高加速度雙邊型永磁直線電機(jī)的設(shè)計與優(yōu)化

吳麗澤，盧琴芬

(浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院，杭州 310027)

0 引 言

隨著全電化的發(fā)展，越來越多的加工或驅(qū)動設(shè)備需要采用更節(jié)能環(huán)保、高精度、高速和快速響應(yīng)的系統(tǒng)，而直線電機(jī)因其直驅(qū)的特性成為直線應(yīng)用場合一個很好的選擇方案，它無需轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低且易于維護(hù)。目前研究關(guān)注最多的是永磁直線同步電機(jī)(PMLSM)，因為其具有高推力密度、高可靠性和快速響應(yīng)的優(yōu)點。

目前，高加速度是PMLSM的主要研究目標(biāo)之一，設(shè)計思路大體上歸納為兩種：一是提高電機(jī)輸出的推力，二是減輕動子的質(zhì)量。前者一般采用帶鐵心的平板型結(jié)構(gòu)，可以提供高推力密度，此外還可通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)減少漏磁、優(yōu)化冷卻性能提高電負(fù)荷等方法進(jìn)一步增大推力；后者可通過優(yōu)化動子結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)移質(zhì)量到定子側(cè)等方法實現(xiàn)，如采用雙邊型結(jié)構(gòu)來減輕動子的質(zhì)量，同時也抵消單邊磁拉力降低了移動平臺的質(zhì)量。文獻(xiàn)[1]設(shè)計了新型U型結(jié)構(gòu)動永磁PMLSM，將原動子的背鐵設(shè)計分離為固定的一側(cè)背板，從而減輕了動子質(zhì)量，可大幅度提升加速度，設(shè)計電密較大，適用于短時高加速度運行；文獻(xiàn)[2]對傳統(tǒng)PMLSM的永磁體部分進(jìn)行改進(jìn)，增加Halbach磁極，在相同的永磁體用量下減少漏磁，增大了輸出推力，實現(xiàn)了加速度的提升，但推力波動也有所增加；文獻(xiàn)[3]采用雙邊平板型動永磁體帶鐵心PMLSM，動子輕量化處理，繞組通兩相方波電流，瞬時加速度可達(dá)100 g，但是推力波動非常大，加速度變化也很大。

本文提出了一種短行程雙邊平板型PMLSM的設(shè)計方案，將永磁磁極作為動子，實現(xiàn)動子輕量化設(shè)計，電樞采用三相交流繞組，平均推力可達(dá)5000 N。考慮到工作制或冷卻方式的不同，分析了采用兩種電密來實現(xiàn)不同加速度的設(shè)計方案。針對推力波動提出了兩臺組合式結(jié)構(gòu)或磁極分段斜極結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化，使得推力波動控制在5%左右，空載條件下加速度在50 g以上。

1 電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

PMLSM采用帶鐵心的結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)高推力密度，采用雙邊型結(jié)構(gòu)則能夠抵消兩邊的磁拉力，降低了動子移動平臺的機(jī)械支撐要求。動子結(jié)構(gòu)簡單，無需外接電源，控制方便，純永磁結(jié)構(gòu)去掉厚重的背鐵，從而有效減輕動子質(zhì)量。各個獨立的永磁體之間采用環(huán)氧樹脂進(jìn)行封裝，再由外支架進(jìn)行機(jī)械支撐。圖1顯示了PMLSM的二維有限元模型。

圖1 永磁直線電機(jī)二維有限元模型

2 設(shè)計方案

相比于傳統(tǒng)疊繞組結(jié)構(gòu)，采用每極分?jǐn)?shù)槽集中繞組可大大降低推力波動。當(dāng)初級槽數(shù)與次級極數(shù)相接近時，稱為近槽配合，兩者關(guān)系如下[4]：

Ns-Np=±k,k=1,2,…

(1)

式中，Ns為初級槽數(shù)，Np為次極槽數(shù)。

令初級的結(jié)構(gòu)參數(shù)不變且永磁體用量不變，隨著次級極數(shù)的增加，永磁體極距會減小，平均推力和推力波動都隨之改變。當(dāng)初級槽數(shù)Ns為12時，常用的極槽配合有12槽10極、12槽11極，對應(yīng)的永磁體極距分別為21.6 mm和19.64 mm。根據(jù)不同的極槽配合情況建立相應(yīng)的有限元仿真模型，得到的推力如圖2所示。

