一种考虑饱和效应的定子永磁直线振荡电机设计方法及系统与流程

1.本发明属于直线振荡电机领域，涉及一种考虑饱和效应的定子永磁直线振荡电机设计方法及系统。


背景技术：

2.直线往复运动主要靠传统的旋转电机+运动转换机构来实现，该种方式因传动效率低，噪声大，结构复杂，体积庞大，可靠性差而饱受诟病。如改用采用直线振荡电机直驱，则可省去中间运动转换机构而直接实现直线往复运动，体积小且效率高。该类电机在车辆的各种应用中具有巨大的潜力，如主动悬架系统、线性压缩机、自由活塞发动机、振动能量采集器等。其中，采用永磁体作为励磁的永磁直线振荡电机可以进一步获得更紧凑的结构，更大的力密度和更高的效率，引起了学术界和工业界的广泛关注。
3.目前主流的动磁式永磁直线振荡电机仍面临一些不可避免的缺陷。首先，其磁铁振动且难以保护，这对可靠性有害。其次，由于周向叠层定子铁心，它遭受漏磁，导致输出性能显著降低。因此，定子永磁直线振荡电机受到了广泛关注，是较传统动磁式直线振荡电机更优的替代方案。一方面，在磁路设计中采用横向磁通方案，可以简化定子铁芯的叠片过程。另一方面，当永磁体安装在定子齿上或插入定子轭中时，此类直线振荡电机可采用单气隙设计和铁芯动子，进一步简化结构、提高输出推力和可靠性。
4.然而，根据直线振荡电机的工作原理，必然使得部分铁芯由于电枢和永磁磁场正向叠加而处于高磁通密度，而其余部分由于它们的相互削弱而处于低磁通密度。该种现象在定子永磁直线振荡电机中表现得更为显著，通常表现为两个定子的磁通密度水平完全不同，导致不对称饱和现象。文献“electromagnetic analysis of single-phase linear oscillatory actuator based on subdomain analytical model with end and stacking effects”(公开发表于2021年ieee transactions on magnetics，57卷，2期，1-5页)中采用的传统子域方法很难处理此类问题，而文献“electromagnetic design and dynamic characteristics of permanent magnet linear oscillating machines considering instantaneous inductance according to mover position”(公开发表于2020年ieee transactions on applied superconductivity 30卷，4期，1-5页)采用的通用的三维有限元分析非常耗时。因此，如何定量地描述定子永磁直线振荡电机的非对称饱和效应，并将其快速有效地纳入整个设计过程，以避免其对电磁性能的负面影响，仍需要深入研究。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种考虑饱和效应的定子永磁直线振荡电机设计方法及系统。
6.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
7.本发明提出一种考虑饱和效应的定子永磁直线振荡电机设计方法，包括以下步
骤：
8.确定定子永磁直线振荡电机设计指标和定子永磁直线振荡电机参数限制范围；根据定子永磁直线振荡电机设计指标，选取定子铁芯裂比、定子槽开口系数、永磁体宽度和永磁体厚度；
9.获取通入大小等于额定电流有效值的电流情况下，电机易饱和侧定子与动子铁芯对齐部分的饱和系数；
10.在定子永磁直线振荡电机参数限制范围内，获取考虑饱和效应下不同定子铁芯裂比、定子槽开口系数、永磁体宽度和永磁体厚度对饱和系数的影响曲线，实现考虑饱和效应下的定子永磁直线振荡电机设计。
11.优选地，根据定子铁芯裂比ks、定子槽开口系数k
so
和永磁体宽度w
pm
，获取定子铁芯的槽面积as，定子铁芯的槽面积as的计算如公式(1)所示：
[0012][0013]
其中，n
p
为定子齿数，d
so
为定子外直径；
[0014]
获取额定电流有效值i
rms
的计算如公式(2)所示：
[0015][0016]
其中，nc为单个线圈匝数，kf为设定的槽满率，ρ
cu
为铜的电阻率，p
cl
