一種雙定子永磁直線電動機的優(yōu)化設(shè)計

嚴(yán)淑君 孫桂華 沙國榮

摘要：為了提高人造心臟泵的工作可靠性，提出了一種用于人工心臟泵的雙定子永磁直線電動機優(yōu)化方法。采用有限元分析法對雙定子永磁直線電動機電磁特性進行了分析，對電動機結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化，使其具備更優(yōu)的電磁性能，對于今后提高永磁直線電動機電磁特性具有重要意義。

關(guān)鍵詞：雙定子;永磁直線電動機;有限元分析;電磁特性

0 引言

近年來，心力衰竭患者的主要治療方法是使用人工心臟，人工心臟依靠人工心臟泵[1]實現(xiàn)泵血功能。過去人工心臟泵使用較多的是旋轉(zhuǎn)電動機，但是旋轉(zhuǎn)電動機產(chǎn)生的運動形式為旋轉(zhuǎn)運動，需要通過傳動齒輪機構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運動改變?yōu)橹本€運動來完成泵血任務(wù)，這些機械傳動部件易遭受機械磨損，造成血細胞損傷[2]。因此，為了消除旋轉(zhuǎn)電動機帶來的弊端，本文選擇將直線電動機應(yīng)用于人工心臟泵。目前，應(yīng)用于人工心臟泵的直線電動機通常是單繞組結(jié)構(gòu)，例如文獻[3]中用于人工心臟泵的永磁單繞組直線電動機，可以滿足人類胸部有限的空間需求。為了提高人造心臟泵的工作可靠性，本文提出了一種用于人工心臟泵的雙定子永磁直線電動機優(yōu)化方法[4]，采用有限元分析法來分析和驗證雙定子永磁直線電動機的電磁特性，對電動機結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。

1 電動機結(jié)構(gòu)特點

圖1為雙定子永磁直線電動機結(jié)構(gòu)三維圖，它由內(nèi)到外由一個內(nèi)定子環(huán)、一個動子環(huán)和一個外定子環(huán)組成，其中A相繞組置于內(nèi)定子中，由兩套線圈反向串聯(lián)而成，B相繞組置于外定子中。動子環(huán)由安裝在支撐管上的Halbach陣列磁環(huán)組成，該磁環(huán)由5個環(huán)形磁體組成，其中3個為徑向勵磁，2個軸向勵磁。

雙定子永磁直線電動機的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

2 電磁特性分析和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

本文使用有限元分析方法對雙定子永磁直線電動機的電磁特性進行了分析，其反電動勢波形圖如圖2所示。

定子齒的開槽結(jié)構(gòu)形狀、磁體的長度和齒的寬度等對反電動勢波形有重要影響，因此需要優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)來獲得相對平坦的反電動勢波形。

徑向勵磁的環(huán)形磁鐵的軸向長度與軸向勵磁的環(huán)形磁鐵的軸向長度比值用參數(shù)k表示，反電動勢隨參數(shù)k變化的波形圖如圖3所示，參數(shù)k的最優(yōu)值是2，此時反電動勢波形頂端更平坦。

極靴寬度與槽寬的比例為參數(shù)s，反電動勢隨著參數(shù)s變化的波形圖如圖4所示，最優(yōu)的s取值為0.3，此時反電動勢波形頂端更平坦。

直線電動機的定位力是推力波動的主要因素，由兩部分組成：一個是由邊端效應(yīng)引起的邊端力Fend，另一個是由槽效應(yīng)引起的齒槽力Fslot。定位力大小會直接影響電動機的使用性能，其計算分析如下：

式中：Fz為沿運動方向的力，F(xiàn)x為沿垂直于運動方向的力。

內(nèi)外定子結(jié)構(gòu)是對稱的，但是Fx的大小相同，方向相反，所以x方向的兩個力相互疊加抵消。

式中：w為定子的圓周長度;Bz為沿運動方向的磁感應(yīng)強度;Bx為垂直于運動方向的磁感應(yīng)強度。

從公式（2）可以看出，F(xiàn)z與B和l有關(guān)。邊端力是定位力的主要因素，改變邊端齒的形狀可以減小定位力的波動幅度。邊端齒改變之后的電動機結(jié)構(gòu)如圖5所示。邊端齒改變后的定位力和原始定位力對比如圖6所示，邊端齒改變形狀之后的定位力減小到原始定位力的50%。

3 結(jié)語

本文提出了一種雙定子永磁直線電動機的優(yōu)化設(shè)計方法，優(yōu)化后的電動機工作可靠性更高，還具有容錯性能。雙定子分別位于動子環(huán)的內(nèi)外兩側(cè)，能實現(xiàn)熱隔離、物理隔離和電磁隔離。如果一相繞組發(fā)生故障，另一相繞組可以帶故障運行。本文使用有限元分析方法計算仿真了其電磁特性，并通過理論分析和電磁仿真優(yōu)化了電動機結(jié)構(gòu)參數(shù)，使電動機具備更優(yōu)的電磁性能，非常適用于要求低速、高推力的人工心臟電動血泵領(lǐng)域。

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[3] 錢坤喜，王顥，茹偉民，等.軸向驅(qū)動永磁磁浮離心血泵的試制型裝置[J].江蘇大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2005，26（6）：510-513.

[4] 葉云岳.直線電動機原理與應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000.

收稿日期：2020-08-04

作者簡介：嚴(yán)淑君（1986—），女，江蘇南通人，碩士，研究方向：電力電子與電力傳動。