兩種結(jié)構(gòu)的雙邊型直線式SRM電磁特性比較分析

吳正飛，王千龍，馬海寧，蔣 偉

(揚州大學(xué)，揚州 225000)

0 引 言

開關(guān)磁阻直線電機(以下簡稱LSRM)因其結(jié)構(gòu)較直線同步電機簡單、造價比永磁式直線電機低、性能又優(yōu)于直線感應(yīng)電機等優(yōu)點，成為直線驅(qū)動領(lǐng)域可選電機之一。LSRM的基本結(jié)構(gòu)可以看成由旋轉(zhuǎn)式SRM演變而來，具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高和起動力矩大等優(yōu)點[1]。

單邊型開關(guān)磁阻直線電機(以下簡稱SLSRM)結(jié)構(gòu)最簡單，但存在較大的單邊法向磁拉力。單邊法向磁拉力會導(dǎo)致SLSRM動子與直線軌道間的摩擦力增大，并且使電機的機械磨損加重[2]。雙邊型開關(guān)磁阻直線電機(以下簡稱DLSRM)以SLSRM作為基礎(chǔ)，增加了一套與SLSRM關(guān)于直線軌道相對稱的動子結(jié)構(gòu)，在動子兩端與定子間氣隙相同的情況下，其定子兩側(cè)的動子所產(chǎn)生的法向磁拉力會完全抵消，并且兩邊的電磁推力方向相同。因此DLSRM相比于SLSRM去除了單邊磁拉力，同時增加了電機的單位體積電磁推力。DLSRM 的獨特優(yōu)點吸引了眾多國內(nèi)外學(xué)者的研究興趣。文獻[3-5]研究了整體式定子分塊式動子結(jié)構(gòu)的DLSRM的位置控制和發(fā)電控制等。文獻[6]則針對一種新型分塊式定子整體式動子結(jié)構(gòu)的電機原理和設(shè)計方法進行了研究。

本文對分塊式和整體式兩種結(jié)構(gòu)的DLSRM做了對比，分別從磁力線分布、磁密分布、相電感和電磁推力4個方面分析，從而得出結(jié)論。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

整體式和分塊式DLSRM的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。整體式DLSRM采用三相動子的結(jié)構(gòu)，三相動子采用整塊的硅鋼片疊壓而成，該硅鋼片上共有12個凸極，從左往右依次為A-B-C-A-B-C相，動子的凸極上設(shè)有繞組，每凸極210匝。電機定子、動子上硅鋼片的疊厚均為42 mm。動子總長349.35mm，寬48 mm，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1(a)所示。

(a) 整體式DLSRM

(b)分塊式DLSRM

分塊式DLSRM分為三相定子，且各相在結(jié)構(gòu)上相互獨立，由動子兩側(cè)的硅鋼片疊壓組成一相，從左往右依次為A,B,C三相，動子硅鋼片的凸極上設(shè)有繞組，每凸極210匝。定子、動子硅鋼片的疊厚為42 mm，定子總長299.4 mm，寬48 mm。結(jié)構(gòu)示意圖如圖1(b)所示。表1給出了兩種DLSRM的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

表1 整體式和分塊式DLSRM主要尺寸參數(shù)

2 性能分析

2.1 磁力線分布與磁密分布比較

2.1.1 單相導(dǎo)通6 A電流的磁力線分布與磁密分布比較

在圖1的整體式和分塊式DLSRM中，設(shè)A相電感最小位置為起始零位置，給A相通入6 A電流，電機動子向右運動，開通到A相8 mm的位置時，在整體式和分塊式DLSRM中，磁力線穿過動子軛、動子凸極和定子，形成閉合磁路，磁力線分布和磁密分布如圖2所示。定子與動子的磁密均在0.668～1.003T之間，近似相等。

(a) 磁力線分布(整體式)

(b)磁密分布(整體式)

(c) 磁力線分布(分塊式)

(d) 磁密分布(分塊式)