为铜损耗，l为一匝定子线圈长度。
[0017]
优选地，估计一匝定子线圈长度l的计算如公式(3)所示：
[0018][0019]
其中，ls为定子叠片厚度，wg为双定子间距；
[0020]
根据效率要求η
cl
确定铜损耗p
cl
范围，效率要求η
cl
和铜损耗p
cl
的关系式如公式(4)所示：
[0021][0022][0023]
其中，f为输入电频率，zm为设计电机的设计行程，po为直线振荡电机的输出机械功率，f
rms
为电磁推力。
[0024]
优选地，获取通入有效值等于额定电流有效值i
rms
的电流情况下，电机易饱和侧定子与动子铁芯对齐部分的饱和系数k
sat
的步骤如下：
[0025]
分段拟合铁芯材料的磁特性曲线(b-h曲线)，从而获取对应的磁通与磁动势关系曲线(φ-f曲线)，令迭代次数k＝0并假设铁芯未饱和；根据电枢等效磁路计算电枢磁场单独作用下在电机易饱和侧定子与动子铁芯对齐部分所产生的磁通量φ
g1_a
(k)和该部分对应的磁压降f
iron1_c
(k)；根据拟合的φ-f曲线查询与φ
g1_a
(k)对应电机易饱和侧定子与动子
铁芯对齐部分磁压降f
iron1
(k)；
[0026]
比较f
iron1
(k)和f
iron1_c
(k)之间绝对误差是否小于允许误差上限e：
[0027]
若f
iron1
(k)和f
iron1_c
(k)之间绝对误差是大于等于允许误差上限e，则令k＝k+1，并更新φ
g1_a
(k)的值，直至f
iron1
(k)和f
iron1_c
(k)之间绝对误差小于允许误差上限e，得到φ
g1_a
即为电枢磁场在电机易饱和侧定子与动子铁芯对齐部分产生的磁通量；
[0028]
若f
iron1
(k)和f
iron1_c
(k)之间绝对误差是小于允许误差上限e，得到φ
g1_a
即为电枢磁场在电机易饱和侧定子与动子铁芯对齐部分产生的磁通量；
[0029]
根据空载等效磁路计算永磁体单独作用下在电机易饱和侧定子与动子铁芯对齐部分所产生的磁通量φ
g1_pm
；
[0030]
根据拟合的φ-f曲线查询与第j次迭代的φ
g1_sat
(j)对应的电机易饱和侧定子与动子铁芯对齐部分磁压降f
iron2
(j)；将φ
g1_sat
(j)带入负载非线性等效磁路计算永磁体和电枢电流共同作用下在电机易饱和侧定子与动子铁芯对齐部分磁压降f
iron2_c
(j)；
[0031]
比较f
iron2
(j)和f
iron2_c
(j)之间绝对误差是否小于允许误差上限e：
[0032]
若f
iron2
(j)和f
iron2_c
(j)之间绝对误差大于等于允许误差上限e，则令j＝j+1，并更新φ
g1_sat
(j)的值，直至f
iron2
(k)和f
iron2_c
(k)之间绝对误差满足计算精度要求，得到φ
g1_sat
即为电枢电流和永磁磁场共同作用下在电机易饱和侧定子与动子铁芯对齐部分产生的磁通量；
[0033]
若f
iron2
(j)和f
iron2_c
(j)之间绝对误差小于允许误差上限e，则得到φ
g1_sat
即为电枢电流和永磁磁场共同作用下在电机易饱和侧定子与动子铁芯对齐部分产生的磁通量；
[0034]
饱和系数k
sat
的计算如公式(6)所示：
[0035][0036]
优选地，永磁体单独作用下在电机易饱和侧定子与动子铁芯对齐部分所产生的磁通量φ
g1_pm
如公式(7)所示；
[0037][0038]
在考虑铁芯饱和情况下，永磁体与电枢电流共同作用下在电机易饱和侧定子与动子铁芯对齐部分产生实际磁通量φ
g1_sat
范围可缩小至如公式(8)所示的范围内，令j＝0，φ
g1_sat
(j)＝φ
g1_pm
+φ
g1_a
；
[0039]
φ
g1_pm
≤φ
g1_sat
≤φ
g1_a
+φ
g1_pm
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0040]
其中，f
pm
为永磁体磁动势，r
g1
(z)为电机易饱和侧定子与动子铁芯对齐部分气隙磁阻，r’g1
(z)为电机不易饱和侧定子与动子铁芯错开部分气隙磁阻，r
σ
为总漏磁阻，r
pm
为永磁体自退磁磁阻。
[0041]
优选地，根据不同定子铁芯裂比ks、定子槽开口系数k
so
、永磁体宽度w
pm
