U型永磁開關(guān)磁鏈直線電機(jī)特性分析及優(yōu)化

汪旭東，肖馳，封海潮

(河南理工大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，河南 焦作 454003)

0 引 言

隨著現(xiàn)代科技與工業(yè)的發(fā)展，垂直提升系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于礦井開采、立體停車場、實(shí)用電梯和其他工業(yè)領(lǐng)域[1-2]。目前，垂直提升系統(tǒng)主要采用兩種驅(qū)動(dòng)方式：旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)。傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的曳引系統(tǒng)存在難以克服的問題：提升高度受鋼絲繩、提升容量和安全系數(shù)等因數(shù)限制；單井道單轎廂運(yùn)行使得井道利用率低下且候梯時(shí)間長；鋼絲繩易于磨損導(dǎo)致運(yùn)行費(fèi)用高等[3-4]。與傳統(tǒng)曳引系統(tǒng)相比，直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的無繩提升系統(tǒng)具有多種優(yōu)勢：結(jié)構(gòu)簡單，安全可靠，不需鋼絲繩、中間傳動(dòng)裝置以及頂層提升機(jī)房；提升高度和提升速度不受限制；能夠?qū)崿F(xiàn)單井道多轎廂獨(dú)立運(yùn)行，以及立體循環(huán)運(yùn)行，大大提升了空間利用率和工作效率；安全程度高，基建維護(hù)成本低，高效節(jié)能，是傳統(tǒng)曳引系統(tǒng)及其他提升系統(tǒng)的理想替代品。

因此，直線電機(jī)具有取代傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)長行程無繩提升系統(tǒng)的趨勢[5-6]。目前無繩提升領(lǐng)域的主要電機(jī)驅(qū)動(dòng)源分為兩類，直線感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)與永磁直線同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，兩者各有優(yōu)缺。直線感應(yīng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)源成本低、結(jié)構(gòu)簡單、魯棒性強(qiáng)，但效率、功率因數(shù)較低；永磁直線同步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)源推力密度大、效率高，但無論是動(dòng)初級還是動(dòng)次級結(jié)構(gòu)都會存在長行程無繩提升系統(tǒng)造價(jià)高昂的問題[7-9]。相較于兩者，永磁開關(guān)磁鏈直線電機(jī)既具有直線感應(yīng)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、魯棒強(qiáng)的特點(diǎn)又結(jié)合直線永磁同步電機(jī)功率因數(shù)高、效率高的優(yōu)勢，使該類電機(jī)應(yīng)用于長行程無繩提升領(lǐng)域成為了可能[9-11]。因此，研究永磁開關(guān)磁鏈直線電機(jī)在無繩提升領(lǐng)域上的應(yīng)用具有重要的意義。

由于永磁開關(guān)磁鏈直線電機(jī)(permanent magnet flux-switching linear motor,PMFSLM)將僅由硅鋼片組成的次級作為長定子，而把昂貴的永磁體與繞組安裝在短動(dòng)子上，因此電機(jī)總體成本較低[12-13]。國內(nèi)外諸多學(xué)者對該類電機(jī)進(jìn)行全面而深入的研究[14]。文獻(xiàn)[15]針對電磁彈射領(lǐng)域提出雙邊無軛次級PMFSLM，減少次級軛部，同時(shí)根據(jù)該電機(jī)的架構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)3種不同結(jié)構(gòu)的直線感應(yīng)電機(jī)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，并與之進(jìn)行電磁特性對比，得出雙邊無軛次級PMFSLM具有效率高、功率因數(shù)高等優(yōu)勢。文獻(xiàn)[16]提出雙邊無軛初級PMFSLM，減少初級軛部并增加多齒結(jié)構(gòu)，有效地減少齒槽力。文獻(xiàn)[17]提出一種九相模塊化混合勵(lì)磁PMFSLM，深入分析最優(yōu)極槽配合九相模塊化混合勵(lì)磁PMFSLM的電磁性能，通過三維有限元驗(yàn)證，可以得出所提出電機(jī)具有推力密度高、容錯(cuò)性能好、磁場可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)[18]提出了一種新型解耦模塊化PMFSLM，將初級鐵心開槽處理嵌入永磁體，提高了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，與常規(guī)的正弦電流驅(qū)動(dòng)PMFSLM相比該電機(jī)采用方波電流流驅(qū)動(dòng)，減少磁耦合，且有效地抑制齒槽力和推力波動(dòng)。目前少有文獻(xiàn)將PMFSLM應(yīng)用于長行程的無繩提升領(lǐng)域。

