一種磁懸浮直線開關磁阻電機懸浮模塊設計與分析

郝雯娟，王 宇

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

0 引 言

隨著電機相關新技術的發(fā)展，交通運輸、國防、工業(yè)設備、礦井提升等領域對驅動電機及驅動系統(tǒng)的動態(tài)響應性能、體積、成本、可靠性等方面的要求越來越高。采用旋轉電機和機械轉換裝置將旋轉運動轉換為直線運動或其他的驅動方式越來越不能滿足相應的要求。因此，直線電機在上述領域得到了日益廣泛的應用[1-3]。

在軌道交通和工業(yè)運輸等場合，與旋轉電機驅動相比，直線電機驅動主要優(yōu)勢如下[4-5]：

(1)直線電機不需要中間轉換環(huán)節(jié)就可以直接將電能變成直線運動的機械能，具有結構簡單且動態(tài)響應快，施工成本低的優(yōu)點。

(2)直線電機牽引具有良好的爬坡能力，且無需減速齒輪等裝置，轉向架設計的自由度大，車輛易于通過小半徑曲線線路，可縮短線路建設長度。

20 世紀70年代以后，隨著工業(yè)化國家經濟實力不斷增強以及對交通運輸中舒適性或快速性需求的日益增長，德國、日本、美國、中國等國家相繼開展了磁懸浮運輸系統(tǒng)的研發(fā)。在運輸系統(tǒng)用直線電機的選擇上，各類電機都有各自的優(yōu)勢[6-7]。

近幾年，直線開關磁阻電機的研究備受各國研究人員的關注。該類電機具有以下特點[8]：

(1)只在動子放置集中繞組，短動子場合應用時成本低。

(2)定子為結構簡單可靠的凸極鐵心，對建造條件要求低。

(3)制作維護成本低，容錯性能好。

磁懸浮直線開關磁阻電機屬于直線開關磁阻電機的衍生結構，具有上述直線開關磁阻電機的優(yōu)點，結合有效的懸浮方案，在磁懸浮運輸系統(tǒng)中具有一定的應用潛力[9-10]。

在磁懸浮直線電機系統(tǒng)中，高性能的推力和懸浮力解耦控制是實現磁懸浮系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的關鍵。然而，解耦控制算法往往比較復雜，傳統(tǒng)的懸浮力控制往往需要電樞電流和動子前進位置的信息[9]。因此，為了簡化懸浮力控制，降低懸浮力控制與動子位置信息的耦合，提高懸浮力控制與推力控制的獨立性，本文從電機結構上進行改進，提出一種直線電機懸浮模塊用于磁懸浮直線開關磁阻電機的懸浮控制系統(tǒng)，通過該懸浮模塊的特殊設計，可以實現懸浮模塊和電樞模塊獨立，并且懸浮力控制與動子前進位置解耦，使得懸浮力控制更簡單。

全文安排如下：第二部分對所提出磁懸浮模塊進行了設計和分析；第三部分利用有限元軟件驗證了模塊的有效性；第四部分提出了一種改進結構并進行驗證。第五部分給出了結論。

1 懸浮模塊設計

本文提出的懸浮模塊及采用該模塊的磁懸浮直線開關磁阻電機結構如圖1(a)所示，懸浮繞組通入懸浮電流后的磁力線分布如圖1(b)所示，圖1(c)給出了其尺寸標識。

圖1(a)中，L1～L3為懸浮繞組，A1～C2為電樞繞組。從圖1(a)和圖1(b)可以看出，所提出懸浮模塊采用E型鐵心結構，該結構磁路相對獨立，在用于磁懸浮直線開關磁阻電機時，配合電樞模塊和懸浮模塊之間的隔磁磁障，可以有效的減小電樞部分和懸浮部分的磁路耦合。

圖1(c)中，wst為定子齒寬，為了使懸浮繞組磁路的合成磁導(電感)隨動子前進位置基本不發(fā)生變化或者變化較小，從而使得懸浮繞組通直流電時所產生的懸浮力隨動子前進位置基本不發(fā)生變化，即實現懸浮力控制與動子前進位置解耦，該懸浮模塊尺寸在設計時需要其端部窄齒和中間寬齒以及齒間距的尺寸匹配，具體設計特點如下：

