永磁弧形同步電動(dòng)機(jī)磁阻力研究

楊　龍，生國(guó)鋒，王　軍

（棗莊科技職業(yè)學(xué)院，山東 棗莊277599）

0　引言

由于永磁（PM）線性同步電動(dòng)機(jī)的高速度，大扭矩，行程范圍寬和快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)等特性，永磁（PM）線性同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)越來越多的用于商業(yè)、工業(yè)和軍工產(chǎn)業(yè)。對(duì)于一些掃描系統(tǒng)和雷達(dá)系統(tǒng)中，回轉(zhuǎn)馬達(dá)與齒輪箱通常采用實(shí)現(xiàn)有限的角運(yùn)動(dòng)，這樣會(huì)帶來一些缺點(diǎn)，比如占領(lǐng)空間大，易造成傳動(dòng)誤差和低響應(yīng)性能。由此看來，永磁弧形同步電動(dòng)機(jī)是能夠做直線驅(qū)動(dòng)的角運(yùn)動(dòng)，其所做的角運(yùn)動(dòng)被控制在一定范圍內(nèi)[1]。

在這篇文章中將提出一個(gè)新的混合永磁交流弧形同步電動(dòng)機(jī)電樞繞組和補(bǔ)償繞組，用以研究減少磁阻力，提高平穩(wěn)行程[2]。第一，首先對(duì)這一新型電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造進(jìn)行描述；第二，對(duì)直流補(bǔ)償效果的評(píng)估；第三，通過只使用補(bǔ)償電流的補(bǔ)償策略進(jìn)行研究；第四，對(duì)補(bǔ)償電流組合及長(zhǎng)度的優(yōu)化進(jìn)行了分析；第五，接著對(duì)采取補(bǔ)償?shù)牟呗詠碓鰪?qiáng)平穩(wěn)行程開展研究；最后對(duì)AL-PMSM原型進(jìn)行制造和測(cè)試通過有限元結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。

1　永磁弧形電動(dòng)機(jī)磁阻力分析

磁阻力主要受端部效應(yīng)及齒槽效應(yīng)的影響，他們都是定子齒之間磁阻有規(guī)律的變動(dòng)引起的。在旋轉(zhuǎn)式永磁電機(jī)中，磁阻有規(guī)律的變動(dòng)導(dǎo)致了齒槽效應(yīng)的產(chǎn)生。減少齒槽效應(yīng)的方法有很多，如偏移、磁極間距優(yōu)化、磁極形狀優(yōu)化，定子鐵芯優(yōu)化，磁鐵轉(zhuǎn)變，采用定子齒部觸點(diǎn)，封閉定子槽等。這個(gè)端部效應(yīng)是由于主要和次要側(cè)的長(zhǎng)度有限產(chǎn)生的。通過對(duì)這兩者相互作用得到的磁阻力進(jìn)行評(píng)價(jià)，得出由于端部效應(yīng)及齒槽效應(yīng)引起的一種單獨(dú)的磁阻力。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明沒有做優(yōu)化，端部效應(yīng)會(huì)比齒槽效應(yīng)產(chǎn)生的磁阻力要高很多[3]。

減少磁阻力的途徑可以分為兩種，一是對(duì)機(jī)器進(jìn)行復(fù)雜的控制策略，和其他機(jī)械進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，如圖1所示。通過分析主要邊長(zhǎng)度對(duì)磁阻力的影響，得出優(yōu)化主要邊長(zhǎng)度能夠減少磁阻力。輔助齒也能廣泛用于減少磁阻力，永磁交流同步直線電機(jī)采用了復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，分為三個(gè)模塊，所以三個(gè)模塊的磁阻力可以彼此抵消。然而，很少有研究考慮結(jié)合控制策略和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法來減少磁阻力。然而大多數(shù)的研究都集中在了由于短側(cè)引起的端部效應(yīng)。當(dāng)初端區(qū)域接近次端區(qū)域的時(shí)候，長(zhǎng)邊端部效應(yīng)也會(huì)發(fā)生。長(zhǎng)邊端部效應(yīng)引起的磁阻力顯著的降低了平穩(wěn)的行程，值得認(rèn)真研究。