就此，本文提出一種U型永磁開關(guān)磁鏈直線電機(jī)(U-type permanent magnet flux-switching linear motor,UPM-FSLM)應(yīng)用于無繩提升系統(tǒng)。無繩提升系統(tǒng)一般由多個(gè)單元電機(jī)組成，有利于提高運(yùn)行容錯(cuò)能力。因此，本文通過對單元電機(jī)的U型永磁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效減少漏磁現(xiàn)象，U型永磁內(nèi)外側(cè)鐵心由硅鋼片組成，提高了該電機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，為之后無繩提升系統(tǒng)提供前期研究基礎(chǔ)。首先介紹了UPM-FSLM的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與工作機(jī)理，利用有限元分析了電機(jī)的靜態(tài)磁場分布、反電動(dòng)勢、電磁推力、推力波動(dòng)、效率及功率因數(shù)等電磁特性，并將其與傳統(tǒng)的PMFSLM進(jìn)行了對比，接著對其在無繩提升系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行分析，然后為了進(jìn)一步提高推力密度、降低推力波動(dòng)，對所提出電機(jī)的初級槽型與次級齒形進(jìn)行優(yōu)化，最后進(jìn)行總結(jié)。

傳統(tǒng)的PMFSLM的單元電機(jī)截面如圖1(a)所示，初級繞組均為集中繞組。每一片PM夾在兩個(gè)鐵心模塊之間，且相鄰PM的充磁方向相反，這種舉措容易造成頂端漏磁現(xiàn)象導(dǎo)致永磁體利用率減少。而UPM-FSLM將永磁體排列呈U型結(jié)構(gòu)能夠有效減少永磁體漏磁現(xiàn)象并提高永磁體利用率。電機(jī)初級中U型結(jié)構(gòu)是由5塊永磁體組成，其充磁方向如圖2(b)所示。

圖1 傳統(tǒng)PMFSLM與UPM-FSLM的截面圖Fig.1 Partial cross section of PMFSLM and UPM-FSLM

傳統(tǒng)PMFSLM初級結(jié)構(gòu)強(qiáng)度欠佳且存在頂端漏磁現(xiàn)象，為解決其固有結(jié)構(gòu)缺陷問題，本文提出了U型永磁結(jié)構(gòu)的PMFSLM并參照傳統(tǒng)PMFSLM的結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)計(jì)了UPM-FSLM。兩種電機(jī)的基本尺寸如圖2所示，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

圖2 傳統(tǒng)PMFSLM與UPM-FSLM的基本尺寸圖Fig.2 Basic size of PMFSLM and UPM-FSLM

表1中，UPM-FSLM與傳統(tǒng)PMFSLM保持相同的永磁體用量和初級槽面積；由于U型永磁結(jié)構(gòu)，初級永磁體的存在使得電機(jī)初級軛部由53 mm調(diào)整為66 mm，電機(jī)初級有效部分的體積增加了24.5%。

表1 傳統(tǒng)PMFSLM與UPM-FSLM的主要設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Main design parameters of PMFSLM and UPM-FSLM