和永磁体厚度h
pm
，确定不同定子铁芯裂比ks、定子槽开口系数k
so
、永磁体宽度w
pm
和永磁体厚度h
pm
对饱和系数k
sat
的影响。
[0042]
优选地，根据定子铁芯裂比ks、定子槽开口系数k
so
和永磁体宽度w
pm
对槽面积as的影响，从而确定铜损耗p
cl
、定子铁芯裂比ks、定子槽开口系数k
so
和永磁体宽度w
pm
对额定电流有效值i
rms
的影响。
[0043]
优选地，根据不同额定电流有效值i
rms
、永磁体宽度w
pm
和永磁体厚度h
pm
，确定额定电流有效值i
rms
、永磁体宽度w
pm
和永磁体厚度h
pm
对饱和系数k
sat
的影响。
[0044]
本发明提出的一种考虑饱和效应的定子永磁直线振荡电机设计系统，包括：
[0045]
参数选取模块，所述参数选取模块用于确定定子永磁直线振荡电机设计指标和定子永磁直线振荡电机参数限制范围；根据定子永磁直线振荡电机设计指标，选取定子铁芯裂比、定子槽开口系数、永磁体宽度和永磁体厚度；
[0046]
饱和系数获取模块，所述饱和系数获取模块用于获取通入大小等于额定电流有效值的电流情况下，电机易饱和侧定子与动子铁芯对齐部分的饱和系数；
[0047]
影响曲线获取模块，所述影响曲线获取模块用于在定子永磁直线振荡电机参数限制范围内，获取考虑饱和效应下不同定子铁芯裂比、定子槽开口系数、永磁体宽度和永磁体厚度对饱和系数的影响曲线，实现考虑饱和效应下的定子永磁直线振荡电机设计。
[0048]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0049]
一种考虑饱和效应的定子永磁直线振荡电机设计方法，能够描述铁芯饱和程度，快速定量地评估不对称饱和效应对电磁输出特性影响，并将其纳入电机结构设计过程中，从而有效避免饱和效应带来的负面影响。本发明通过所引入的饱和系数，可定量描述定子永磁直线振荡电机定子的不对称铁芯饱和效应与设计尺寸参数之间的关系；在设计尺寸参数变化导致铁芯进入深度饱和区域的时候，更精确地计算输出特性，提高电机设计方案的可行性；本发明不依赖于耗时较长的三维有限元仿真，有利于工程设计人员快速精确地完成定子永磁直线振荡电机的尺寸设计和输出特性评估。在满足输出推力要求的设计方案中筛选出综合性能最优的设计方案，实现考虑饱和效应下的定子永磁直线振荡电机设计。
[0050]
进一步地，基于定子永磁直线振荡电机空间和效率约束下提出的，可以有效满足电机的体积功率密度和效率最大化设计需求；本发明所提出的饱和系数的计算过程中，通过非线性铁磁材料物理特性缩减磁通初值选取和迭代更新范围，可有效保证计算的收敛性。
[0051]
本发明提出的一种考虑饱和效应的定子永磁直线振荡电机设计方法的系统，通过将系统划分为参数选取模块、饱和系数获取模块、影响曲线获取模块和电机设计模块，采用模块化思想使各个模块之间相互独立，方便对各模块进行统一管理。
附图说明
[0052]
为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0053]
图1为本发明考虑饱和效应的定子永磁直线振荡电机设计方法流程图。
[0054]
图2为本发明定子永磁直线振荡电机三维半剖示意图及其径向截面示意图((a)三维半剖图；(b)径向截面图)。
[0055]
图3为本发明电机定子永磁直线振荡电机轴向截面图及区域划分图((a)左侧铁芯磁场正向叠加情况下易饱和区域；(b)右侧铁芯磁场正向叠加情况下易饱和区域)。
[0056]
图4为本发明的电机在永磁体单独作用下的等效磁路。
[0057]
图5为本发明的电机在电枢电流单独作用下易饱和侧区域i的等效磁路。
[0058]
图6为本发明的电机在电枢电流和永磁体共同作用下易饱和侧区域i的等效磁路。
[0059]
图7为本发明饱和系数迭代计算流程图。
[0060]
图8为本发明电流有效值随设计尺寸参数的变化规律图((a)ks和k
so
对电i
rms
的影响；(b)w
pm
对i
rms
的影响)。
[0061]
图9为本发明电机主要指标随设计尺寸参数的变化规律图((a)ks和k
so
对动子质量的影响；(b)ks和k
so
对电流f
rms
的影响；(c)w
pm
和h
pm
对f
rms
的影响；(d)w