圖2 兩種極槽配合PMLSM的推力特性

由圖可知，兩種方案均可達(dá)到5500 N以上的平均推力，但是前者的推力波動更小，而且磁極極距不用取近似值，所以設(shè)計方案選擇12槽10極的極槽配合。根據(jù)選擇的極槽配合進(jìn)行了方案設(shè)計，結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

磁極是純永磁結(jié)構(gòu)，各個永磁塊相互獨立，需要考慮機(jī)械安裝的需求。圖3顯示了設(shè)計的動子結(jié)構(gòu)，其采用環(huán)氧封裝，把獨立的永磁塊固定在一起，然后采用了鋁制的固定框架，通過鋁制框架再與導(dǎo)軌相連接，考慮永磁體、封裝材料、移動框架與導(dǎo)軌滑塊，估算得到這些部分重量約為6.71 kg，再考慮電機(jī)到負(fù)載的連接部件，動子的總質(zhì)量控制在9 kg。

圖3 動子示意圖

3 性能計算

3.1 低電密性能

基于表1設(shè)計的PMLSM，三相繞組中的電流設(shè)計值為16 A。此時電流密度為5.2 A/mm2，線負(fù)荷為618 A/cm，熱負(fù)荷為321.36 A/mm3，此時跟常規(guī)PMLSM的電密與線負(fù)荷取值相接近。采用有限元模型，可以計算得到該電流下的電感參數(shù)與電磁性能。

圖4顯示了運行磁場分布和推力波形。由圖可見，最大磁密不超過2.0 T，平均推力為4361 N，推力波動為9.05%。根據(jù)預(yù)估的動子質(zhì)量，空載運行動子加速度為49.4 g。

圖4 低電密設(shè)計仿真結(jié)果

A、B、C三相繞組電感分別為67.89 mH、68.26 mH與67.91 mH。顯然三相基本對稱，由于A相與C相處于初級的兩端， 而B相位于中間位置，所以B相的電感要大，但是增量非常小，可以認(rèn)為基本相同，這是因為定子繞組的線圈數(shù)比較多。

3.2 高電密性能

基于有限元仿真模型，可以求得此時的電感參數(shù)與電磁性能。運行磁場分布和推力波形如圖5所示，由圖可見，最大磁密不超過2.1 T，平均推力為5594 N，推力波動為10.1%。根據(jù)預(yù)估的動子質(zhì)量，空載運行動子加速度為63.4 g?？梢钥闯?，電樞電流增大后推力波動明顯增大，這是由于磁路飽和與電樞磁場諧波增大引起的。

圖5 高電密設(shè)計仿真結(jié)果

A、B、C三相繞組的電感分別為44.93 mH、45.07 mH、44.96 mH。與前面低電密設(shè)計相同，三相之間的相互關(guān)系相同，但是由于磁路飽和的影響，整體電感比低電密設(shè)計時要小得多。

分析表明，該PMLSM運行于低電密時鐵心已經(jīng)接近飽和，所以如果增大電密(電流)，其推力能夠增大，但是幅度要小于電密增加的幅度，同時推力波動也會大幅度增加。

4 推力波動抑制

4.1 兩臺組合式結(jié)構(gòu)

由仿真結(jié)果可知，上述設(shè)計的PMLSM推力波動比較大。推力波動與動、定子的相對位置有關(guān)，如果采用兩臺組合式結(jié)構(gòu)，使得兩臺定動子相對位置不相同，就可以使得兩臺PMLSM的推力波動存在相位差。當(dāng)錯位的位置合適，就能夠讓兩臺PMLSM的推力波動大部分相互抵消，實現(xiàn)降低推力波動的目的，具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 兩臺組合式結(jié)構(gòu)示意圖

基于前述的高推力設(shè)計方案，但是為了保持相同的推力，鐵心疊厚取原來的一半，即為37.5 mm。電樞繞組通有效值27.7 A的三相電流，仿真得到總推力與錯位位移s的關(guān)系如圖7所示。由圖可知，錯位位移在1.8 mm時對推力波動的抑制效果最佳，平均推力5569 N，推力波動為3.91%。與原來設(shè)計方案相比，抑制了61.3%的波動。