UPM-FSLM的工作過程遵循“磁路路徑最短原則”，即動(dòng)子總是向著磁路路徑最短的位置移動(dòng)，UPM-FSLM的工作過程如圖3所示。當(dāng)動(dòng)子運(yùn)動(dòng)到位置1時(shí)，在A2線圈感應(yīng)的磁通達(dá)到正最大值。當(dāng)動(dòng)子運(yùn)動(dòng)到位置2時(shí)，A2線圈的磁鏈方向固定不變。隨著次級運(yùn)動(dòng)，線圈感應(yīng)的磁通周期性變化會引起正弦反電勢。

圖3 UPM-FSLM的工作過程圖Fig.3 Work process of coil A2 at different mover positions

為了保證比較的公平性，本文制定了以下比較原則：

1)保證UPM-FSLM和傳統(tǒng)PMFSLM的永磁體用量相同；

2)UPM-FSLM的初級極距、齒高、齒寬，繞組匝數(shù)、線徑，氣隙寬度，次級極距、齒高、齒寬、軛高，軸向長度和徑向長度等結(jié)構(gòu)參數(shù)與PMFSLM保持一致；

3)兩種電機(jī)額定電流與動(dòng)子額定速度保持不變。

文中圖4給出了傳統(tǒng)PMFSLM與UPM-FSLM的空載磁密分布和磁力線分布圖。由圖4(a)傳統(tǒng)PMFSLM的磁密云圖可以看出，僅在齒尖位置存在少許局部飽和，對電機(jī)推力影響較小。由于傳統(tǒng)PMFSLM是兩塊磁鋼中間放入永磁體的結(jié)構(gòu)，使初級軛部永磁體與部分軛鐵形成磁力線，不經(jīng)過初級齒端流向次級而在初級上方形成磁場，產(chǎn)生漏磁通。這也是對傳統(tǒng)PMFSLM進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的原因之一。由圖4(b)給出的UPM-FSLM的磁密云圖和磁力線分布情況可以看出，U型永磁結(jié)構(gòu)能夠很好地解決傳統(tǒng)PMFSLM存在的初級頂部漏磁問題，減小漏磁對電機(jī)性能影響并有效提高PM的利用率。UPM-FSLM和傳統(tǒng)PMFSLM的氣隙磁密分布曲線如圖5所示。

圖4 傳統(tǒng)PMFSLM與UPM-FSLM空載磁密分布圖Fig.4 Open-circuit flux distributions of PMFSLM and UPM-FSLM

圖5 傳統(tǒng)PMFSLM與UPM-FSLM氣隙磁密分布曲線Fig.5 Air-gap flux density distributions of the two motors

反電動(dòng)勢對電機(jī)的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性具有重要影響。因此，圖6示出一個(gè)電角度周期下， 兩種電機(jī)在速度1m/s時(shí)的空載反電動(dòng)勢。UPM-FSLM反電動(dòng)勢峰值為118.13V，傳統(tǒng)PMFSLM反電動(dòng)勢峰值為108.48V，UPM-FSLM反電動(dòng)勢幅值比傳統(tǒng)PMFSLM提高了8.9%。

圖6 傳統(tǒng)PMFSLM與UPM-FSLM反電動(dòng)勢對比圖Fig.6 Back-EMF waveforms of PMFSLM and UPM-FSLM

對兩種電機(jī)的空載反電動(dòng)勢進(jìn)行傅里葉分析，得到其基波及各次諧波的幅值如圖7所示，可以看出兩種電機(jī)的反電動(dòng)勢正弦性較好，PMFSLM和UPM-FSLM的諧波含量主要聚集在7次諧波。

圖7 反電動(dòng)勢諧波含量分析圖Fig.7 Back EMF harmonic analysis of PMFSLM and UPM-FSLM

諧波畸變率為

(1)

式中：THD為總諧波畸變率；Uirms為各次諧波反電動(dòng)勢有效值的平方；U1基波反電動(dòng)勢有效值。

由式(1)得出PMFSLM與UPM-FSLM總諧波畸變率分別2.50%和2.44%。

本文采用有限元法，分析在相同頻率、相同速度下UPM-FSLM與傳統(tǒng)PMFSLM的特性曲線。在不同功角下，兩種電機(jī)的平均推力曲線如圖8所示。在功角為90°附近時(shí)，兩者推力均達(dá)到最大值。圖9示兩種電機(jī)最大推力曲線圖。

