低速直線驅(qū)動系統(tǒng)研究現(xiàn)狀分析*

程志平， 焦留成

(鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院，河南鄭州 450001)

0 引言

直線電機在工業(yè)、民用及其他各種直線運動的場合具有廣泛應(yīng)用。直線電機的優(yōu)越性能和極大的應(yīng)用價值，越來越受到國內(nèi)外研究者和工業(yè)運動控制廠家的青睞［1-5］。

雖然現(xiàn)有的直線電機特別是直線永磁電機在速度較高的場合得到了很好的應(yīng)用，與變頻設(shè)備配套使用或通過控制設(shè)計，可以獲得較好的調(diào)速范圍，但對于恒低速直線運行的許多場合，如恒低速傳送貨物運輸裝置等，不是變頻設(shè)備不可缺少，就是控制系統(tǒng)復(fù)雜(目前還主要是國外的控制器，如以色列、芬蘭等)，并且大多直線電機交流伺服系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上是單段型的，系統(tǒng)造價高。另一方面，動子采用拖線供電方式時，運行過程中易發(fā)生短路、漏電、斷路等故障，造成運行可靠性和安全性下降。上述問題限制了直線電機交流伺服系統(tǒng)在低速工業(yè)場合的應(yīng)用［6-8］。

為了克服低速直線驅(qū)動存在的問題，直接獲得低速直線運行，國內(nèi)外研究人員一直在尋找解決方案，努力從電機設(shè)計本身解決低速直線驅(qū)動問題。

1 低速直線電機國內(nèi)外的發(fā)展

1976年，Watson，D.B.設(shè)計了一種在 24 V、5 A直流分段供電方式下，可獲得600 N拉力的低速直線電機，是最早通過電機設(shè)計的方法使直線電機直接獲得低速，為開辟直線電機直接低速運行提供了范例。

1977年，由Umezu Naganori等人對雙邊低速直線異步電機次級電流擾動和磁場進行研究，給出了推力和法向力及速度特性，以及相關(guān)參數(shù)設(shè)計［9］。

Adamiak K.1、Barlow D.1 等人應(yīng)用有限元對低速直線驅(qū)動用開關(guān)磁阻電機電勢進行研究，對推力和法向力特性進行了分析，給出了該種電機的縱向磁鏈動子模型和橫向磁鏈定子模型［10］。

美國Pai R.M等人于1988年對非磁性短次級雙邊多極扁平直線異步低速電機建立了二維數(shù)學(xué)模型，通過對橫向邊端效應(yīng)的補償，對性能控制進行了研究［11］。

1997年，韓國Yoon Sang-Baeck對動次級可調(diào)氣隙直線異步電機進行了研究，并采用以體積為目標(biāo)函數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計［12］。

1999年，德國Kleemann Dietmar在頻率一定的條件下，采用在槽中插入軟磁片以形成齒使極距最小的方法，對低速直線同步電機進行了研究［13］。

在國內(nèi)，丁志剛、錢張耀教授針對鋼次級扁平型直線異步電機的結(jié)構(gòu)特點，從直線異步電機實際物理結(jié)構(gòu)，設(shè)計了比較準(zhǔn)確的計算程序，使設(shè)計值和試驗值在合理的誤差范圍內(nèi)［14］。

太原工學(xué)院劉星達教授于1983年在初次級電磁關(guān)系不變的條件下，提出對直線異步電機的機械特性用靜態(tài)試驗?zāi)M動態(tài)機械特性的方法，解決了推力與滑差S關(guān)系曲線試驗難測定的困難［15］;并討論了極距≤0.03 m 的直線異步電機縱向邊端效應(yīng)對推力的影響，得出了增加直線異步電動機的品質(zhì)因數(shù)可以增加起動推力，改變次級結(jié)構(gòu)型式可以提高起動推力等有意義的結(jié)果［16］;利用次級試驗和短路試驗數(shù)據(jù)，通過繪制簡化圓圖，求得工作特性和機械特性，簡化了低速直線異步電機計算工作量［17］。

文獻［18-19］針對平面型鋼次級直線異步電機的特點，從確定主要尺寸、定子繞組匝數(shù)和鋼次級的電磁性能相聯(lián)系的角度出發(fā)，選取經(jīng)驗數(shù)據(jù)，獲得電機主要尺寸及有關(guān)參數(shù)，從而避免多次反復(fù)計算，減少該種電機計算工作量。