pm
和h
pm
对永磁体利用率的影响)。
[0062]
图10为本发明设计的电机在一个周期内输出功率和推力波形图。
[0063]
图11为本发明考虑饱和效应的定子永磁直线振荡电机设计系统图。
具体实施方式
[0064]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
[0065]
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0066]
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
[0067]
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0068]
此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
[0069]
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0070]
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
[0071]
本发明提出的一种考虑饱和效应的定子永磁直线振荡电机设计方法，如图1所示，包括以下步骤：
[0072]
确定定子永磁直线振荡电机设计指标和定子永磁直线振荡电机参数限制范围；根据定子永磁直线振荡电机设计指标，选取定子铁芯裂比、定子槽开口系数、永磁体宽度和永磁体厚度；
[0073]
获取通入大小等于额定电流有效值的电流情况下，电机易饱和侧定子与动子铁芯对齐部分的饱和系数；
[0074]
在定子永磁直线振荡电机参数限制范围内，获取考虑饱和效应下不同定子铁芯裂比、定子槽开口系数、永磁体宽度和永磁体厚度对饱和系数的影响曲线，实现考虑饱和效应下的定子永磁直线振荡电机设计。
[0075]
如图2所示，为定子永磁横向磁通动铁芯式直线振荡电机三维拓扑结构及其径向截面示意图，同时包含其主要尺寸参数标注。其中：定子铁芯1由硅钢片沿图中z方向叠压而成；动子铁芯2由硅钢片沿图中z方向叠压而成；线圈3跨绕于双定子z方向上对齐的齿上；永磁体4内嵌于定子铁芯槽底轭部。
[0076]
如图3所示，为定子永磁横向磁通动铁芯式直线振荡电机的轴向剖面图。其中，1为电枢电流所产生的磁通及其方向；2为永磁体产生的磁通及其方向；3为动子铁芯；4为定子铁芯；5为线圈及其中电流方向。从图3中可以看出，在电流和永磁体磁场作用下，必然有一侧铁芯中存在两种磁场的正向叠加，从而使得定子与动子对齐部分铁芯(即区域i中铁芯)易进入饱和状态。
[0077]
本发明提出的一种考虑饱和效应的定子永磁直线振荡电机设计方法的具体实施步骤如下：
[0078]
步骤1、根据设计指标确定电机的参数约束。在本实施实例中，设计指标如表1所示。
[0079]
表1设计需求及约束
[0080][0081]
根据直线振荡电机的输出机械功率po需求确定电磁推力f
rms
，直线振荡电机的输出机械功率po和电磁推力f
rms
的关系式如公式(1)所示：
[0082][0083]
根据效率要求η
cl
确定铜损耗p
cl
范围，效率要求η
cl
和铜损耗p
cl
的关系式如公式(2)所示：
[0084][0085]
步骤2、对定子铁芯裂比ks、定子槽开口系数k
so
、永磁体宽度w
pm
和永磁体厚度h
pm
这几个主要尺寸参数进行设计。本实施实例中，这几个主要尺寸参数的初值选为0.5，0.6，10mm以及2mm。
[0086]
根据定子铁芯裂比ks、定子槽开口系数k
so
和永磁体宽度w
pm
计算定子铁芯的槽面积as，定子铁芯的槽面积as的计算如公式(3)所示：
[0087][0088]
其中，n
p
为定子齿数，d
so
为定子外直径；
[0089]
估计一匝定子线圈长度l的计算如公式(4)所示：
[0090][0091]
其中，ls为定子叠片厚度，wg为双定子间距；
[0092]
根据铜损耗p
cl
、定子铁芯的槽面积as和一匝定子线圈长度l计算额定电流有效值i
rms
，计算如公式(5)所示：
[0093][0094]
步骤3、计算通入有效值等于额定电流有效值i
rms