圖8 不同功角下兩種電機(jī)的平均推力曲線Fig.8 Average thrust of two motors at different power factor angles

圖9 兩種電機(jī)的推力曲線Fig.9 Thrust of two motors

不同功角下，兩種電機(jī)推力波動(dòng)如圖10所示，并給出推力波動(dòng)的表達(dá)式為

圖10 不同功角下兩種電機(jī)的推力波動(dòng)曲線Fig.10 Thrust ripple of two motors at different power factor angles

(2)

式中：Fmax為推力的最大值；Fmin為推力的最小值；Favg為平均推力值。

表2給出傳統(tǒng)PMFSLM和UPM-FSLM在額定電流7.07 A、額定頻率19.1Hz下，兩種電機(jī)的電磁性能對比。在UPM-FSLM與PMFSLM在永磁體用量相同的情況下，UPM-FSLM推力提高了5.83%，推力波動(dòng)降低了16.95%，具有較優(yōu)的電磁性能。

表2 兩種電機(jī)的電磁性能對比Table 2 Electromagnetic characteristics of the two motors

通過對傳統(tǒng)PMFSLM與UPM-FSLM的電磁特性對比分析，UPM-FSLM較傳統(tǒng)PMFSLM具有推力大、推力波動(dòng)小、效率高等優(yōu)勢。但采用U型永磁結(jié)構(gòu)，也會帶來一些問題，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

1)U型永磁結(jié)構(gòu)帶來的加工、裝配問題；

2)U型永磁結(jié)構(gòu)，部分永磁體需置于電機(jī)初級軛部，增加電機(jī)初級軛部高度，導(dǎo)致UPM-FSLM初級有效部分體積較傳統(tǒng)PMFSLM有所增加。

如圖2(b)所示，UPM-FSLM的U型永磁由5塊充磁方向不同的永磁體構(gòu)成，與傳統(tǒng)PMFSLM相比，永磁體的加工、裝配難度增加。本文先對構(gòu)成U型永磁的五塊永磁體分別充磁，接著將永磁體依次通過高強(qiáng)度耐高溫環(huán)氧膠粘貼固定在初級鐵心槽內(nèi)，U型鐵心安裝在U型永磁開口處，然后繞制線圈。為防止磁場互斥導(dǎo)致永磁體彈出，在永磁體內(nèi)外側(cè)鐵心設(shè)有螺孔，并在電機(jī)初級軛部前后裝配非磁性擋板，用以固定U型永磁，UPM-FSLM的裝配示意圖如圖11所示。

圖11 UPM-FSLM裝配示意圖Fig.11 Assembly diagram of UPM-FSLM

圖12示出實(shí)際應(yīng)用時(shí)傳統(tǒng)PMFSLM示意圖，傳統(tǒng)PMFSLM在實(shí)際應(yīng)用時(shí)需要加裝燕尾槽并嵌入高強(qiáng)度非磁性連接板，在提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)，增加了電機(jī)初級高度。需要明確一點(diǎn)的是，UPM-FSLM的初級軛部頂面是一個(gè)整體，且由于U型永磁結(jié)構(gòu)，初級軛部較厚，適于采用初級軛部前后裝配非磁性擋板強(qiáng)化初級結(jié)構(gòu)防止永磁體彈出；而傳統(tǒng)PMFSLM各部分較為分散，且軛部高度較薄，更適于采用燕尾槽提高電機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。圖13給出實(shí)際應(yīng)用時(shí)傳統(tǒng)PMFSLM與UPM-FSLM的截面對比示意圖，可知實(shí)際應(yīng)用時(shí)兩者體積相近。

圖12 實(shí)際應(yīng)用時(shí)傳統(tǒng)PMFSLM的截面圖Fig.12 Partial cross section of PMFSLM in practical application

