影響低速圓筒型永磁直線電動機性能因素研究

黃克峰，李槐樹，潘元璋，周 羽

(海軍工程大學(xué)，湖北武漢 430033)

0 引 言

直線電動機是一類將電能直接轉(zhuǎn)化為直線電動機運動的機械能而不需要增加中間變換裝置的電機。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)在交通運輸、工業(yè)、物流輸送等各個方面得到了廣泛應(yīng)用。直線電動機技術(shù)在國外起步比我們早、技術(shù)較領(lǐng)先。隨著國內(nèi)研究人員對該技術(shù)的掌握，近些年在國內(nèi)各個直驅(qū)系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，直驅(qū)式技術(shù)逐漸成為了研究熱點，但由于我國對直線電動機的技術(shù)在各個領(lǐng)域的應(yīng)用起步比較晚，尤其是圓筒型永磁直線電動機目前應(yīng)用更少、研究也不多、理論體系也沒有形成，尚有許多問題亟待解決［1－2］。

在國內(nèi)研究的樣機中，目前最高額定效率偏低，只有18%，最高額定推力也不大，只有170 kg/m，推力大小和效率沒法達到系統(tǒng)的要求。為了能夠更好的發(fā)揮這種電機在直驅(qū)系統(tǒng)中的優(yōu)勢，研究影響電機性能因數(shù)的規(guī)律就變得很有必要。

1 圓筒型永磁直線電動機基本結(jié)構(gòu)和工作原理［2］

永磁旋轉(zhuǎn)電機經(jīng)過結(jié)構(gòu)上的演變就是圓筒型永磁直線電動機如圖1所示。把永磁旋轉(zhuǎn)電機沿徑向剖開拉直，就能夠得到平板型永磁直線電動機，再將平板型電機的扁平部分卷繞起來使其與磁場運動方向，就得到了圓筒型永磁直線電動機。圓筒型永磁直線電動機主要由動子鐵心、永磁體、不銹鋼軸、定子鐵心、定子繞組幾部分結(jié)構(gòu)組成。

圖1 扁平型結(jié)構(gòu)到圓筒型結(jié)構(gòu)的演變過程

圓筒型永磁直線電動機與永磁旋轉(zhuǎn)電機的工作原理基本一樣。即在定子三相繞組中通入對稱正弦電流時，這樣就能在氣隙中形成行波磁場，永磁體產(chǎn)生的磁場和行波磁場之間互相作用形成電磁推力，電磁推力推動著動子作直線運動。

與普通永磁旋轉(zhuǎn)電機和扁平型永磁直線電動機相比，圓筒型永磁直線電動機具有較多的優(yōu)點:①定子繞組利用率高;②沒有橫向邊緣效應(yīng)，端部漏磁消失;③由于對稱的軸向結(jié)構(gòu)，使得在徑向方向動子拉力互相抵消，較好地消除了單邊磁拉力。由于該種電機擁有這么多優(yōu)勢，為了在直驅(qū)系統(tǒng)中更好的應(yīng)用，就必須掌握影響電機性能的規(guī)律。

2 影響圓筒型永磁直線電動機的因素

2.1 電機類型的影響

根據(jù)電機在運行時所通入的電流方式不同，圓筒型永磁直線電動機可分為如表1所示的三種類型?？紤]到電機的性能優(yōu)勢和所使用環(huán)境等一些限制因素，我們通過表1比較得出了一般選擇圓筒型永磁同步直線電動機。

表1 不同結(jié)構(gòu)永磁直線電動機

2.2 動子永磁體充磁方向的影響［3－5］

圓筒型永磁直線電動機有三種不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)型式，如圖2所示。

圖2 三種不同充磁方式的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

從圖3中可以看出:軸向充磁的永磁體結(jié)構(gòu)氣隙磁密大且波形好，徑向充磁的永磁體結(jié)構(gòu)波形好但和相同情況的軸向充磁結(jié)構(gòu)相對氣隙磁密偏小;Halbach永磁體結(jié)構(gòu)的漏磁比較大，導(dǎo)致磁密波形小且不規(guī)則。綜合三者的情況可以得出軸向充磁方式的永磁體結(jié)構(gòu)在性能上更優(yōu)，再把優(yōu)化極距大小和永磁體軸向充磁長度兩者進行匹配，可以得到一個理想的推力輸出能力，而且該種充磁方式結(jié)構(gòu)簡單便于制造。

圖3 不同充磁方向定子表面氣隙磁密對比

2.3 定子鐵心結(jié)構(gòu)的影響［6－7］

目前圓筒型永磁直線電動機內(nèi)通用的定子是既在表面起軸承作用，同時支撐電機動子的不銹鋼定子內(nèi)襯管，雖然在制造方面工藝簡單，但是增加了很多額外的電機鐵耗，降低了整個電機的推力大小和效率等性能，不利于節(jié)能和提高電機系統(tǒng)性能;圓環(huán)形硅鋼片作為電機定子鐵心，雖然制造工藝簡單，但磁場感應(yīng)出的渦流回路仍然存在，額外增加了電機鐵耗。這些通用設(shè)計雖然制造簡單，也能達到一定的設(shè)計要求，但非常不利于電機性能的提高，所以很有必要對這些結(jié)構(gòu)設(shè)計進行改進。