文獻［20］在考慮直線電機邊緣效應(yīng)條件下，利用低速直線異步電機系統(tǒng)的瞬態(tài)對稱分量法模型，對直線電機調(diào)速系統(tǒng)的起動和反接制動過程進行了計算機仿真。

西安交通大學(xué)梁得亮教授對單臺永磁式減速直線同步電機進行了系統(tǒng)研究，并得出了有意義的結(jié)果［21-22］，提出通過求解不同次級位置時的靜態(tài)場得到反應(yīng)式減速直線同步電機力角特性的新方法［23］;基于有限元法，考慮靜態(tài)縱向邊端效應(yīng)的影響，計算出反應(yīng)式減速直線同步電機的非線性電感參數(shù)，提出用電流、電感系數(shù)來表征電流對電感的影響，由電壓平衡方程式，得到分析該類電機的非線性數(shù)學(xué)模型，基于該模型仿真計算研究樣機的起動特性，進行了試驗驗證［24］。

趙德林、王友義教授針對低速直線異步電機極距小、氣隙大，導(dǎo)致無功電流大、電機的溫升很高的特點，研究了每極、每相槽數(shù)略大于1的分?jǐn)?shù)槽對諧波導(dǎo)致的無功電流的影響，指出在電機結(jié)構(gòu)和工藝能接受的前提下，采用分?jǐn)?shù)槽繞組可顯著降低電機的無功電流，達到降低溫升的目的［25］。

文獻［26］通過對鋼次級直線電機的優(yōu)化設(shè)計，確定鋼次級直線電機優(yōu)化變量、優(yōu)化目標(biāo)及約束條件，通過對Hook-Jeeves法進行改進，采用序貫無約束極小化(Sequential Unconstrained Minimization Technique，SUMT)法對鋼次級低速直線電機進行了優(yōu)化。

天津大學(xué)利用定子鐵心的內(nèi)徑圓周均勻地分成m個扇區(qū)組，在每一扇區(qū)組A、B、C三相各占相同面積的1個扇區(qū)，1個扇區(qū)屬于一相，每個扇區(qū)的定子鐵心上均勻設(shè)置有n個齒，在相鄰兩個齒之間開有1個槽的方法，設(shè)計出了分段式模塊化定子結(jié)構(gòu)直驅(qū)型低速直流無刷電動機，并申請了專利。

2 低速直線永磁電機的發(fā)展

隨著永磁材料的出現(xiàn)，低速直線異步電機逐漸被低速直線永磁電機代替。近年來，對于低速直線電機的研究主要集中在低速直線永磁電機的研究上。

從2001年上官璇峰、柳春生、焦留成教授發(fā)表低速直線永磁同步電機方面的論文以來［27］，標(biāo)志著低速直線永磁電機走入人們的視野。在該文章中，作者分析了設(shè)計低速直線永磁同步電機寬度時應(yīng)考慮的問題，給出該種電機部分參數(shù)，為后續(xù)研究打下了基礎(chǔ)。

在隨后召開的2004年全國直線電機學(xué)術(shù)年會上，楊少東、葉云岳教授提出低速圓筒型直線永磁同步電機及其控制系統(tǒng)的設(shè)計，采用基于能量法和傅里葉解析分析方法，推導(dǎo)出了圓筒直線電機與結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)的齒槽力表達式。在此基礎(chǔ)上，研究了定子極距所作的微小改變和極弧系數(shù)的優(yōu)化選擇對齒槽力的影響，提出了減少電機齒槽力的優(yōu)化方案［28-29］，并進行了樣機的初步試驗。

王福忠教授在對低速直線永磁同步電機力角特性進行分析的基礎(chǔ)上，確定了該電機的穩(wěn)定工作區(qū)，得到了直線永磁同步電動機的穩(wěn)定控制方法，可通過改變電壓和頻率來實現(xiàn)低速直線永磁電機的失步預(yù)防控制，可以有效地提高直線永磁同步電機的穩(wěn)定性，避免電機失步的發(fā)生［37-38］。

河南師范大學(xué)的楊新偉教授應(yīng)用Magnet軟件對長初級、短次級和長次級、短初級兩種不同結(jié)構(gòu)電機的電磁場進行了數(shù)值計算，通過計算結(jié)果進一步分析和計算得到了低速直線永磁同步電機的二維磁場分布和氣隙磁密的變化波形［39-41］。