圖13 實(shí)際應(yīng)用時(shí)兩種電機(jī)的截面對比圖Fig.13 Cross-sectional comparison of two motors in actual application

因此，與轎廂連接的傳統(tǒng)PMFSLM與UPMFSLM初級質(zhì)量均按UPM-FSLM的初級質(zhì)量考慮。UPM-FSLM驅(qū)動(dòng)的無繩提升系統(tǒng)示意圖如圖14所示，可知轎廂與電機(jī)初級相連接，UPM-FSLM消除了頂端漏磁現(xiàn)象，電機(jī)兼容性較好。而傳統(tǒng)PMFSLM的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使電機(jī)初級頂端存在漏磁現(xiàn)象，易導(dǎo)致電磁兼容性較差，影響無繩提升系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境。并且實(shí)際應(yīng)用中增加燕尾槽使電機(jī)初級高度增加，永磁體用量增加，導(dǎo)致永磁體利用率降低，經(jīng)濟(jì)成本增加。而且從圖14中可以看出，以永磁開關(guān)磁鏈直線電機(jī)為驅(qū)動(dòng)源的無繩提升系統(tǒng)，長定子側(cè)僅由低廉的硅鋼片構(gòu)成，永磁體和繞組置于短動(dòng)子側(cè)，節(jié)約了經(jīng)濟(jì)成本，更加高效節(jié)能。

圖14 UPM-FSLM驅(qū)動(dòng)的無繩提升系統(tǒng)示意Fig.14 Simple schematic of UPM-FSLM applied to ropeless elevator system

為了對比UPM-FSLM與傳統(tǒng)PMFSLM實(shí)際應(yīng)用的合理性，針對額定速度為1m/s的載客電梯進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)如表3所示。其中轎廂質(zhì)量包括轎廂自重、緊急制動(dòng)裝置等部件質(zhì)量，分析時(shí)考慮摩擦、空氣阻力等因數(shù)影響。

表3 不同額定負(fù)載等級下無繩提升系統(tǒng)的參數(shù)Table 3 Parameters of ropless elevator system with different rated load levels

無繩提升系統(tǒng)推力的表達(dá)式為

Fthrust=(MC+ML+MP·Nunit)g·σfrition。

(3)

式中：MC，ML，MP，Nunit，g，σfrition分別是轎廂自重、額定負(fù)載、電機(jī)初級質(zhì)量、電機(jī)單元數(shù)、重力系數(shù)、摩擦系數(shù)(一般取1.2)。

由表3可知，隨著額定負(fù)載等級的提高，所需UPM-FSLM單元電機(jī)數(shù)量少于傳統(tǒng)PMFSLM單元電機(jī)，減少了無繩提升系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)成本。

為進(jìn)一步優(yōu)化UPM-FSLM的電磁性能，對電機(jī)的槽型與次級齒形進(jìn)行優(yōu)化，從而提高推力密度、降低推力波動(dòng)。本文在確定繞組線徑和匝數(shù)不變的情況下，即槽面積不變時(shí)，研究改變槽口寬度對UPM-FSLM電磁性能的影響。并采用梯形齒結(jié)構(gòu)改善次級鐵心飽和問題。UPM-FSLM的齒槽結(jié)構(gòu)示意圖如圖15所示。

圖15 UPM-FSLM的齒槽結(jié)構(gòu)示意圖Fig.15 Cogging structure of UPM-FSLM

圖16給出UPM-FSLM初級槽口寬度為11～21 mm時(shí)，該電機(jī)推力變化曲線，由圖13可知當(dāng)槽口寬為16 mm時(shí)，該電機(jī)的推力達(dá)到最大且推力波動(dòng)較小。初級槽口寬度ωso為11～21 mm時(shí)，UPM-FSLM的電磁特性如表4所示。

表4 不同初級槽口寬度下，UPM-FSLM電磁特性Table 4 Electromagnetic characteristics of UPM-FSLM at different primary slot opening widths