圖1　磁阻力最小化優(yōu)化

2　永磁弧形同步電機(jī)模型結(jié)構(gòu)分析

在本文中，弧形同步電機(jī)采用了次級(jí)側(cè)為長(zhǎng)邊，初級(jí)側(cè)為短邊的結(jié)構(gòu)，見圖2所列。表面安裝轉(zhuǎn)子類型是采用11個(gè)磁極和12個(gè)槽組成，弧形永磁同步電機(jī)的主要數(shù)據(jù)見表1所列[4]。在沒有其他的磁阻力優(yōu)化下，磁阻力的組成可以表達(dá)成：

式中，S為次級(jí)邊移動(dòng)的位移；τ為極距；θ為次級(jí)原始位置磁阻力的偏移角；Fod為電動(dòng)機(jī)的恒定幅度。

圖2　新型弧形同步電機(jī)結(jié)構(gòu)圖解

表1　弧形同步電機(jī)參數(shù)

見圖3所列，通過用有限元的方法進(jìn)行分析計(jì)算，得出磁阻力[5]。從圖中很明顯看出磁阻力很大，因此，兩個(gè)補(bǔ)償繞組都設(shè)計(jì)在初級(jí)側(cè)的端齒上。在次級(jí)側(cè)的運(yùn)動(dòng)中，適當(dāng)?shù)碾娏髯饔糜谘a(bǔ)償繞組會(huì)產(chǎn)生相反的力，從而有效地減少磁阻力[6]。

圖3　無補(bǔ)償繞組的磁阻力

3　直流補(bǔ)償?shù)挠?jì)算

當(dāng)次級(jí)運(yùn)動(dòng)時(shí)，直流電直接供應(yīng)到補(bǔ)償繞組。為了簡(jiǎn)化分析，最初只使用了一個(gè)補(bǔ)償線圈。補(bǔ)償線圈的端齒可以被視為一個(gè)電磁鐵[7]。當(dāng)直流電通到補(bǔ)償線圈時(shí)，由有限元分析和計(jì)算出初級(jí)和次級(jí)典型的通量分布位置，結(jié)果如圖4所示。

（續(xù)下圖）

（接上圖）

圖4　初級(jí)和次級(jí)通量的不同分布

圖4（a）中所示的位置等效電磁鐵的N極對(duì)應(yīng)著永磁電機(jī)的N極點(diǎn)，由直流所產(chǎn)生的法向力為0.當(dāng)次級(jí)側(cè)從a位置移動(dòng)到b位置時(shí)，由直流所產(chǎn)生的法向力增加到最大值。在c位置時(shí)，由直流所產(chǎn)生的的法向力又回到了0值，等效電磁鐵的N極對(duì)應(yīng)著永磁電機(jī)的S極點(diǎn)。在位置d時(shí)，由直流所產(chǎn)生的的法向力到達(dá)最小值。再由位置d回到位置a時(shí)由直流所產(chǎn)生的法向力再次回到0。

圖5所列，通過使用有限元的方法進(jìn)行分析計(jì)算得出磁阻力。用直流補(bǔ)償所產(chǎn)生的磁阻力減去原來產(chǎn)生的磁阻力，以及直流所產(chǎn)生的的法向力都能算出來如圖6所示。從圖6可以看出，每?jī)蓚€(gè)磁極距間直流周期性的變化所產(chǎn)生的法向力與分析的結(jié)果相一致。圖4所示的a，b，c，d四個(gè)位置分別標(biāo)記在圖6中。基于上述的分析知，由直流補(bǔ)償所產(chǎn)生的磁阻力表達(dá)公式為：

圖5　直流補(bǔ)償產(chǎn)生的磁阻力

圖6　直流補(bǔ)償產(chǎn)生的法向力

4　結(jié)束語

本文中主要介紹一種新型的永磁交流弧形同步電動(dòng)機(jī)，通過用限元分析的方法對(duì)永磁弧形電機(jī)的電樞繞組和補(bǔ)償繞組進(jìn)行計(jì)算和分析。從圖3和圖5的對(duì)比中可以看出，補(bǔ)償繞組能夠有效地減少磁阻力，提高平穩(wěn)行程。如果永磁弧形電機(jī)的補(bǔ)償繞組在閉環(huán)控制系統(tǒng)中運(yùn)行，那么結(jié)果會(huì)更加顯著，這也是以后研究的內(nèi)容。雖然在本文中只是通過對(duì)永磁弧形電機(jī)建模分析，但是這種補(bǔ)償繞組的方法也同樣適用于普通永磁直線交流電機(jī)，因?yàn)榉治鲈硎且粯拥摹?/p>