圖1 懸浮模塊結構

(1)懸浮模塊軛的厚度、槽的寬度、兩邊端部窄齒的寬度與定子齒寬wst相同。

(2)懸浮模塊中間寬齒的寬度是定子齒寬wst的4倍。

(3)定子極距是定子齒寬wst的4倍。

圖1(c)同時也給出了懸浮模塊3個氣隙磁導P1、P2和P3的標識，懸浮模塊等效磁路模型如圖2所示，其中，Fe為懸浮繞組產生的磁動勢。

圖2 懸浮模塊磁路模型

根據前面所述懸浮模塊的特殊設計以及圖2的磁路模型可得3個氣隙磁導P1、P2和P3的表達式，如下：

(1)

(2)

(3)

式中，μ0為空氣磁導率，D為電機厚度，g為氣隙寬度，wm為懸浮模塊中間齒中心軸線與其最近的定子齒中心軸線之間在水平方向方向的距離，如圖1(c)所示。則總的氣隙磁導為

(4)

從式(4)可以看出，電機參數一定時，總氣隙磁導可以看成是常數，即懸浮模塊氣隙磁導與動子前進位置無關，即懸浮繞組電感的變化獨立于動子前進方向的位置，二者解耦。那么，懸浮繞組通直流電時所產生的懸浮力隨動子前進位置基本不發(fā)生變化，這樣，懸浮力控制只需調節(jié)懸浮電流(直流)的幅值即可，加上懸浮模塊與電樞模塊磁路耦合程度低，那么懸浮力控制系統(tǒng)及算法被大大簡化了。

2 仿真分析

為了驗證所提出懸浮模塊的有效性，本節(jié)采用Ansoft有限元軟件對懸浮模塊進行仿真分析。采用懸浮模塊的磁懸浮直線開關磁阻電機結構如圖1(a)所示，主要參數見表1。

表1 磁懸浮直線開關磁阻電機主要參數

其中，電樞部分可以看成是一臺三相12/14動定子極數配合的直線開關磁阻電機，其對應的旋轉結構在文獻[11-12]中有深入研究，這里不再贅述。

圖3給出了懸浮模塊的仿真結果，其中動子位置用電角度θ表示。這里，定義各波形峰峰值與平均值的比值為脈動比例。

圖3 懸浮模塊結構仿真結果

圖3(a)為懸浮繞組D3的自感波形，可以發(fā)現波形脈動較小，其脈動比例為5.5%，驗證了前面的理論分析，即懸浮繞組電感隨動子前進位置基本不發(fā)生變化或者變化較小。

圖3(b)為懸浮繞組D3與其相鄰電樞繞組B之間的互感波形，可以發(fā)現，兩個繞組之間的互感非常小，平均值約為8μH，相對于懸浮繞組自感平均值4mH，互感大小可以忽略不計，說明懸浮模塊和電樞模塊磁路耦合程度低，從結構上實現了懸浮力控制和推力控制解耦。

圖3(c)為額定懸浮電流下懸浮力FL波形，可以發(fā)現，懸浮力脈動很小，其脈動比例為5.1%，即懸浮力幅值隨動子前進位置變化很小，也就是懸浮力的控制與動子前進位置解耦，圖3(d)中懸浮電流突變時懸浮力波形可以驗證懸浮力的控制只需調節(jié)懸浮電流的幅值即可實現，懸浮電流的控制屬于標量控制。

圖3(e)為不同懸浮電流IL下懸浮力平均值，表2給出了圖中各懸浮力脈動比例?？梢园l(fā)現，額定懸浮電流以下，可以通過調節(jié)懸浮電流大小線性的調節(jié)懸浮力，脈動比例都比較小。

