一種基于分段定子的直線永磁磁通切換電機(jī)結(jié)構(gòu)及其優(yōu)化方法

郝雯娟,　鄧智泉

(1. 南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院,江蘇 南京　211106;

2. 南京航空航天大學(xué) 金城學(xué)院，江蘇 南京　211106)

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一種基于分段定子的直線永磁磁通切換電機(jī)結(jié)構(gòu)及其優(yōu)化方法

郝雯娟1,2,鄧智泉1

(1. 南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院,江蘇 南京211106;

2. 南京航空航天大學(xué) 金城學(xué)院，江蘇 南京211106)

摘要：直線永磁磁通切換(LFSPM)電機(jī)動(dòng)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功率密度高，以其電樞繞組和永磁體都在動(dòng)子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，特別適合長(zhǎng)定子應(yīng)用場(chǎng)合來降低成本。研究了一種分段定子結(jié)構(gòu)的LFSPM電機(jī)，其結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是可以減小電機(jī)的齒槽力，同時(shí)兼顧繞組基波幅值并減小繞組的諧波含量。在分析了電機(jī)齒槽力和線圈磁鏈與分段定子錯(cuò)位位移之間的關(guān)系后，根據(jù)不同電機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化選擇了合適的錯(cuò)位位移。最后，利用ANSYS有限元分析對(duì)采用所提出的分段定子結(jié)構(gòu)的2臺(tái)LFSPM電機(jī)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果證明了2臺(tái)電機(jī)所選錯(cuò)位位移合理有效，所研究電機(jī)的齒槽力相對(duì)較小，相繞組磁鏈波形較正弦。

關(guān)鍵詞:直線永磁磁通切換電機(jī)； 分段定子； 錯(cuò)位位移； 齒槽力； 磁鏈

0引言

永磁磁通切換(Flux Switching Permanent Mag-net, FSPM)電機(jī)作為一種定子永磁式雙凸極結(jié)構(gòu)的新型無刷電機(jī)目前廣受關(guān)注。FSPM電機(jī)繼承了開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單堅(jiān)固和永磁同步電機(jī)高轉(zhuǎn)矩密度、高效率的優(yōu)點(diǎn)。永磁體和電樞繞組放置在定子上，不受離心力，散熱條件良好；永磁磁場(chǎng)和電樞磁場(chǎng)為并聯(lián)關(guān)系，永磁體退磁風(fēng)險(xiǎn)小。一系列優(yōu)點(diǎn)決定了其在很多領(lǐng)域，如風(fēng)力發(fā)電、電動(dòng)汽車領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用潛力[1-5]。近幾年，很多學(xué)者開始關(guān)注直線永磁磁通切換(Linear Flux Swit-ching Permanent Magnet, LFSPM)電機(jī)的研究。

在很多直線驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合，如軌道交通、伺服進(jìn)給系統(tǒng)，直線電機(jī)直接將電能變成直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能而不需要中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，施工成本低，所以相對(duì)于旋轉(zhuǎn)電機(jī)有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)直線永磁同步電機(jī)相對(duì)于直線感應(yīng)電機(jī)具有較高的效率、功率因數(shù)及力能指標(biāo)，但是該類型直線電機(jī)的繞組和永磁體分別放置在電機(jī)的初級(jí)和次級(jí)。在長(zhǎng)定子應(yīng)用場(chǎng)合中，無論是將永磁體或繞組作為定子，都將造成工程造價(jià)高，維護(hù)不便等缺點(diǎn)[6-7]。那么，作為初級(jí)永磁式電機(jī)的LFSPM電機(jī)，由于其永磁體和繞組在動(dòng)子，定子僅為導(dǎo)磁材料制成的凸極鐵心，這樣在長(zhǎng)定子應(yīng)用場(chǎng)合既省銅又省永磁體，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率密度高、易于生產(chǎn)和維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)[8-13]。

