永久磁石リニアモーターの設計

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序章

リニアモーターがフリー ピストン エンジン (FPE) によって直接駆動されるリニア パワー システムは、スケーラビリティと幅広い適用性を提供する有望なテクノロジの 1 つです。永久磁石 (PM) ベースのリニア電動モーターは、優れた推力と非常に高い位置決め精度で、高い加速率と長い移動距離を実現できます。それらはさまざまな市場部門にますます適用されており、電気自動車 (EV)、旅行者、ロボット工学、およびその他のいくつかの産業用途など、さまざまな電気機械システムでその効率が証明されています。

図1 PMリニア発電機（Grabcad画像）

PMリニアモーター設計のための EMWorks2D ソリューション

並進運動に結合された EMWorks2D の過渡磁気モジュールは、次のように定義されている、研究対象の線形 PM モーター設計のコギング力、無負荷および負荷解析を解くために使用されます。

• 12 スロット/8 極片面フラット リニア電動モーター設計

• 6 スロット/4 極管状リニア発電機設計

12スロット/8極リニア電動モーター設計

設計詳細:

最初に検討した設計は、図 2 に示すように、8 極 12 スロットの可動子で構成される三相リニア モーターです。可動子のスロットは、線径 2.4 mm の単層三相巻線構成で巻かれています。主なモーターのパラメーターを表 I に示します。

表 1.モーターのパラメーター

図 2. 12S/8P PM リニア電動モーターの 2D 設計の簡略化

シミュレーションと結果

戻り止め力解析:

戻り止め力、またはコギング力とも呼ばれるは、無負荷解析によって得られる重要なモーター性能パラメーターです。これは、入力電流なしで永久磁石 (PM) と鉄心スロットの間の引力によって引き起こされる力として定義されます。次のプロットは、検討対象のリニア モーター設計と距離の戻り止め力曲線を示しており、最大値 135 N を達成しています。

図 3. 戻り止め力と距離

無負荷解析:

無負荷解析により、定義された速度 0.6 m/s で逆起電力と鎖交磁束が計算されます。調査対象のマシンの逆起電力は 7.5V の大きさの値に達し、3 つの位相すべてで大きな波形を示します。

図 4.時間に対する逆起電力プロット

図 5.時間に対する鎖交磁束プロット

負荷解析:

3番目の解析は、検討対象のモーターの推力発生能力を検討する負荷時のケース専用です。並進運動中、可動子の加速された質量は、スラスト力と呼ばれる同じ大きさの力を生成しますが、そのシステムに適用される方向は反対です。得られた推力曲線対時間は、次の図に示されています。

図6推力変化対距離

15 V の大きさの入力 3 相正弦波電圧の場合、検討対象の PM リニア モーター設計は、3 つのシステム フェーズで最大値 120 A を達成する次の電流結果を生成します。

図 7.時間に対する三相電流曲線

時間に対する磁束密度のアニメーション プロットも同様にプロットされ、以下に示されています。

図 8.磁束密度のアニメーションとモーターの変位

6 スロット/4 極管型リニア発電機設計

設計詳細:

2 番目に検討した設計は、図 3 に示すように、4 極の可動子と 12 スロットの固定子で構成される 3 相管状発電機の設計です。検討した発電機の軸対称不変性特性のおかげで、EMWorks2D を使用して 3D 設計が簡素化され、シミュレーション時間。主なモーターのパラメーターを表 2 に示します。

表 2.モーターのパラメーター

図 9. 6S/4P PM 管状発電機の 2D および 3D 設計

シミュレーションと結果

PM リニア モーターに対して行ったのと同じ解析手順に従って、管状発電機の 2D シミュレーションを実行すると、無負荷および負荷時の解析で次の結果が得られました。

戻り止め力解析:

発電機設計の戻り止め力曲線を図 10 に示します。これは最大値 200N を達成します。

図 10.戻り止め力と距離

無負荷解析:

3 相の逆起電力曲線は、以前に調査したモーター設計よりも正弦波の波形を示しています。それらは、20 ミリ秒の 1 つの期間中に 105 V のより高い電圧値を達成します。 2 番目の図は、3 相の最大値 0.35 Wb の鎖交磁束曲線を示しています。

図 11.時間に対する三相逆起電力曲線


図 12.三相磁束鎖交曲線対時間

負荷解析:

EMWorks2D 集積回路シミュレータを使用したオンロード発電機解析により、検討対象の発電機を完全に抵抗性の三相負荷に結合することができました。得られた推力 x 方向曲線と磁束密度のアニメーションを以下に示します。

図 13.時間に対する推力プロット

図 14.磁束密度のアニメーションと可動子の変位

生成された電流は図 13 に示され、2.75 m/s の並進速度で最大 12A に達します。
管状発電機の時間に対する対応する電流密度プロットは、図 14 のアニメーション プロットによって示されます。これは、PM 可動子の直線運動中の三相巻線電流密度の変化を示しています。

図 15.負荷時発電機回路 - 抵抗負荷


図 16.時間に対する三相電流曲線


図 17.電流密度のアニメーションと可動子の変位

PM 発電機の損失解析には、コアと巻線の両方の損失タイプが含まれており、それらの変動と時間の関係を下の図にプロットできます。お気づきのように、総コア損失は、コア損失と比較して 200W の平均値を達成する巻線損失の結果と比較して、鉄の背面と固定子部品が無視される結果になります。

図 18.コア損失曲線対時間


図 19.時間に対する巻線損失曲線

その結果、得られた温度の結果は、PM 可動子側の周囲温度からわずか 0.6 °C の上昇に比べて、固定子と巻線部分で最大値 45 °C の高い熱率を達成します。

図 20.固定子全体の温度分布


図 21.可動子全体の温度分布

結論

このアプリケーション ノートでは、モーターモードと発電機モードの両方について、2 つの線形電気機械の設計を検討しました。戻り止めと推力、逆起電力、出力電流、鎖交磁束、磁場密度などの電磁性能は、EMWorks2D シミュレーションを使用してプロットおよび解析されました。高い巻線損失量にさらされたときの機械の挙動を研究することを可能にする PM 管状発電機の設計に対して、損失と熱の解析が行われました。