圖16 不同初級槽口寬度下，UPM-FSLM推力變化Fig.16 Thrust of UPM-FSLM at different primary slot opening widths

圖17給出UPM-FSLM次級齒底寬度17～25 mm的平均推力變化曲線。綜合考慮推力波動(dòng)和推力密度，選擇Wtb=19 mm。Wtb為17～25 mm時(shí)UPM-FSLM的電磁特性如表5所示。

圖17 不同次級齒底寬度UPM-FSLM平均推力變化Fig.17 Average thrust of UPM-FSLM at different secondary tooth bottom widths

表5 不同次級齒底寬度下，UPM-FSLM電磁特性Table 5 Average thrust of UPM-FSLM at different secondary tooth bottom widths

圖18給出三種電機(jī)的反電動(dòng)勢對比圖，可以看出優(yōu)化后UPM-FSLM的反電動(dòng)勢幅值比優(yōu)化之前的UPM-FSLM有所提高。PMFSLM、UPM-FSLM與優(yōu)化后UPM-FSLM的總諧波畸變率分別2.50%、2.44%與2.62%，總諧波畸變率漲幅極小，對電機(jī)性能無較大影響，3種電機(jī)的反電動(dòng)勢諧波分析如圖19所示。

圖18 傳統(tǒng)PMFSLM、UPM-FSLM與優(yōu)化后UPM-FSLM反電動(dòng)勢對比圖Fig.18 Back-EMF of traditional PMFSLM, UPM-FSLM and optimized UPM-FSLM

圖19 三種電機(jī)的反電動(dòng)諧波分析圖Fig.19 Back EMF harmonic analysis of the three motors

根據(jù)有限元分析，可知優(yōu)化后的UPM-FSLM比傳統(tǒng)PMFSLM的平均推力提高了10.6%，推力波動(dòng)降低了24.6%。圖20示出優(yōu)化后UPM-FSLM、UPM-FSLM和PMFSLM的推力曲線。三種電機(jī)的電磁特性見表6。

圖20 優(yōu)化后UPM-FSLM、UPM-FSLM和PMFSLM的推力曲線Fig.20 Thrust of traditional PMFSLM, UPM-FSLM and optimized UPM-FSLM

表6 三種電機(jī)的電磁特性Table 6 Electromagnetic characteristics of the three motors

本文提出一種具有U型永磁結(jié)構(gòu)的永磁開關(guān)磁鏈直線電機(jī)，較傳統(tǒng)PMFSLM在結(jié)構(gòu)與性能指標(biāo)上有所提升。U型永磁結(jié)構(gòu)能夠有效抑制傳統(tǒng)PMFSLM產(chǎn)生的頂端漏磁現(xiàn)象，并且提高電機(jī)初級的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度?；谙嗤来朋w用量，優(yōu)化后的UPM-FSLM較傳統(tǒng)PMFSLM推力提高了10.6%，推力波動(dòng)降低了24.6%，電磁性能明顯提高。

與此同時(shí)，U型永磁結(jié)構(gòu)需要在PMFSLM初級軛部嵌放永磁體，增加了軛部的厚度，較傳統(tǒng)PMFSLM，UPM-FSLM的有效部分體積增加了24.5%。但考慮到該類型電機(jī)在無繩提升系統(tǒng)中的應(yīng)用，傳統(tǒng)PMFSLM初級結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低需加厚初級軛部，用于加裝燕尾槽等，導(dǎo)致其實(shí)際體積增加。因此，在實(shí)際應(yīng)用中兩者體積相近。此外，U型永磁的加工、裝配有一定難度，進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、工藝流程設(shè)計(jì)等有待深入研究。但U型永磁結(jié)構(gòu)，提高了PMFSLM的初級結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，增加了推力，降低了推力波動(dòng)，消除了初級頂部漏磁，永磁利用率高，電磁兼容性好，更有利于該類型電機(jī)在無繩提升系統(tǒng)中的應(yīng)用。