次級斜槽雙永磁體勵磁直線永磁磁通切換電機(jī)

郝雯娟，王 宇

(1.南京航空航天大學(xué) 金城學(xué)院，南京 211156；2.南京航空航天大學(xué) 自動化學(xué)院，南京 211106)

0 引 言

目前很多國家，如美國、日本、加拿大、中國等國，都有直線電機(jī)驅(qū)動的軌道交通路線。這是由于相對于旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動，直線電機(jī)可以將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運動的機(jī)械能，動態(tài)響應(yīng)較快，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單且工程造價低[1-3]。

近幾年，永磁磁通切換(FSPM)電機(jī)的研究備受各國研究人員的關(guān)注。作為定子永磁式電機(jī)，與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子永磁式電機(jī)相比，永磁磁通切換電機(jī)有以下特點[4-6]：

(1)轉(zhuǎn)子上沒有永磁體或繞組，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單堅固。

(2)繞組和永磁體在定子上，散熱條件良好。

(3)永磁體幾乎不受電樞磁場影響，退磁風(fēng)險小。

將旋轉(zhuǎn)FSPM電機(jī)沿著徑向展開，就得到了平板型直線FSPM(LFSPM)電機(jī)，直線電機(jī)的短初級是原來旋轉(zhuǎn)FSPM電機(jī)的定子部分，而其長次級是FSPM電機(jī)的轉(zhuǎn)子部分。LFSPM電機(jī)繼承了其旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，同時，由于其永磁體和繞組在初級，次級是凸極鐵心，這樣在諸如電梯、軌道交通等長次級場合，該電機(jī)可以做到節(jié)省繞組和永磁體用量，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、推力密度高、施工和維護(hù)成本低[2-3]。

在諸如電力牽引等應(yīng)用場合，推力密度是衡量LFSPM電機(jī)性能的主要指標(biāo)。永磁體和硅鋼片的配合可以有效地提高電機(jī)推力輸出能力[7]。文獻(xiàn)[8-9]研究了一種雙永磁體勵磁的旋轉(zhuǎn)磁通切換電機(jī)電機(jī)，這種電機(jī)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比具有更好的轉(zhuǎn)矩能力。 因此，為了提高永磁體和硅鋼片的利用率，本文對一臺雙永磁體勵磁的LFSPM(DMLFSPM)電機(jī)進(jìn)行研究，使其可以輸出較高的推力。

直線永磁磁通切換(LFSPM)電機(jī)與旋轉(zhuǎn)的永磁磁通切換電機(jī)一樣都屬于雙凸極結(jié)構(gòu)，具有定位力大的缺點，定位力是推力脈動的主要成因，會很大程度上影響電機(jī)控制性能，所以在設(shè)計電機(jī)時應(yīng)抑制[10]。目前有一些文獻(xiàn)在減小直線電機(jī)定位力方面都做了研究。文獻(xiàn)[11]通過建立單個模塊的定位力模型來分析電機(jī)整體的定位力，在此基礎(chǔ)上提出了一種減小定位力的優(yōu)化設(shè)計方法。文獻(xiàn)[12]利用LFSPM電機(jī)定位力周期變化的特點，提出了一種定位力抵消的方法，該方法有效減小了定位力，但在設(shè)計永磁體放置位置時，設(shè)計過程比較復(fù)雜。旋轉(zhuǎn)電機(jī)中常用斜槽結(jié)構(gòu)來減小定位轉(zhuǎn)矩，取得良好的效果。因此，本文采用一種簡化的斜槽結(jié)構(gòu)，即次級分段斜槽結(jié)構(gòu)來減小DMLFSPM電機(jī)的定位力。

全文安排如下：第二部分分析了雙永磁體勵磁直線永磁磁通切換電機(jī)基本拓?fù)?；第三部分進(jìn)行了推力優(yōu)化和比較；第四部分分析了定次級分段斜槽結(jié)構(gòu)的直線永磁磁通切換電機(jī)。第五部分給出了結(jié)論。

1 雙永磁體勵磁的直線永磁磁通切換電機(jī)的結(jié)構(gòu)

一臺傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的12/14極直線永磁磁通切換電機(jī)(12/14LFSPM)如圖1(a)所示。為了增加槽面積以及提高永磁體和硅鋼片的利用率，通過利用雙永磁體的聚磁效應(yīng)本文研究了一臺雙永磁體勵磁的直線永磁磁通切換電機(jī)(DMLFSPM)。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，該電機(jī)由6級模塊組成，每個初級模塊采用充磁方向相反的雙永磁體勵磁，如圖1(b)所示。DMLFSPM電機(jī)的空載磁力線分布圖以及空載反電勢如圖2和圖3所示，這里，θe是初級位置對應(yīng)的電角度，可以看出， DMLFSPM電機(jī)的“磁通切換”工作模式與傳統(tǒng)LFSPM電機(jī)相似，電機(jī)運動過一個次級極距的范圍，永磁磁鏈交替變化一周。同時，從圖2可以發(fā)現(xiàn)，DMLFSPM電機(jī)正是利用兩個反向充磁的永磁體通過次級凸極齒實現(xiàn)聚磁。

圖1 直線永磁磁通切換電機(jī)結(jié)構(gòu)