文獻［42］介紹了低速大推力直線電機樣機LNMT300-5，并通過變頻控制，直接將電能轉(zhuǎn)換為載物臺的直線往復(fù)運動，實現(xiàn)了運行速度的無級調(diào)整;同時，利用初、次級之間的電磁吸附力達到了懸浮承載的目的［42］。

文獻［43-45］根據(jù)低速直線永磁同步電機的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，分析了低速直線永磁同步電機的附加磁勢問題及等效原理，進而對低速直線永磁同步電機建立了“五層線性分析模型”，根據(jù)疊加原理推導(dǎo)出各區(qū)域的磁密分布表達式，通過合理假設(shè)，將低速直線永磁同步電機的三維磁場轉(zhuǎn)化為二維磁場，建立低速直線永磁同步電機的二維磁場分析模型，應(yīng)用Ansys軟件對電機模型進行了磁場分析;文獻［46］對低速直線永磁同步電機的異步穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)進行了分析，從理論上推導(dǎo)了異步穩(wěn)態(tài)的電磁力公式以及對電機起動特性的影響，定性分析了電磁力的暫態(tài)特性，得到低速直線永磁同步電機自起動的條件［47-48］;文獻［49］用繞組函數(shù)法計算了低速直線永磁同步電機的電感，得出低速直線永磁同步電機的氣隙磁場除了基波外，還含有大量的諧波磁場影響電機的性能，給分析低速直線永磁同步電機動、定子齒槽數(shù)的配合問題與運行特性提供理論依據(jù)［50］。

文獻［51］采用每極、每相槽數(shù)小于1(q＜1)分?jǐn)?shù)槽結(jié)構(gòu)，解決了運行的平穩(wěn)性，并建立基于二維磁場方程的直線永磁同步電機(Permanent Magnet Linear Synchronous Motor，PMLSM)有限元分析模型。采用開放邊界條件，將邊端漏磁對PMLSM的影響加入有限元模型中去，提高了分析精度。從時空相量圖出發(fā)，設(shè)定q＜1分?jǐn)?shù)槽繞組的三相電流分布，采用松弛因子法調(diào)節(jié)α角，對PMLSM額定負(fù)載推力進行迭代計算，得到采用瞬時電流法計算的PMLSM負(fù)載特性及其參數(shù)。

文獻［52］利用有限元法，對PMLSM諧波分量和齒槽力進行分析和仿真，運用傅里葉級數(shù)求出各次諧波分量結(jié)果表明，采用分?jǐn)?shù)槽短距繞組方法，可明顯降低齒槽效應(yīng)的影響。

由于低速直線永磁電機采用單段，成本較高。近年來，人們開始對分段式低速直線永磁電機進行研究。分段式低速直線永磁電機是在單段型電機基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種新型結(jié)構(gòu)形式，本質(zhì)上還是低速直線永磁電機，只是定子采用分段(不連續(xù))形式，相對單段式結(jié)構(gòu)，節(jié)約材料、降低成本，并為優(yōu)化設(shè)計留下了空間。早在1976年，Watson D.B.設(shè)計的分段供電低速直線電機，可認(rèn)為是分段式直線電機的雛形，目前磁懸浮技術(shù)是分段式直線驅(qū)動實用化的一個典型代表。目前對于分段式直線永磁電機的研究成果較多［53-58］。開展分段式低速直線永磁電機的研究也是自然而然的事。但對于分段式低速直線永磁電機的研究剛剛起步，能查到的成果極其有限。目前，鄭州大學(xué)對分段式低速直線永磁電機正在積極研究，在電機的結(jié)構(gòu)、磁場分析、自起動特性等方面取得了初步的研究成果，得到了國家自然科學(xué)基金、河南省自然科學(xué)基金、鄭州市科技局等項目的資助。

創(chuàng)傷性顱內(nèi)損傷患者所用藥品金額排前3位的分別是神經(jīng)系統(tǒng)藥物（17 887.5萬元）、血液和造血器官藥（6 149.6萬元）、全身用抗感染藥（4 946.1萬元），其中神經(jīng)系統(tǒng)藥物金額遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他類別，詳見表3。