2.1.2 雙相導(dǎo)通6 A電流的磁力線分布與磁密分布比較

在圖1的整體式和分塊式DLSRM中，A,B兩相通入6 A電流，電機動子開通到B相對齊位置時，在整體式DLSRM中，有2條貫穿A相和B相的磁路，相比單獨的磁路而言，A,B相重疊區(qū)的磁力線分布更密，動子兩相重疊區(qū)的軛部磁密在0.992～1.591 T之間，動子軛部虛線標注地方出現(xiàn)了磁飽和現(xiàn)象，磁力線和磁密分布圖如圖3(a),圖3(b)所示；在分塊式DLSRM中，B相磁力線分布比A相更密，且兩相的磁密分布正常，定子凸極和動子凸極軛部磁密在0.795～1.326 T之間，并未出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象。磁力線分布和磁密分布如圖3(c),圖3(d)所示。

(a) 磁力線分布(整體式)

(b)磁密分布比較(整體式)

(c) 磁力線分布(分塊式)

(d) 磁密分布比較(分塊式)

2.2 相電感比較

在圖1的整體式DLSRM中，給A相單獨通入1 A電流，利用FLUX軟件計算得出相電感波形，如圖4中的Type1。給A相通入1 A電流，B相通入10 A電流時，如圖4中的Type2所示，A相電感總體減小，最小誤差為4.49%，最大誤差為33.76%。給A相通入1 A電流，B,C相通入10 A電流時，如圖4中的Type3所示，A相電感急劇降低，且在電感最小起始位置時，是從負值開始增大的，最小誤差13.81%，最大誤差113.91%。由此得出結(jié)論，對于整體式DLSRM，在不同繞組中通入不同的電流后，各相間互感較大。且開通的相數(shù)越多，電感的誤差值越大。

圖4 相電感的比較

在圖1的分塊式DLSRM中，給A相單獨通入1 A電流，利用FLUX軟件計算得出相電感波形，如圖4中的Type4所示。給A相通入1 A電流，B相通入10 A電流時，A相電感波形幾乎不變，如圖4中的Type5所示，最小誤差1.04%，最大誤差3.88%。給A相通入1 A電流，B,C相通入10 A電流時，如圖4中的Type6所示，最小誤差1.06%，最大誤差3.94%。由此得知，在分塊式DLSRM中，繞組中通入額定電流后，各相間互感很小，在正常的誤差范圍之內(nèi)。具體的電感誤差如表2所示。

表2 電感誤差

2.3 不同電流下靜態(tài)電磁推力的比較

本文利用有限元分析軟件FLUX對兩種DLSRM的靜態(tài)電磁推力進行仿真計算，得出在不同電流以及不同勵磁方式下的兩種DLSRM靜態(tài)電磁推力情況。

2.3.1 單相導(dǎo)通5 A和10 A電流的靜態(tài)電磁推力比較

在圖1的整體式和分塊式DLSRM中，給A相分別導(dǎo)通5 A和10 A的電流，開通一個周期(50 mm)的位置，比較其靜態(tài)電磁推力的波形，如圖5所示。Type1為整體式DLSRM的靜態(tài)電磁推力，Type2為分塊式DLSRM的靜態(tài)電磁推力。由圖5中計算結(jié)果可以得出，兩種DLSRM在單相勵磁情況下，靜態(tài)電磁推力基本相同。

(a) 單相導(dǎo)通5 A電流

(b) 單相導(dǎo)通10 A電流

2.3.2 三相六拍導(dǎo)通5 A和10 A電流的靜態(tài)電磁推力比較

在圖1整體式和分塊式DLSRM中，采用三相六拍的控制方式，依次給AC，A，AB，B，BC，C通入5 A的電流，比較其靜態(tài)電磁推力的波形，如圖6所示。Type1為整體式DLSRM的靜態(tài)電磁推力，Type2為分塊式DLSRM的靜態(tài)電磁推力。從峰值、平均值、脈動((峰值-平均值)/平均值×100%)3個方面分別對兩種結(jié)構(gòu)的DLSRM作定量分析，如表3所示。由表3可知，分塊式DLSRM的峰值比整體式DLSRM大1.705 3 N，脈動小1.95%，平均靜態(tài)電磁推力大2.833 N。當(dāng)依次給AC,A,AB,B,BC,C通入10 A的電流，Type3為整體式DLSRM的靜態(tài)電磁推力，Type4為分塊式DLSRM的靜態(tài)電磁推力。由表3可知分塊式DLSRM的峰值比整體式DLSRM小4.768 N，但脈動小16.67%，且平均靜態(tài)電磁推力大31.563 2 N。