圖2 DMLFSPM電機(jī)空載磁力線分布

圖3 DMLFSPM電機(jī)空載反電勢

2 雙永磁體勵磁的直線永磁磁通切換電機(jī)的推力

為了得到最大平均推力，在銅耗不變的情況下利用有限元軟件對傳統(tǒng)的12/14 LFSPM電機(jī)和DMLFSPM電機(jī)進(jìn)行輸出推力優(yōu)化，保持不變的銅耗為輸入電流幅度為10 A和相繞組匝數(shù)為200匝時初始尺寸的銅耗，采用的算法是Id=0矢量控制。采用參數(shù)獨立優(yōu)化方式，即按順序獨立優(yōu)化每個參數(shù)，本次優(yōu)化好的參數(shù)直接用于下一個參數(shù)的優(yōu)化中[13]。圖4給出了兩臺電機(jī)的設(shè)計參數(shù)，表1給出了優(yōu)化過程中固定的參數(shù)，表2給出了優(yōu)化的參數(shù)名稱，優(yōu)化順序以及優(yōu)化結(jié)果。從表2中可以看出，wmtd-ratio和wswp-ratio是DMLFSPM電機(jī)獨有的參數(shù)，而且wmtd的設(shè)計值在次級極距附近，這是因為DMLFSPM電機(jī)利用兩個反向充磁的永磁體通過次級凸極齒實現(xiàn)聚磁。

圖4 直線永磁磁通切換電機(jī)設(shè)計參數(shù)

參數(shù)和符號12/14 LFSPMDMLFSPM氣隙g/mm11電機(jī)總高h(yuǎn)t/mm3838電機(jī)厚度D/mm8080次級極距ts/mm17.1415永磁體剩磁Br/T1.281.28額定速度v/(m/s)44初級極距tm/mm2020相數(shù)33槽滿率kp0.50.5電阻率ρ/Ω·mm1.7×14-51.7×14-5導(dǎo)線直徑d/mm1.21.2永磁體材料NdFeB(N40)NdFeB(N40)

表2 優(yōu)化的參數(shù)

圖5(a)給出了優(yōu)化后兩臺電機(jī)的平均推力比較，可以發(fā)現(xiàn)，DMLFSPM電機(jī)的推力比12/14 LFSPM電機(jī)高約22%。兩臺電機(jī)的永磁體積分別為92400 mm3和 78048 mm3，結(jié)合圖5，兩臺電機(jī)的推力永磁體體積比分別為3.7×10-3N/mm3和 5.4×10-3N/mm3，說明DMLFSPM電機(jī)的永磁體和鐵心利用率更高。由表1可知，兩臺電機(jī)體積基本相同，那么DMLFSPM電機(jī)的推力體積比更高，即DMLFSPM電機(jī)具有更高的推力密度。此外，圖5(b)給出優(yōu)化后兩臺電機(jī)的定位力波形，可以發(fā)現(xiàn)，雖然DMLFSPM電機(jī)可以輸出較高推力，但定位力較大，所以對該電機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)。

圖5 直線永磁磁通切換電機(jī)優(yōu)化結(jié)果

3 采用次級分段斜槽結(jié)構(gòu)的定位力抑制

對DMLFSPM電機(jī)的定位力進(jìn)行抑制來減小推力脈動。一般來說，選擇減小定位力的方法應(yīng)該考慮到結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、實施成本以及對電機(jī)性能的影響等問題。旋轉(zhuǎn)電機(jī)中常用斜槽結(jié)構(gòu)來減小電機(jī)定位力矩，效果良好，該結(jié)構(gòu)主要是利用電機(jī)定位力矩周期變化的特點來抵消定位力幅值。因此，本文也采用斜槽結(jié)構(gòu)來減小DMLFSPM電機(jī)的定位力，為了降低結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及抑制的效果，采用一種簡化的斜槽結(jié)構(gòu)，即三段式次級分段斜槽結(jié)構(gòu)，如圖6所示，其中Ds為斜槽位移。采用次級分段斜槽結(jié)構(gòu)的DMLFSPM電機(jī)命名為DMLFSPM1電機(jī)。

圖6 次級分段斜槽結(jié)構(gòu)

根據(jù)有限元仿真分析，圖7(a)給出了DMLFSPM1電機(jī)在額定電流下平均推力隨不同Ds值的變化趨勢，圖7(b)給出了定位力峰峰值與額定電流下平均推力的比值隨不同Ds值的變化趨勢。

圖7 DMLFSPM1電機(jī)隨Ds變化情況

可以從圖7發(fā)現(xiàn)，平均推力都有不同程度的減小，這是斜槽結(jié)構(gòu)都有的缺點。當(dāng)Ds值為3s/32時，DMLFSPM1電機(jī)的定位力峰峰值與額定平均推力的比值最小，約為20%，但平均推力的減少幅度也最大，當(dāng)Ds值為s/16時，DMLFSPM1電機(jī)的定位力峰峰值與額定平均推力的比值第二小，約為30%，平均推力相對于原始結(jié)構(gòu)減小了約為12%，所以最終選Ds值為s/16。

圖8給出了采用分段斜槽結(jié)構(gòu)前后電機(jī)定位力波形的比較?？梢钥闯觯渭壊捎梅侄涡辈劢Y(jié)構(gòu)后，定位力顯著減小。

圖8 采用分段斜槽結(jié)構(gòu)前后電機(jī)定位力比較

4 結(jié) 論

相對于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的直線永磁磁通切換電機(jī)，雙永磁體勵磁直線永磁磁通切換電機(jī)利用雙永磁體的聚磁效應(yīng)，具有更高的永磁體和鐵心利用率，從而可以輸出較高的平均推力。但由于直線磁通切換電機(jī)的雙凸極結(jié)構(gòu)，定位力較大的問題會影響其運行。本文采用一種簡化的斜槽結(jié)構(gòu)，即次級分段斜槽結(jié)構(gòu)來減小其定位力，通過分析分段斜槽不同斜槽位移與電機(jī)平均推力和定位力峰峰值的關(guān)系，最終選擇合適的斜槽位移。但是，該分段斜槽結(jié)構(gòu)也具有普通斜槽結(jié)構(gòu)的缺點，即在抑制定位力的同時會減小電機(jī)推力平均值。