3 低速直線永磁電機的結(jié)構(gòu)及原理

低速直線永磁電機的初級鐵心由硅鋼片疊成，鐵心上開有齒槽，槽中嵌放三相繞組，當(dāng)初級繞組通以三相交流電流時，氣隙中產(chǎn)生行波磁場。次級裝有一段橫向充磁的永久磁鋼，磁鋼材料為釹鐵硼，兩端為由硅鋼片疊成的次級，上面開有齒槽，兩段次級鐵軛相互錯開半個次級齒距，當(dāng)初、次級槽數(shù)與初級繞組極對數(shù)之間滿足式(1)時，可實現(xiàn)低速運行:

式中:ZR——次級槽數(shù);

ZS——初級槽數(shù);

p——初級有效部分(初級和次級對應(yīng)長度部分)的極對數(shù)。

取正號時次級運行方向與初級繞組產(chǎn)生的行波磁場方向相同，取負(fù)號時則相反。

當(dāng)?shù)退僦本€永磁同步電機的初級三相繞組內(nèi)通入三相對稱的正弦電流后，所產(chǎn)生的基波行波磁勢作用在氣隙磁導(dǎo)上，產(chǎn)生相應(yīng)的氣隙磁場，忽略鐵心的開斷時，此氣隙磁場呈正弦分布。當(dāng)三相電流相序為A-B-C時，將在氣隙中形成以vS=2τf速度直線前進的行波磁場。同時，次級上橫向永久磁鐵產(chǎn)生的恒定激磁磁勢作用在氣隙磁導(dǎo)上也產(chǎn)生相應(yīng)的氣隙磁場。由于初、次級槽數(shù)的分布效應(yīng)，其氣隙磁導(dǎo)波發(fā)生變化。為了產(chǎn)生電磁推力，必須使初級行波磁場的極對數(shù)和橫向勵磁磁勢產(chǎn)生的基波磁場的極對數(shù)相等。如果次級運行速度正好使氣隙磁導(dǎo)波的運行速度與初級行波磁場的速度相同，這時初、次級磁場就相互作用，產(chǎn)生同步推力，使電機在同步狀態(tài)下直線運行。次級的同步速度vR為

式中:vS——氣隙行波磁場同步速度，vS=2τf;kR——減速系數(shù)，

由式(1)～式(3)得:

式中:tR——次級的齒間距。

由式(4)可以看出，次級的同步速度vR的大小決定于次級齒間距tR和初級電源的頻率f。次級齒間距tR小于極距τ，因此，在不改變f和τ的情況下，可使次級同步速度降低為tRf，這樣就可以達到電機低速運行的目的［15-16，59-60］。

3 低速直線永磁同步電機特點

低速直線永磁同步電動機兼有直線電機和低速旋轉(zhuǎn)電機的特點，主要特點包括以下幾個方面。

(1)結(jié)構(gòu)簡單。傳統(tǒng)獲得低速直線運行方法是通過變頻器或復(fù)雜的控制算法，再增加龐大的減速機構(gòu)等形式實現(xiàn)的，這樣不但系統(tǒng)復(fù)雜，而且增加系統(tǒng)成本。對于恒低速直線運行的許多場合，例如恒低速傳送貨物的垂直或水平運輸裝置等，有些設(shè)備如變頻設(shè)備的利用率卻很低，采用低速直線電機驅(qū)動，由于不需要變頻器和任何中間轉(zhuǎn)換裝置便可獲得低速直線運行，直接產(chǎn)生推力，省去了諸多環(huán)節(jié)，系統(tǒng)更加緊湊，性價比高。

(2)損耗小、傳遞效率和可靠性高，噪聲小，無污染。傳統(tǒng)的低速運行設(shè)備約90%都采用龐大的齒輪減速機構(gòu)配套使用，對于車床、紡織機械等需要直線運行的場合，還要通過傳動機構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，電機采用齒輪及傳動裝置后，不僅使整個系統(tǒng)的體積和重量增加、噪聲增加、效率降低，而且使傳動精度降低，快速反應(yīng)變差。另外，齒輪及傳動裝置的磨損還會帶來系統(tǒng)壽命和可靠性的隱患。由于低速直線電機不需要把旋轉(zhuǎn)運動變成直線運動的附加裝置，這樣，系統(tǒng)整體傳遞效率高、噪聲小。

(3)低速直線永磁同步電機的動、定子直接暴露在空氣中，散熱容易，無需散熱裝置。

(4)低速直線永磁同步電機與其他低速電機或低速系統(tǒng)相比，推力大、時間常數(shù)小和響應(yīng)快。采用高性能永磁材料，使低速直線同步電機推力遠(yuǎn)大于同規(guī)格異步電機的推力。與同規(guī)格電機和系統(tǒng)相比，系統(tǒng)簡化、體積小、響應(yīng)速度較快。