的电流情况下电机易饱和侧定子与动子铁芯对齐部分的饱和系数k
sat
，该步骤流程如图7所示；
[0095]
分段拟合铁芯材料的磁特性曲线(b-h曲线)，从而获取对应的磁通与磁动势关系曲线(φ-f曲线)，令迭代次数k＝0并假设铁芯未饱和；
[0096]
根据电枢等效磁路，如图4所示，计算电枢磁场单独作用下在电机易饱和侧定子与动子铁芯对齐部分所产生的磁通量φ
g1_a
(k)和该部分对应的磁压降f
iron1_c
(k)；
[0097]
根据拟合的φ-f曲线查询与φ
g1_a
(k)对应电机易饱和侧定子与动子铁芯对齐部分磁压降f
iron1
(k)；
[0098]
比较f
iron1
(k)和f
iron1_c
(k)之间绝对误差是否小于允许误差上限e：
[0099]
若f
iron1
(k)和f
iron1_c
(k)之间绝对误差是大于等于允许误差上限e，则令k＝k+1，并更新φ
g1_a
(k)的值，重复上述步骤直至f
iron1
(k)和f
iron1_c
(k)之间绝对误差满足计算精度要求，此时最后一次更新得到的φ
g1_a
即为电枢磁场在电机易饱和侧定子与动子铁芯对齐部分产生的磁通量；
[0100]
若f
iron1
(k)和f
iron1_c
(k)之间绝对误差是小于允许误差上限e，得到φ
g1_a
即为电枢磁场在电机易饱和侧定子与动子铁芯对齐部分产生的磁通量。
[0101]
根据空载等效磁路，如图5所示，计算永磁体单独作用下在电机易饱和侧定子与动子铁芯对齐部分所产生的磁通量φ
g1_pm
，如公式(6)所示；此时易知，在考虑铁芯饱和情况
下，永磁体与电枢电流共同作用下在电机易饱和侧定子与动子铁芯对齐部分产生实际磁通量φ
g1_sat
范围可缩小至如公式(7)所表示范围内，令j＝0，φ
g1_sat
(j)＝φ
g1_pm
+φ
g1_a
；
[0102][0103]
φ
g1_pm
≤φ
g1_sat
≤φ
g1_a
+φ
g1_pm
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0104]
其中，f
pm
为永磁体磁动势，r
g1
(z)为电机易饱和侧定子与动子铁芯对齐部分气隙磁阻，r’g1
(z)为电机不易饱和侧定子与动子铁芯错开部分气隙磁阻，r
σ
为总漏磁阻，r
pm
为永磁体自退磁磁阻。
[0105]
根据拟合的φ-f曲线查询与第j次迭代的φ
g1_sat
(j)对应的电机易饱和侧定子与动子铁芯对齐部分磁压降f
iron2
(j)；
[0106]
将φ
g1_sat
(j)带入负载非线性等效磁路，如图6，计算永磁体和电枢电流共同作用下在电机易饱和侧定子与动子铁芯对齐部分磁压降f
iron2_c
(j)；
[0107]
比较f
iron2
(j)和f
iron2_c
(j)之间绝对误差是否小于允许误差上限e：
[0108]
若f
iron2
(j)和f
iron2_c
(j)之间绝对误差大于等于允许误差上限e，则令j＝j+1，并在式(7)所约束范围内更新φ
g1_sat
(j)的值，重复上述步骤直至f
iron2
(k)和f
iron2_c
(k)之间绝对误差满足计算精度要求，此时最后一次更新得到的φ
g1_sat
即为电枢电流和永磁磁场共同作用下在电机易饱和侧定子与动子铁芯对齐部分产生的磁通量；
[0109]
若f
iron2
(j)和f
iron2_c
(j)之间绝对误差小于允许误差上限e，则得到φ
g1_sat
即为电枢电流和永磁磁场共同作用下在电机易饱和侧定子与动子铁芯对齐部分产生的磁通量。
[0110]
其中，饱和系数k
sat
计算如公式(8)所示：
[0111][0112]
步骤4、在尺寸参数限制范围内计算不同定子铁芯裂比ks、定子槽开口系数k
so
、永磁体宽度w
pm
、永磁体厚度h
pm
等主要尺寸对饱和系数k
sat
的影响；
[0113]
计算定子铁芯裂比ks、定子槽开口系数k
so
、永磁体宽度w
pm
等主要参数对as的影响，从而根据式(2)给出的p
cl
约束计算它们对额定电流有效值i
rms
的影响，在本具体实施实例中设计参数对电流影响如图8所示，主要包括定子铁芯裂比ks和定子槽开口系数k
so
对额定电流有效值i
rms
的影响以及永磁体宽度w
pm
对额定电流有效值i
rms