表2 不同懸浮電流下懸浮力脈動比較

為了研究懸浮力對推力的影響，圖3(f)給出了電樞繞組A相和懸浮繞組同時加額定電流時的電機推力FtA1，和電樞繞組A相加額定電流而懸浮繞組不加懸浮電流時電機推力FtA2的波形?？梢园l(fā)現，加懸浮電流前后電機推力的相位幾乎沒有變化，只有峰值有很小程度的增加，影響較小，可以認為懸浮力控制和推力控制基本解耦。

綜上所述，所提出懸浮模塊可以有效實現：(1)懸浮力控制和推力控制基本解耦；(2)懸浮力控制與動子前進位置解耦。因此可以很大程度上降低懸浮控制系統(tǒng)的復雜性。

3 結構改進

磁懸浮直線電機在磁懸浮運輸系統(tǒng)中應用時，需要產生較大的懸浮力，如文獻[13]中的小型磁懸浮運輸系統(tǒng)，需要懸浮部分產生較大的吸力來平衡車身重量實現懸浮。因此，本文對圖1中的懸浮模塊進行改進，提出了一種改進的懸浮模塊，結構和尺寸標識如圖4(a)所示，其中，永磁體寬度為3mm，改進懸浮模塊的磁力線分布圖如圖4(b)所示。

從圖4(a)和圖4(b)可以看出，改進懸浮模塊在軛部加入兩塊充磁方向相反的永磁體來聚磁，從而提高懸浮電流利用率，增加懸浮模塊的磁拉力，由于所加入的永磁體體積較小，且在動子，所以成本增加有限。

圖4 改進懸浮模塊結構及磁力線分布

圖5給出了改進懸浮模塊的仿真結果。

從圖5(a)～圖5(e)可以發(fā)現，改進懸浮模塊同樣也具有較強的解耦特性，即懸浮繞組自感脈動比例較小，與電樞繞組見的互感非常小可以忽略，懸浮力脈動也較小。表3給出了圖中各懸浮力脈動比例，不同電流下脈動比例都比較小。圖5(f)給出了電樞繞組A相和懸浮繞組同時加額定電流時的電機推力FtA1，和電樞繞組A相加額定電流而懸浮繞組不加懸浮電流時電機推力FtA2的波形?？梢园l(fā)現，該結構中懸浮電流對推力影響較小，懸浮力控制和推力控制解耦程度高。

表3 改進懸浮模塊在不同懸浮電流下懸浮力脈動比較

比較圖3(d)和圖5(d)可以發(fā)現，相同額定電流下，改進模塊的懸浮力大大提高了，提高了約40%，說明該結構可以有效提高懸浮電流利用率，減小懸浮系統(tǒng)損耗。

結合圖4(b)和圖5(e)可以發(fā)現，懸浮繞組磁場和永磁磁場共同作用于氣隙，不加懸浮電流時，懸浮模塊由于永磁磁場的作用，已經具有磁拉力，當懸浮電流為正時，該磁拉力增加，懸浮電力為負時，該磁拉力減小。

圖5 改進懸浮模塊結構仿真結果

4 結 論

磁懸浮直線開關磁阻電機繼承了直線開關磁阻電機的優(yōu)點，結合有效的懸浮系統(tǒng)設計，在磁懸浮運輸系統(tǒng)中具有一定的應用潛力。由于傳統(tǒng)的懸浮系統(tǒng)懸浮力控制，需要在不同動子位置下建立懸浮繞組自感(懸浮力)與轉子位置信息對應的解析函數，才能實現懸浮系統(tǒng)的穩(wěn)定控制，實現起來比較復雜。本文提出的懸浮模塊和改進懸浮模塊，通過E型鐵心結構和磁障隔離，實現了懸浮力控制和推力控制解耦；通過特殊的尺寸配合設計，實現了懸浮力控制與動子前進位置解耦，使得懸浮電流控制變成標量控制。因此，采用這兩種懸浮模塊的磁懸浮直線電機系統(tǒng)可以很大程度上降低懸浮控制系統(tǒng)的復雜性，使得懸浮力控制更簡單。此外，所提出的改進懸浮模塊可以有效提高懸浮電流利用率，減小懸浮繞組損耗。