但是，LFSPM電機(jī)存在推力脈動(dòng)較大的缺點(diǎn)，不適用于低速運(yùn)行。一方面由于定動(dòng)子的雙凸極結(jié)構(gòu)，電機(jī)齒槽力大，推力脈動(dòng)大；另一方面，部分電機(jī)結(jié)構(gòu)定動(dòng)子極數(shù)不匹配，導(dǎo)致電樞繞組不具有互補(bǔ)性，磁鏈諧波較大，造成推力脈動(dòng)；還有直線電機(jī)所特有的端部力，(由初級(jí)鐵心存在兩個(gè)端部而引起的)。在有的文獻(xiàn)里，齒槽力和端部力合稱為直線電機(jī)的定位力或磁阻力。無論是齒槽力還是端部力，都會(huì)對(duì)電機(jī)運(yùn)行不利，除了造成推力波動(dòng)，還會(huì)引起噪聲振動(dòng)等問題，所以在電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減小[14]。目前有一些文獻(xiàn)在減小直線電機(jī)端部力和齒槽力方面都做了研究。文獻(xiàn)[15]分析了LFSPM電機(jī)端部力和磁路的特點(diǎn)，研究了一種在動(dòng)子兩個(gè)端部增加輔助齒的方法來減小端部力，并給出了輔助齒的優(yōu)化方法。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[16-17]研究了模塊化結(jié)構(gòu)的LFSPM電機(jī)，以進(jìn)一步解決磁路不對(duì)稱問題，并且進(jìn)一步減小整個(gè)電機(jī)的端部力和齒槽力。文獻(xiàn)[18]針對(duì)雙邊直線電機(jī)研究了一種不同步放置的雙邊定子齒結(jié)構(gòu)，可以有效減小電機(jī)齒槽力。由于直線電機(jī)的齒槽力同旋轉(zhuǎn)電機(jī)的類似，所以旋轉(zhuǎn)電機(jī)減小齒槽力的很多方法都可以借鑒。文獻(xiàn)[19]分析了旋轉(zhuǎn)電機(jī)齒槽力的特點(diǎn)，提出一種轉(zhuǎn)子分段結(jié)構(gòu)來減小旋轉(zhuǎn)電機(jī)的齒槽力，具有較大的參考價(jià)值。

為了減小LFSPM電機(jī)的齒槽力，本文研究了一種基于分段定子的LFSPM電機(jī)結(jié)構(gòu)以及其優(yōu)化方法。本文第一部分分析了分段定子LFSPM電機(jī)的基本拓?fù)?，第二部分給出了分段結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法，第三部分采用ANSYS有限元軟件對(duì)電機(jī)進(jìn)行仿真分析。

1分段定子的LFSPM電機(jī)結(jié)構(gòu)

1.1LFSPM電機(jī)基本結(jié)構(gòu)

普通的旋轉(zhuǎn)FSPM電機(jī)基本原理如下: 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，隨著轉(zhuǎn)子位置的變化，電機(jī)電樞繞組所匝鏈的永磁磁鏈也在發(fā)生變化，電機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)轉(zhuǎn)子極距范圍，對(duì)應(yīng)的永磁磁鏈變化一周，且為雙極性。一個(gè)轉(zhuǎn)子極距對(duì)應(yīng)一個(gè)電周期，這個(gè)過程稱為“磁通切換”。

將旋轉(zhuǎn)的FSPM電機(jī)沿著周向展開，就得到了LFSPM電機(jī)。如果用在長(zhǎng)定子場(chǎng)合，則永磁體和繞組部分做成動(dòng)子，而凸極鐵心做成定子[20]。如圖1所示為以6/7極和6/5極為例的LFSPM電機(jī)拓?fù)洹?/p>

圖1　LFSPM電機(jī)基本結(jié)構(gòu)

1.2分段定子結(jié)構(gòu)

為了減小LFSPM電機(jī)的齒槽力，同時(shí)減小電機(jī)繞組磁鏈的諧波含量，本文研究了一種基于分段定子(segment-stator)的LFSPM(LFSPM-SS)電機(jī)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。該電機(jī)的定子采用分段結(jié)構(gòu)，兩段定子結(jié)構(gòu)尺寸相同，錯(cuò)開一個(gè)位移放置，稱該位移為錯(cuò)位位移，如圖2(b)所示。對(duì)應(yīng)的動(dòng)子也分為結(jié)構(gòu)尺寸相同的兩段，兩段動(dòng)子上對(duì)應(yīng)位置的永磁體反向充磁，共同繞制一套線圈，如圖2(c)所示。兩段定子和動(dòng)子之間采用磁障來隔離。這里，本文主要以分段定子的6/7極和6/5極LFSPM電機(jī)為例，研究分段定子的LFSPM電機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。

圖2　LFSPM-SS電機(jī)結(jié)構(gòu)(6/7極)