本文研究圓筒型永磁直線電動機去掉定子內(nèi)襯管，將電機定子的槽口結(jié)構(gòu)由開口改成半閉口，如圖4(a)所示，既可以減小等效氣隙磁阻大小達到提高氣隙磁密，又使得漏磁部分得到很好的控制，這樣就較好地優(yōu)化了氣隙磁密波形，有效地達到了減小電機齒槽力的目的;軸向硅鋼疊片結(jié)構(gòu)運用到定子鐵心如圖4(b)所示，該種結(jié)構(gòu)的鐵心在力容量、系統(tǒng)運行效率和功率因數(shù)等方面都具有很大的優(yōu)勢，如圖5所示。同時該種結(jié)構(gòu)設(shè)計相對于其他結(jié)構(gòu)電機鐵耗小，從而很好地提高了電機性能指標(biāo)。

2.4 槽數(shù)的影響

圖6為4種不同極槽配合下的圓筒型永磁同步直線電動機結(jié)構(gòu)型式。下面對這4種結(jié)構(gòu)進行介紹，并通過仿真比較這4種電機的性能。

圖6(a)的結(jié)構(gòu)適合采用方波電流控制的電機。因為圓筒型永磁直線電動機特殊的結(jié)構(gòu)特點，取消了端部，故沒有永磁旋轉(zhuǎn)電機運用該種結(jié)構(gòu)時所能夠達到的運行效率高、功率因數(shù)好等優(yōu)點;如果通入其他類型的電流，基波繞組因數(shù)低，反而諧波繞組因數(shù)偏高，故采用別的類型電流時電機性能差;該型電機每極下對應(yīng)1.5個槽，便于制造。但圓筒型永磁直線電動機采用三相正弦波電流，不適合該結(jié)構(gòu)。

圖6(b)的結(jié)構(gòu)適合采用三相對稱正弦波電流進行控制，基波繞組因數(shù)高，同時諧波繞組因數(shù)也高，導(dǎo)致氣隙磁密波形差，從而電機性能不高;該種結(jié)構(gòu)電機每個極下對應(yīng)3個槽，制造上增加了一定的復(fù)雜度。

圖6(c)的結(jié)構(gòu)也適合采用三相對稱正弦波電流進行控制，基波繞組因數(shù)高，諧波繞組因數(shù)低，有利于提高電機的性能;但是每個極下6個槽，這樣每個槽將比較小，不利于制造，也不利于節(jié)約成本，性價不高。

圖6(d)的結(jié)構(gòu)諧波繞組因數(shù)低、基波繞組因數(shù)卻很高;當(dāng)極數(shù)和槽數(shù)很接近時，齒槽力周期多、幅值小。每極對應(yīng)1槽左右，三相繞組相對獨立，便于制作，性價比高。

圖6 4種不同的極槽配合結(jié)構(gòu)

圖7 四種不同的齒槽配合下的氣隙磁密波形對比

從圖7中可以看出，當(dāng)電機的槽數(shù)和極數(shù)很接近(10極9槽)時，在定子表面產(chǎn)生的氣隙磁密波形幅值大、基波比例大、諧波比例小，有利于產(chǎn)生接近正弦的氣隙磁密波形，從而該種結(jié)構(gòu)的電機齒槽力小。相反，2極3槽、2極6槽和2極12槽相對于10極9槽的結(jié)構(gòu)，氣隙磁密波形差、幅值偏小、基波比例低、諧波比例偏大，不利于產(chǎn)生接近正弦的氣隙磁密波形，從而電機將產(chǎn)生較大的齒槽力。故只有槽數(shù)和極數(shù)很接近時，有利于產(chǎn)生接近正弦的氣隙磁密波形。

3 結(jié) 論

本文結(jié)合了圓筒型永磁直線電動機的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和設(shè)計過程，分別從電機類型的選擇、轉(zhuǎn)子永磁體充磁方向、定子鐵芯結(jié)構(gòu)的確定和一個極下不同的槽數(shù)幾個方面分析了這些因數(shù)影響電機性能的規(guī)律，得出了一定有價值的結(jié)論，從而為設(shè)計性能優(yōu)越、制作簡單、性價比高的圓筒型永磁直線電動機提供了有力的理論依據(jù)和參考價值。

［1］吳明贊，高凱，呂洪斌.圓筒直線感應(yīng)電機研究綜述［J］.世界科技研究與發(fā)展，2008，30(4):458 －460.

［2］葉云岳，盧琴芬，范承志，等.直線電機技術(shù)手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2003.8:3 －12.

［3］周贛，黃學(xué)良，周勤博，等.Halbach型永磁陣列的應(yīng)用綜述［J］.微特電機，2008:52 －53.

［4］崔皆凡，蔣莉莉，王賀敏，等.Halbach磁體結(jié)構(gòu)應(yīng)用于永磁直線同步電機的研究［J］.沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2007，29(4):400－403.

［5］陸國良，夏永明，劉曉等.基于有限元分析的3種圓筒型永磁同步直線電機的運行仿真［J］.輕工機械，2006，24(4):56－59.

［6］Wang Jiabin，Howe D.Influence of soft magnetic materials on the design and permanent of tubular permanent magnet machines［J］.IEEE Transactions on magnetics，2005，41(10):1882 －1889.

［7］Wang Jiabin，Howe D.Tubular modular permanent magnet machines equipped with quasi－h(huán)albach magnetized magnetspart1:magnetic field distribution，EMF，and thrust fore［J］.IEEE Transactions on magnetics，2005，41(9):1532－1539.