(a) 5 A

(b)10 A

表3 性能分析

3 樣機驗證

圖7為分塊式DLSRM樣機平臺照片，其中電機有一套定子和一套動子，動子為相應(yīng)的硅鋼片直接疊壓而成，樣機采用了不導(dǎo)磁的不銹鋼材料。1個量程為500N的拉力傳感器安裝在動子與固定支架之間，用于檢測動子的電磁推力。分辨率為5μm的位移傳感器用于檢測電機的位移。

圖7 樣機照片

3.1 實驗數(shù)據(jù)采集

松開固定支架兩端的螺母，給電機動子的A相通入瞬時10A的電流，使得動子A相處于磁阻最小位置，作為起始零點。采集50個點，每個點間距1mm(一個周期)，通過位移顯示儀讀出位移量，拉力顯示儀讀出靜態(tài)電磁推力，通過LCR測量表測得動子A相的電感值。實測靜態(tài)電磁推力和電感值如圖8所示。

(a) 電磁推力

(b) 電感

3.2 誤差分析

通過實驗樣機平臺的測驗，單相導(dǎo)通10A電流時，實際的電磁推力略小于FLUX軟件計算得出的值。誤差主要是動子與軌道的摩擦阻力，拉力傳感器和位移傳感器內(nèi)部的調(diào)理電路有偏差。相電感的實測值也與計算結(jié)果接近，誤差小于5%，故驗證成立。

4 結(jié) 語

本文在已有的整體式DLSRM的基礎(chǔ)上，又研究了一種新結(jié)構(gòu)的分塊式DLSRM。分別從磁力線分布、磁密、相電感、電磁推力的角度綜合分析了兩種電機的優(yōu)劣，得出了以下的一些結(jié)論：

1) 當(dāng)單相導(dǎo)通電流6A時，兩種結(jié)構(gòu)的DLSRM磁力線分布和磁密都正常；當(dāng)雙相通入6A電流時，整體式DLSRM的磁路會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，而在分塊式DLSRM上，各相間磁路相互獨立，通入允許范圍之內(nèi)的電流，沒有出現(xiàn)磁路飽和的現(xiàn)象。

2) 當(dāng)單相導(dǎo)通兩種不同結(jié)構(gòu)的DLSRM時，相電感均不受其他相的影響；當(dāng)給其他相通入10A額定電流時，整體式DLSRM的互感大，誤差在4.49%～33.76%，而互感在分塊式DLSRM沒有體現(xiàn)，對應(yīng)導(dǎo)通相的電感誤差均在5%以下。

3) 當(dāng)單相導(dǎo)通電流時，兩種結(jié)構(gòu)的DLSRM的靜態(tài)電磁推力隨著電流的增大而增大，且峰值和脈動基本相同。當(dāng)采用三相六拍的控制方式導(dǎo)通電流時，在給線圈通入5A電流，電機處于不飽和狀態(tài)時，分塊式DLSRM的電磁推力峰值比整體式DLSRM的峰值大1.705 3N，脈動小1.95%，平均電磁推力大2.833N；在給線圈通入10A額定電流，電機處于飽和狀態(tài)時，分塊式DLSRM的電磁推力峰值比整體式DLSRM小4.768N，但脈動小16.67%，且平均電磁推力大31.563 2N。

綜上所述，分塊式DLSRM性能明顯優(yōu)于整體式DLSRM，可以做進一步的深入研究。