所研究6/7極和6/5極電機(jī)定子和動(dòng)子尺寸標(biāo)示如圖3所示，其中，陰影部分為永磁體。兩段定子(動(dòng)子)的厚度均為30mm，中間間隔磁障厚度為5mm，所以電機(jī)厚度為65mm。單個(gè)線圈匝數(shù)為200。兩個(gè)電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

圖3　電機(jī)部件尺寸結(jié)構(gòu)圖

mm

2優(yōu)化方法

2.1電機(jī)的線圈磁鏈和齒槽力

在LFSPM-SS電機(jī)中，以圖2(c)中線圈A1為例，A1所匝鏈的磁鏈，可以看成是兩個(gè)充磁方向相反的永磁體在A1中所產(chǎn)生磁鏈ψ1和ψ2的合成，ψ1和ψ2可表示成

ψ1=Ψ1msin(ωt+φ1)+∑Ψnmsin(nωt+φn)

(1)

(2)

式中:Ψ1m、Ψnm——基波和n次諧波分量的幅值；

ω——?jiǎng)幼舆\(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的電角速度；

φ1、φn——基波和n次諧波分量的相位角；

τ1——兩段定子的錯(cuò)位位移；

τs——定子齒距。

則A1中的合成磁鏈為

ψ=ψ1-ψ2=

(3)

同樣，兩段動(dòng)子的齒槽力可分別表示成

Fc1=Fcmsin(Pωt+φc1)+

∑Fcnmsin(Pnωt+φcn)

(4)

(5)

式中:Fcm、Fcnm——基波和n次諧波分量的幅值；

φc1、φcn——基波和n次諧波分量的相位角；

P——電機(jī)齒槽力周期對(duì)電機(jī)電周期的倍數(shù)。

則LFSPM-SS電機(jī)的齒槽力為

F=Fc1+Fc2=

(6)

2.2錯(cuò)位位移分析及選擇

ψ=ψ1-ψ2=

2Ψ2msinβscos(2ωt+φn+βs)

(7)

可以發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)磁鏈的直流分量相互抵消，合成磁鏈基波幅值是βs/2的函數(shù)，而二次諧波幅值是βs的函數(shù)，令k為二次諧波和基波幅值的比值，則

(8)

不難發(fā)現(xiàn)當(dāng)βs=180°即τ1=τs/2時(shí)，k=0，磁鏈正弦度最高。

同樣通過MATLAB對(duì)ANSYS仿真后的數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉分析和擬合可以得到電機(jī)齒槽力峰值隨βs變化的趨勢(shì)。

6/5極和6/7極LFSPM-SS電機(jī)的磁鏈基波幅值、k以及齒槽力峰值隨βs變化的曲線如圖4所示，為了方便觀測(cè)，各值均為標(biāo)幺值，參考值選取各自的最大值。

圖4　LFSPM-SS電機(jī)基波幅值、k以及齒槽力峰值隨的變化趨勢(shì)

從圖4中可以看出，βs在0°～360°的范圍內(nèi)變化時(shí)，基波幅值、k及齒槽力峰值也在變化。如圖4(a)的6/5極LFSPM-SS電機(jī)，當(dāng)βs=90°和270°時(shí)齒槽力峰值最小，為其最大值(即兩段定子沒有錯(cuò)位)的40%，即減小了60%，但此時(shí)磁鏈基波幅值會(huì)減小40%。當(dāng)βs=180°時(shí)，磁鏈基波幅值可以達(dá)到最大且二次諧波幅值最小，齒槽力峰值約減小了20%。在180°附近，左右相差30°的范圍內(nèi)，當(dāng)βs約為160°時(shí)，齒槽力峰值減小了約40%，而磁鏈基波幅值減小不到5%，所以選擇βs=162°即t1=9mm為6/5極LFSPM-SS電機(jī)的錯(cuò)位位移。對(duì)于圖4(b)的6/7極LFSPM-SS電機(jī)，當(dāng)βs=90°和270°時(shí)齒槽力峰值最小，減小了60%，但此時(shí)磁鏈基波幅值會(huì)減小40%。當(dāng)βs=180°時(shí)，磁鏈基波幅值可以達(dá)到最大且二次諧波幅值最小，但齒槽力峰值最大。在180°附近，左右相差30°的范圍內(nèi)，當(dāng)βs約為204°時(shí)，齒槽力峰值減小了約20%，而磁鏈基波幅值減小不到5%，所以選擇βs=204°即t1=8mm為6/7極LFSPM-SS電機(jī)的錯(cuò)位位移。