的影响，分别如图8中的(a)和(b)所示；
[0114]
根据不同定子铁芯裂比ks、定子槽开口系数k
so
、永磁体宽度w
pm
和永磁体厚度h
pm
的组合，结合上述步骤计算得到的额定电流有效值i
rms
，计算主要尺寸参数对饱和系数k
sat
的影响，在本实施实例中的计算结果如表2和表3所示，其中k
sat
＝1表示铁芯工作点处于b-h曲线的线性区域内，可忽略饱和效应影响，而饱和系数k
sat
值越大，意味着饱和程度越深；
[0115]
表2不同ks和k
so
组合对k
sat
的影响
[0116][0117]
表3不同h
pm
和w
pm
组合对k
sat
的影响
[0118][0119]
表4电机主要尺寸参数表
[0120][0121]
根据饱和系数k
sat
值的变化定量评估尺寸参数的变化导致的饱和效应对主要输出性能的影响，在本实施实例中的计算结果如图9所示，包括定子铁芯裂比ks和定子槽开口系数k
so
对动子质量的影响、定子铁芯裂比ks和定子槽开口系数k
so
对电磁推力f
rms
的影响、永磁体宽度w
pm
和永磁体厚度h
pm
对电磁推力f
rms
的影响、永磁体宽度w
pm
和永磁体厚度h
pm
对永磁体利用率的影响；
[0122]
步骤5、在满足输出推力要求的前提下，优选动子质量较轻、单位永磁体利用率较高以及饱和系数k
sat
略大于1的尺寸参数设计方案，本实施实例中选取的电机设计方案如表4所列；
[0123]
如图10所示，为根据表4所列电机参数搭建有限元仿真模型进行的输出特性校核结果，从图中可以看出在一个周期内，所设计的定子永磁横向磁通直线振荡电机的输出平均功率为120w，推力有效值为53n，仅考虑铜损时的效率达86.3％，均已经满足效率设计需求，充分验证了所提出方法的有效性。此外，采用本发明的设计方法获得上述设计方案仅需要10s，而采用有限元法则需要32h以上，另一方面验证了方法的快速性。
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本发明提出的一种考虑饱和效应的定子永磁直线振荡电机设计系统，如图11所示，包括：
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参数选取模块，所述参数选取模块用于确定定子永磁直线振荡电机设计指标和定子永磁直线振荡电机参数限制范围；根据定子永磁直线振荡电机设计指标，选取定子铁芯裂比、定子槽开口系数、永磁体宽度和永磁体厚度；
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饱和系数获取模块，所述饱和系数获取模块用于获取通入大小等于额定电流有效值的电流情况下，电机易饱和侧定子与动子铁芯对齐部分的饱和系数；
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影响曲线获取模块，所述影响曲线获取模块用于在定子永磁直线振荡电机参数限制范围内，获取考虑饱和效应下不同定子铁芯裂比、定子槽开口系数、永磁体宽度和永磁体厚度对饱和系数的影响曲线，实现考虑饱和效应下的定子永磁直线振荡电机设计。
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综上所述，本发明公开了一种考虑饱和效应的定子永磁直线振荡电机设计方法及系统，针对以往永磁直线振荡电机设计过程中采用传统的子域方法很难处理其不对称饱和问题，通用的三维有限元分析又非常耗时的难题。本发明提出的一种考虑饱和效应的定子永磁直线振荡电机设计方法，通过引入电机易饱和侧定子与动子铁芯对齐部分的饱和系数k
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，定量描述定子永磁直线振荡电机定子的不对称铁芯饱和效应与设计尺寸参数之间的关系，不依赖于耗时较长的三维有限元仿真，有利于工程设计人员快速精确地完成定子永磁直线振荡电机的尺寸设计和输出特性评估。
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以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。