圓筒型永磁直線電機作為發電裝置。Halbach陣列與其他兩種類型相比具有以下優點:(1)Halbach陣列具有“磁單極子”特性，如圖1(c)所示，陣列所產生的磁場一側很強，另一側較弱。這樣提高了永磁鐵的利用率，降低了次級鐵心中的渦流損耗。(2)Halbach陣列產生的磁場在強側呈理想的正弦分布，降低了強側磁場的諧波分量，使電機運行更穩定。該直線電機是由定子和動子組成，其定子上有十二個餅式線圈構成的三相繞組，每四槽為一相，每相相隔兩槽。動子由N35釹鐵硼永磁鐵，背鐵和中心軸組成。定子和動子上的背鐵采用硅鋼材料，中心軸采用熱膨脹系數較小的非導磁材料鋁合金。

2有限元分析

為對設計的Halbach陣列結構圓筒型永磁直線電機進行性能分析，本文采用Ansoft有限元軟件，利用Maxwell2D靜態磁場分析求得電機磁力線分布和氣隙磁通密度分布情況，以及通過瞬態磁場分析求解電機產生的空載電動勢等。

首先按照電機結構參數建立仿真模型。以快速貨車車輛為運用對象，為了獲得最大的能量輸入，根據照其動力學分析可知，在其一系懸掛彈簧處振動的振幅和頻率值較大，因此可將Hal-bach陣列結構圓筒型永磁直線電機與外側一系彈簧并排安裝。此處在車輛運行過程中振幅為±5mm，頻率為3Hz。對電機進行靜態磁場分析，得到電機磁力線分布如圖4所示，圖4中Halbach陣列產生的磁場具有單邊性，靠近線圈一側磁場較強，靠近背鐵一側磁場較弱，這樣提高了永磁體的利用率，降低了次級中的渦流損耗，減小了強側磁場的諧波分量，確保電機的穩定運行。同時，從圖4中可以看出定子中靠近徑向排列的永磁鐵一側磁場較強，靠近軸向排列的永磁鐵一側磁場較弱，這樣使得磁極之間的磁力線形成磁通回路并呈周期分布。因此，當動子運動時，永磁體產生的磁場能夠使線圈繞組產生周期性的三相交流電。同時，通過對電機進行靜態磁場分析，可得到電機的氣隙磁通密度值呈周期性變化，一個周期氣隙磁通密度曲線如圖5所示，從圖5中可以得到電機氣隙磁通密度的平均值Bδav約為1.2T。

3電機負載特性分析

由上文可知，Halbach陣列結構圓筒型永磁直線電機能夠產生相電壓約為20V的三相交流電，將該值和電機的其他參數作為輸入參數，利用Matlab/Simulink軟件中的SimPowerSystem模塊建立帶整流負載的三相電機的仿真模型，對Halbach陣列結構圓筒型永磁直線電機負載情況進行仿真。為簡化分析，作如下假設［6］:(1)初級繞組按照Y型連接;(2)忽略渦流損耗和磁滯損耗;(3)忽略溫度及頻率變化對電機參數的影響;(4)忽略電源引起的電流和電壓的諧波及磁飽和效應;(5)動子為無阻尼繞組，永磁鐵無阻尼作用;(6)永磁鐵產生磁場恒定。從而，在Simulink中建立了如圖8所示的帶整流負載的三相電機的仿真模型。利用三相電機濾波整流電路的仿真模型可得到在不同負載情況下的負載電壓和輸出功率。將得到的數值導入Matlab中，得到如圖9所示的不同負載電阻情況下負載電壓和輸出功率曲線。從圖9中可以看出，當負載電阻為5Ω時，即當負載電阻接近兩相繞組內阻之和時，得到最大輸出功率，約為35W。當負載電阻繼續增大時，負載電壓增大，輸出功率減小，當負載電阻在25Ω左右時，負載電壓和輸出功率趨于平穩，此時，輸出功率約為22.5W，輸出電流約為1A，能夠有效地供貨車車輛使用。

4結語

本文設計了Halbach陣列結構圓筒型永磁直線電機，并應用有限元軟件Ansoft對電機進行了仿真，得到了電機的空載電動勢波形，磁力線和氣隙磁通密度分布，驗證了Halbach陣列結構圓筒型永磁直線電機的優良特性。同時，利用Matlab/Simulink軟件對電機進行了仿真分析，從仿真結果可知，設計的電機產生的電能能夠有效地為蓄電池充電，或為其它電氣設備供電，從而能夠在一定程度上解決鐵道貨車車輛上的電源問題，達到了設計的目的。

作者：李曉偉倪文波王雪梅單位：西南交通大學機械工程學院