綜上所述，通過錯(cuò)位位移的選擇，可以對(duì)LFSPM-SS電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化來減小其齒槽力和磁鏈諧波含量，同時(shí)兼顧磁鏈幅值。

3仿真驗(yàn)證

采用ANSYS軟件對(duì)所研究的6/7極和6/5極LFSPM-SS電機(jī)進(jìn)行仿真分析，為了說明優(yōu)化效果，兩個(gè)電機(jī)分別與其未優(yōu)化的普通結(jié)構(gòu)在磁鏈、齒槽力、電磁推力方面進(jìn)行了比較。用于比較的普通LFSPM電機(jī)的橫向尺寸及匝數(shù)和LFSPM-SS電機(jī)相同，厚度也相同，即65mm，電機(jī)運(yùn)行速度為5m/s。

3.1齒槽力

LFSPM和LFSPM-SS電機(jī)的齒槽力隨定子位置變化的波形如圖5所示。從圖5中可看出，由于錯(cuò)位位移的優(yōu)化選擇，兩個(gè)LFSPM-SS電機(jī)的齒槽力的幅值都有明顯減小，尤其是6/5極LFSPM-SS電機(jī)，減小幅度約為40%。

圖5　電機(jī)齒槽力比較

3.2A相磁鏈

圖6給出了電機(jī)A相繞組磁鏈的波形，可以看出，相對(duì)于LFSPM電機(jī)，兩個(gè)LFSPM-SS電機(jī)磁鏈幅值的減小都很小，減小幅度可以忽略。同時(shí)兩個(gè)電機(jī)的正弦度都有了改善，尤其是6/7極LFSPM-SS電機(jī)，消除了對(duì)應(yīng)LFSPM電機(jī)的直流偏置。

圖6　電機(jī)A相繞組磁鏈比較

3.3推力

LFSPM和LFSPM-SS電機(jī)的推力波形如圖7所示。從圖7中可看出，由于齒槽力的減小，兩個(gè)LFSPM-SS電機(jī)的推力脈動(dòng)相對(duì)于對(duì)應(yīng)的LFSPM電機(jī)都有明顯減小，但推力平均值幾乎不變。

圖7　電機(jī)推力比較

4結(jié)語

LFSPM電機(jī)永磁體和電樞繞組動(dòng)子，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于散熱，其長(zhǎng)定子結(jié)構(gòu)相對(duì)于永磁同步直線電機(jī)，能夠節(jié)省永磁體和繞組材料，節(jié)約成本。但由于直線磁通切換電機(jī)的定動(dòng)子雙凸極結(jié)構(gòu)，齒槽力較大的問題會(huì)影響其運(yùn)行。本文提出了兩段定子的LFSPM電機(jī)，兩段結(jié)構(gòu)相同，定子錯(cuò)位放置，動(dòng)子上相同位置永磁體采用相反的充磁方向并且交鏈一套繞組，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)定子錯(cuò)位位移的大小，可以有效減小齒槽力峰值，同時(shí)可以兼顧相繞組磁鏈幅值，并且可以減小諧波含量。

【參 考 文 獻(xiàn)】

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*基金項(xiàng)目: 國(guó)家自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目(51407090)

A Segment-Stator Based Flux-Switching Permanent Magnet

Linear Machine and Its Structure Optimization Method

HAOWenjuan1,2,DENGZhiquan1

(1. College of Automation, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Nanjing 211106, China;

2. College of Jincheng, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 211106, China)

Abstract：The linear flux switching permanent magnet (LFSPM) machine has simple stator structure and high torque density. This kind of machine is suitable for long stator application due to that both the PMs and armature winding are on the short mover. In this paper, a segment stator based LFSPM machine is investigated, with the merits of this structure is reducing the detent force and considering the amplitude of the flux-linkage, besides, the harmonic components can also be reduced. The relationship between the stagger displacement and the detent force as well as the coil flux-linkage, respectively, are analyzed, a suitable stagger displacement is chosen according to the reduction of detent force and the consideration of the flux-linkage amplitude. The analysis results by FEA verifies the effectiveness of the proposed structure.

Key words：linear flux switching permanent magnet motor; segment stator; stagger displacement; detent force; flux-linkage

收稿日期：2015-08-17

中圖分類號(hào)：TM 351

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1673-6540(2015)12- 0001- 06

通訊作者：郝雯娟