圖7 總推力與錯位位移s的關(guān)系圖

由于總推力不變，鐵心疊厚只需要單臺時候的一半，雖然總體積會增大，但是對動子的機(jī)械強度與散熱都是有利的。不過兩個動子之間需增加額外的連接部分，如圖6所示的陰影部分，這會使動子整體質(zhì)量變大，加速度會減小。若采用鋼質(zhì)連接框架，預(yù)估總質(zhì)量為11 kg，此時兩臺組合式結(jié)構(gòu)的空載運行加速度仍然可達(dá)51.66 g。

4.2 永磁分段斜極設(shè)計

永磁斜極是一種降低推力波動的有效方法，可采用常用的連續(xù)斜極或分段斜極。由于連續(xù)斜極材料成本和加工難度較高，且存在扭轉(zhuǎn)力矩，分段斜極結(jié)構(gòu)簡單且成本低，所以采用了分段斜極。

設(shè)分段數(shù)為N，斜極角為A，當(dāng)N為偶數(shù)時，相鄰兩段永磁體錯開ν×A角度，ν次推力諧波的斜極系數(shù)為[5]

(2)

式中，ν為諧波次數(shù)，ω為角頻率。

當(dāng)N為奇數(shù)時，則中間段的初相位為0，相鄰兩段永磁體之間相差A(yù)/(N-1)，ν次推力諧波的斜極系數(shù)為[5]

(3)

式中，N=2k+1(k=1,2,…)為疊厚方向的分段數(shù)。

對于圖5顯示的高推力設(shè)計方案推力特性進(jìn)行FFT分析，可得到幅譜特性如圖8所示。顯然，6次與12次的諧波分量較大，所以主要需抑制6、12次諧波分量。

圖8 推力紋波的頻譜分析

分段斜極降低推力波動，也會降低平均推力，尤其是分段數(shù)多的時候，所以分段數(shù)不能取得過大。當(dāng)N取2或3時， 6、12次推力波動的諧波系數(shù)隨不同斜極角的變化情況如圖9所示。

圖9 推力波動斜極系數(shù)與斜極角的關(guān)系

由圖9所示，二分段采用斜極20°時可充分抑制12次諧波，三分段采用斜極40°時對6次與12次諧波的抑制效果最佳，但對電磁推力的削弱程度也增加，導(dǎo)致平均推力降低明顯。不同分段斜極角的仿真推力結(jié)果如圖10所示。

圖10 不同斜極角時二分段、三分段的推力情況

由此可以推斷，選擇三分段、斜極角20°時，推力波動為5.21%，平均推力為5493 N，推力波動最小且平均推力損失較少。與不斜極結(jié)構(gòu)相比，平均推力僅損失了1.8%，而推力波動下降了48.4%。根據(jù)預(yù)估的動子質(zhì)量，此時空載運行動子加速度可達(dá)62.3 g。

5 結(jié) 論

本文以高加速度與高推力密度為設(shè)計目標(biāo)，設(shè)計了一種雙邊平板型PMLSM。首先結(jié)構(gòu)上采用動純永磁方式，省去了背鐵，并設(shè)計了鋁制固定框架，實現(xiàn)了動子輕量化設(shè)計；分析兩種常見的極槽配合，通過比較確定了合適的極槽配合；然后通過有限元建模仿真，分析了低電密和高電密兩種情況下的推力性能與磁場分布，并由預(yù)估的動子質(zhì)量計算了空載運行的動子加速度；最后，為進(jìn)一步減小推力波動，提出了兩臺組合式結(jié)構(gòu)和分段斜極結(jié)構(gòu)兩種方法。分析表明，兩臺組合式結(jié)構(gòu)推力波動可以降低到3.91%，加速度為51.66 g；而分段斜極結(jié)構(gòu)推力波動為5.21%，加速度則為62.3 g。

由此可見，動純永磁的雙邊平板型PMLSM采用分段斜極或兩臺組合式結(jié)構(gòu)后均可實現(xiàn)加速度50 g的設(shè)計目標(biāo)。