1 概况
 

　　直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能的电力传动装置， 这种电动机通入交流电或直流电后， 通过电与磁的相互作用就能产生直线运动推力。直线电机有着相当明显的优点：(1)结构简单；(2)特别适宜告诉运行；(3)散热条件比较好；(4)适应性比较强；(5)速度和推力比较容易控制；(6)具有某些*用途。但是，直线电机也有着明显的缺点，比如：(1)直线感应电动机因为气隙比较大，在加上由于铁芯开断引起的端部效应将在电机内部产生一些额外的损耗；(2)当滑差率为常数时，直线感应电动机的速度将正比于极距和电源频率的乘积，而电机的极距因受结构和工艺的限制，不能太大，也不能过小，所以在直线感应电动机的速度就被限制在某一范围内；(3)直线感应电动机的气隙磁通密度比普通旋转感应电动机要低一些，于是它每单位重量所产生的推力和功率指标较低。
 

　　2 直线电机参数计算
 

　　2.1直线电机气隙磁场等效
 

　　按直线感应电机理论，受电机边端效应的影响，当电机运行时，在每台电机的入端产生“入端效应波”而在出端产生“出端效应波”。入端效应波使电机的入端磁场被削弱而出端效应波使电机出端磁场被增强。显然各台电机的气隙磁场的幅值沿电机长度的分布是变化的，各台电机的气隙磁场不能连续。此外，为削弱磁势的空间谐波的影响，电机均采用双层短距绕组结构，电机端部绕均为半槽组结构，这更使得电机的入端气隙磁场削弱更为显著。在图1中，将各直线电机间的距离缩短，它们只受车辆转弯的约束。当电机运行时，由于电机间的距离短，电机的出端气隙磁场可以进入下一台电机的入端，从而使第二台电机的入端磁场增强。于是各台电机的磁场就能够实现连续并保持磁场的幅值为常数。在传统车辆中各电机的端部效应也就降低到原来的1/N，N是电机的串联台数。电机的效率因端部效应的削弱而增高。
 

　　若电机的气隙磁场按图1那样分布，这表明它与一台等效的长初级电机等效。若采用合适的绕组布置方式，这台等效“长”电机的功率可以提高，所以，可以部分解决传统直线电机效率低的问题。在电机设计时，若将各短电机“合并”成一个等效长电机，再优化电机的参数，可以减轻诸如大气隙对电机效率的影响，进一步提高直线感应电机效率。
 

　　2.2 直线电机极距优化设计
 

　　仿真用直线电机基本参数如表1。
 

　　通过MATLAB对直线电机极距大小进行优化选择，通过描画效率及品质因数随极距变化的曲线来寻找的极距值。
 

　　从相对机械效率和品质系数的比较结果看，当极距为255～260mm和 270～275mm 时，效能系数的结果比较合理。结合其铁芯长度的有效利用，zui终确定合理的极距为：257mm和273mm。
 

　　3 直线电机气隙磁场仿真
 

　　两台电机间的气隙磁场连续性问题与电机的牵引力计算采用有限元工具软件MaxwellV12 2D。采用2D电机分析模型。分析所采用的直线电机的主要参数如表2所示。分析方法采用瞬态分析法，过渡过程结束后的值(稳态值)即为所求。气隙磁场值分别取距反应板5mm 处的值，由它们来确定磁场的分布状态。
 

　　在对直线电机进行有限元分析时，主要的技术方法如下：
 

　　(1)电机分析模型中电机定子铁心用的硅钢材料(steel--1008)与电机绕组与反应板所用的铝材料(aluminum)均由软件模型库提供。次级铁轭采用实心铁(iron)。
 

　　(2)网格，限制zui大值，各部件不同。
 

　　(3)边界条件采用Balloon“气球边界”。
 

　　(4)激励源采用三相电流源。
 

　　由仿真结果可知，尽管电机被切断，但是在一定距离内，磁场仍然连续，牵引力下降也在可接受范围内。但是随着气隙被逐渐加大，电机的气隙磁场连续性变差，当间隙为80mm时，气隙磁场畸变明显，牵引力大幅下降。
 

　　根据仿真出的牵引力变化曲线，取其稳定后的平均值，如表3。
 

　　通过表2中的Ansoft 电机仿真设计的电机参数，理论计算出的电机效率为62.06%，理论值与仿真值相差不到4%，可以认为仿真结果是正确的。
 

　　4 结论
 

　　本文根据综合实际需求和该领域的研究成果，分析得出电机短、气隙大、额定速度低和边端效应的影响是造成电机效率较低的主要原因。提出将多台小电机按照一定方式和规律串联，其效果可以代替同样长度的大电机的设计方案。利用Ansoft建模分析气隙磁场的变化与牵引力与功率因数以及效率的变化，得出仿真值与理论值相差不到4%，验证了此优化方案的可行性。