(5)節(jié)約電能，控制方便。低速直線電機的負(fù)載與動子為一體，中間環(huán)節(jié)大大減少，系統(tǒng)整體可節(jié)約8% ～10%的電能［61］。對于低速直線永磁電機采用工頻電源直接供電，省去了復(fù)雜的控制系統(tǒng)，幾乎不用控制系統(tǒng)或工作量極少的控制系統(tǒng)，便能正常工作。

4 結(jié)語

低速直線電機的研究具有如下特點:

(1)2000年以前，低速直線電機的研究主要是以低速直線異步電機為研究對象:2000年以后，由于低速直線永磁電機相對低速直線異步電機顯而易見的優(yōu)點，低速直線異步電機逐漸淡出研究人員的視野，轉(zhuǎn)而對低速直線永磁電機進行研究。2000～2005年可以說是醞釀期，在此期間，可查的成果有限。2005年以后，研究成果相對2000～2005年而言，逐年增加，這主要是直線異步電機逐漸被直線永磁電機取代的原因。

(2)低速直線電機研究內(nèi)容方面，從能夠查閱的文獻來看，對于低速直線異步電機研究，從磁場的分析到設(shè)計電動機主要尺寸和次級參數(shù)確定方法，從特性的測試到優(yōu)化設(shè)計，內(nèi)容比較全面深入，具有一定的深度和廣度。近幾年，低速直線永磁電機的研究成果增加迅速，除了受低速直線異步電機的研究促進作用外，與目前低速直線永磁電機需求也有很大關(guān)系。但從研究的深度和廣度而言，由于時間短，研究內(nèi)容都是局部的，目前主要集中在磁場的分析和系統(tǒng)特性仿真層次上，還沒有一個系統(tǒng)的研究，更沒有一個統(tǒng)一的理論體系。相對低速直線異步電機研究水平及達到工業(yè)應(yīng)用的水平要求，低速直線電機特別是分段式低速直線永磁電機，還有較長的一段路要走。

(3)研究手段和方法上，對于低速直線異步電機，有解析方法和圖解法及樣機試驗法或多種方法結(jié)合;對低速直線永磁電機的研究，主要是解析法和有限元方法，目前還沒有樣機的研制報告。

(3)從結(jié)構(gòu)設(shè)計上，主要集中在雙邊開槽所造成的氣隙磁導(dǎo)變化前提下的低速直線異步電機或低速直線永磁電機，偶見采用分?jǐn)?shù)槽設(shè)計方法應(yīng)用到低速直線電機的設(shè)計，但成果不多。那么，傳統(tǒng)的滾切式電機、諧波電機等低速電機［43］的設(shè)計方法對低速直線電機的結(jié)構(gòu)設(shè)計是否有借鑒意義，將這些設(shè)計方法應(yīng)用到低速直線電機會出現(xiàn)哪些新的問題，如何解決，是值得探討的一個問題。除此之外，開發(fā)適合低速直線電機，特別是分段式低速直線永磁電機本身的新型結(jié)構(gòu)形式，是研究低速直線電機的一個基本問題。

(4)從從事低速直線電機的研究人員和單位來看，目前能查到的文獻中，無一例外都是高校在進行一些基礎(chǔ)性的研究工作，科研院所和企業(yè)有關(guān)這方面的研究還未能查到。這也從另一個方面說明了從國家層面上還沒形成研究低速直線電機的濃厚氛圍，主要原因是受傳統(tǒng)思想的影響和目前低速直線電機開發(fā)成本較高的原因。對于應(yīng)用低速直線驅(qū)動的場合，人們還習(xí)慣于選擇電機加減速機構(gòu)的方法實現(xiàn)。在“十一五”期間，國家將直線永磁電機和低速旋轉(zhuǎn)電機放在了優(yōu)先發(fā)展的地位，極大地促進了我國直線永磁電機和低速旋轉(zhuǎn)電機的發(fā)展。因此，要大力發(fā)展低速直線電機，特別是分段式低速直線永磁電機，以提高我國低速直線永磁交流伺服系統(tǒng)驅(qū)動水平，也需要國家從政策上加以引導(dǎo)。

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